Im Rahmen des europäischen Forschungsprogramms Clean Sky entwickelten Experten des Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, der Hexagon Metrology GmbH und der Hexagon Technology Center GmbH eine integrierte und vollautomatische Lösung zur Oberflächeninspektion und dimensionelle Messung von BLISKs (Blade Integrated Disks).

Mit Dr. Henrike Stephani, stellvertretende Leiterin der Abteilung Bildverarbeitung im Fraunhofer ITWM, Norbert Steffens, Division Manager R&D UHA bei Hexagon Metrology und Stefan Fall, Projektleiter bei Hexagon Metrology, sprach inspect über Erfahrungen in einem gemeinsamen Entwicklungsprojekt.

inspect: Sogenannte BLISKs (Blade Integrated Disks) sind wichtige Komponenten von Turbinen und Triebwerken. Dass diese gemessen und geprüft werden, wundert nicht. Welche besondere Motivation lag bei Hexagon und dem Fraunhofer ITWM jeweils vor, sich dieses Themas anzunehmen?

N. Steffens: Im Projekt ging es darum, für die BLISKs eine Lösung zu erarbeiten, die über die Geometrie hinaus weitere Merkmale auf dem Werkstück misst, also beispielsweise auch eine visuelle Inspektion oder Rauheitsmessungen vorzunehmen. Der Trend in der Industrie geht mittlerweile dahin, mehrere Messverfahren auf einem Gerät zu integrieren. Dadurch wird die Rüstzeit reduziert, der Durchsatz erhöht und der Nutzen insgesamt vergrößert. Dem wollten wir mit der Zusammenarbeit in diesem Projekt Rechnung tragen.
Dr. H. Stephani: Beim Fraunhofer ITWM bestand eine ganz ähnliche Motivation. Vor allen Dingen in der Flugzeugindustrie ist es so, dass immer mehr Komponenten produziert werden, für deren visuelle Prüfungen sehr qualifiziertes Personal benötigt wird. Höhere Produktionsstückzahlen können zum Teil aus dem einfachen Grund nicht realisiert werden, dass nicht genug Prüfpersonal vorhanden ist. Es geht uns also um die Unterstützung des Prüfprozesses durch automatische Bildverarbeitung dahingehend, dass zu 100% geprüft, der Durchsatz erhöht und die Nachvollziehbarkeit für den Kunden größer wird.

inspect: Warum hat Hexagon dieses Projekt nicht einfach im Alleingang durchgeführt und wie kam die Zusammenarbeit zustande?

N. Steffens: Der Ansatz von Hexagon war es, durch Integration neuer Messverfahren, die aus der klassischen adäquaten Messtechnik nicht abzuleiten sind, den Kundennutzen zu erhöhen. Wir haben uns dafür auf dem Markt nach Partnern mit der nötigen Expertise umgesehen und waren dazu bei verschiedenen Unternehmen und Instituten. Letztendlich haben wir beim Fraunhofer ITWM in Kaiserslautern die Expertise gefunden, die wir für die Lösung in der Sichtprüfung brauchten. Dort gab es Vorkenntnisse in den relevanten Bereichen der Sichtprüfung, die sich zu gut 80% mit unseren Anforderungen deckten. Zudem wollten wir das Rad nicht neu erfinden, sondern Synergieeffekte nutzen und das auf dem Markt verfügbare Lösungspotential mit geringem Aufwand adaptieren, optimieren und integrieren.

inspect: Darf man die Projektpartnerschaft auch so deuten, dass es ein Entwicklungsziel zu erreichen galt, das nicht trivial ist?
N. Steffens: Es ist in der Tat nicht trivial, denn wir verfolgen einen anspruchsvollen mehrstufigen Ansatz. Im ersten Schritt wird die Geometrie gemessen. Klassisch, mit einem taktilen scannenden Tastsystem, ergänzt mit optischer Sensorik. Daraus ergibt sich neben der Geometrie auch die Lage des Teils auf dem Gerät, die im zweiten Schritt für die automatisierte Sichtprüfung zur Orientierung dient. Hier geht es um die Erkennung potentieller Oberflächenfehler, die mit einem automatisch einwechselbaren Kamerasystem ohne Wechsel des Messgerätes erfasst werden. Im nächsten Schritt werden die gefundenen potentiellen Fehler noch einmal mit einem hochgenauen optischen Sensor nachgemessen. Zusätzlich kann auch die Rauheit auf der Oberfläche der BLISK gemessen werden.
Dr. H. Stephani: Die visuelle Prüfung einer BLISK dauert zudem relativ lange, gerade weil sie eine komplizierte Geometrie hat und dazu noch verschiedene Fehlertypen auftreten können. Bei der automatischen Sichtprüfung geht es darum, die Prüfer zu unterstützten, indem die gesamte BLISK visuell vollständig abgedeckt wird und die Oberflächenfehler zu 100% gefunden werden. Meistens finden wir mehr Fehler als nur die, die die menschliche Sichtprüfung hervorbringen würde. Daher hat der Prüfer nach der automatischen Detektion nochmals die Gelegenheit, zu entscheiden, was ein echter Defekt ist und was nicht. Wir identifizieren also die Fehler und das Messgerät misst dann, wie tief die Fehler sind. Zusätzlich liefern wir eine Art Protokoll für den Prüfer. Das heißt, wir geben ihm erst einmal ein visuelles Feedback und eine Entscheidungshilfe. Zusätzlich steht das Bild nicht nur dem Prüfer zur Verfügung, sondern es ist auch im System hinterlegt und dient zur Protokollierung der Fehler.

inspect: Mit welchen technischen Herausforderungen wurden Sie während des Projekts konfrontiert?

