Hochgenaue Inspektion Flugzeugturbinen mit einer Wärmebildkamera untersuchen

Die Thermografie hilft Wissenschaftlern, die Produktionsprozesse von Flugzeugturbinen zu verstehen und so Bedingungen zu schaffen, damit sich hohe Qualitätstandards definieren lassen.

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Die fertigungsbedingte thermische Belastung von Nickelbasislegierungen in Flugzeugturbinen ist Gegenstand eines experimentellen Forschungsauftrages zwischen dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT und dem Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen. Hintergrund: Bei tödlichen Flugzeugunglücken ist die Häufigkeit von Antriebsschäden laut einer Studie der European Aviation Safety Agency (EASA) an vierter Stelle der möglichen Ursachen. Vorher treten Ereignisse wie Verlust der Steuerungskontrolle oder Feuer auf.

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Eine genaue Analyse, bei welchen Produktionsbedingungen stark beanspruchte Bauteile den höchsten Qualitätsansprüchen genügen und wann nicht, entscheidet über Leben und Tod. Während bestimmte Bestandteile wie die Schaufeln einer Turbine durchaus im Flug beschädigt werden können, ohne dass Menschen dabei zwangsläufig zu Schaden kommen müssen, hat ein Bruch des Turbinenrades fast immer verheerende Folgen. Kritisch sind auch Gefügeveränderungen in der Oberflächenrandzone wie Mikrohärte, mikrostrukturelle Anomalien (Verformungsschichten oder Phasenveränderungen) und Eigenspannungen eines Bauteils.

Thermografische Untersuchung der Bauteile

Wichtige Parameter für den Zerspanungsprozess sind die Geschwindigkeit, die Stärke oder Dicke des Spans sowie die Materialabtragsrate, die sich allesamt auf die Materialqualität und die Temperaturentwicklung im Prozess auswirken. Bei niedriger Schnittgeschwindigkeit und geringer Spanstärke, also mäßigem Zeitspanvolumen, sollte die Qualität des Bauteils theoretisch am höchsten sein.

In der Praxis ergeben sich, neben einer sehr niedrigen Produktivität, auch Probleme durch entstehende Aufbauschneiden. Sehr hohe Prozessgeschwindigkeit, größere Spandicke und hohe Materialabtragsraten dagegen haben durch die starke Wärmeentwicklung problematische Auswirkungen auf das Werkzeug (Verschleiß) und die Qualität des Werkstücks. Es gilt also die Prozessparameter in einem thermisch optimalen Bereich zu halten, bei dem Qualität und Produktivität gleichzeitig am Höchsten sind.

Für die zerstörungsfreie Inspektion bietet sich die Thermografie mit gekühlten Wärmebildkameras an. Das untersuchte Werkstück lässt sich ohne Einschränkungen weiter verwenden. Außerdem wird die angestrebte Qualität neben dem Prozess analysiert. So lassen sich Signale bereits während des Herstellungsprozesses ermitteln und interpretieren.

Ein hochkomplexes Werkstück wie ein Turbinenrad hat in unterschiedlichen Stadien seiner Produktion einen bestimmten Wert, der mit dem Grad seiner Weiterbearbeitung steigt. Stellt man in einem frühen Stadium der Bearbeitung Probleme in den Materialeigenschaften fest, kann die Weiterverarbeitung abgebrochen werden und es lassen sich hohe Folgekosten verhindern.

Obwohl sich die Thermografie anbietet, ist sie hochkomplex. Das wussten die Ingenieure des WZL und des IPT allerdings vorher: Es benötigt in diesem Fall vier Wochen vom Beginn der Versuche mit einer Thermografie-Kamera bis zum ersten auswertbaren Wärmebild. Notwendig ist eine exakte Kalibrierung der Kamera, die von den niedrigen Emissionsgraden der Nickel-Legierungen bestimmt war. Der Grund ist, dass der Emissionsgrad eines Körpers vom Material abhängt. Blanke oder polierte Metalloberflächen verfügen über eine geringe Emission, was wiederum Auswirkungen auf die tatsächliche Oberflächentemperatur hat.

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