N. Steffens: Eine wesentliche Herausforderung lag in der Integration neuer Sensoren in das Gesamtssystem und die damit einhergehende Berechnung eines gemeinsamen Koordinatensystems. Es mussten geeignete Verfahren entwickelt werden, wie verschiedene Sensoren ein gemeinsames Koordinatensystem nutzen können. Also einmal für die Kamera und einmal für die optischen und taktilen Sensoren. Neu ist der Sensor, der hier integriert worden ist: Ein Mehrkamerasystem mit Beleuchtung.
Dr. H. Stephani: Von unserer Seite, also von der Bildverarbeitung her, war die Geometrie der BLISKs und deren vollständige Abdeckbarkeit mit Kameras die Herausforderung. Dabei war der Blick in die Zwischenräume besonders schwierig. Um diese 100%-Abdeckung zu erreichen, verwenden wir drei verschiedene Arten von Beleuchtung und zwei Kameras. Allein die für die Bildverarbeitung notwendigen Bilder zu erzeugen, war der erste große Meilenstein für uns. Der zweite bestand darin, die Bildverarbeitung so stabil zu bekommen, dass immer die echten Fehler gefunden werden. Bei der Abdeckung einer einzelnen BLISK entstehen ungefähr 30 verschiedene Bildtypen. Und für jeden Bildtyp mussten wir einen Algorithmus finden, der den Fehler zuverlässig detektiert. Außerdem ist die 2D-Geometrie, die abgebildet wird, auch in jedem Bild eine andere. Es bestand also noch die Aufgabe, den mit 2D-Bildern abgedeckten Raum und die detektierten Fehler in ein 3D-Koordinatensystem zu überführen und einen entsprechenden Algorithmus zu implementieren.
S. Fall: Eine generelle Herausforderung bestand in der Koordination der Kommunikation zwischen den vorhandenen Teilsystemen, wie etwa das Messgerät und das Bildverarbeitungssystem. Es ist uns gelungen beide Messmethoden auf einer Plattform zu vereinen, was vorher auf getrennt arbeitenden Systemen möglich war.

inspect: Welche Überraschungen, unerwarteten Fortschritte oder gar bemerkenswerten Durchbrüche gab es während des Projekts?

N. Steffens: Da möchte ich zunächst eines nennen: Im Laufe des Projektes kam uns zugute, dass wir hier einen schon integrierten interferometrischen Punktsensor erfolgreich einsetzen konnten. Taktile Sensoren konnten hier nicht angewandt werden, denn bei hocheffizienten Triebwerken können die BLISKs auch spiegelnde Oberflächen aufweisen und taktile Sensoren würden darauf eventuell Kratzer hinterlassen, die man wieder klassifizieren müsste. Es hat sich auch als positiv für diese Messaufgabe herausgestellt, dass dieser optische Sensor mit seinem Durchmesser von nur 6 mm sehr schön in die Zwischenräume der BLISKs eintauchen kann.
Dr. H. Stephani: Für uns sind sowohl die Abdeckung einer so komplexen Geometrie in der visuellen Prüfung als auch die stabile Fehlerdetektion bemerkenswerte Projektfortschritte. Einer der Meilensteine, den wir vorher nicht so vorhergesehen haben, ist der Mehrwert, der sich aus dem sogenannten Raytracing-Verfahren ergeben hat. Um mit dem Hexagon Sensor kommunizieren zu können, müssen unsere Fehler in den 2D-Bildern in 3D-Weltkoordinaten umgerechnet werden. Beim Raytracing nutzen wir das vorher eingemessene CAD-Modell und die Positionen von Kamera und Beleuchtung. Es werden dabei virtuell Lichtstrahlen entsprechend der Beleuchtungs-/Kameraposition in Richtung des Objektes geschickt, dort wo diese unser CAD-Modell schneiden, ist die Fehlerregion in Weltkoordination. Dieses Verfahren hat neben der reinen Koordinatenübermittlung auch viele schöne zusätzliche Visualisierungsmöglichkeiten geliefert. Somit also mehr, als am Anfang gefordert war, und das ist natürlich ein schöner Erfolg.
S. Fall: Das ITWM nutzt hier A-Priori-Wissen wie Positionen und Orientierung der Kamera und CAD-Daten, um die Tiefeninformation mit Raytracing-Algorithmen zu schätzen. Durch dieses Verfahren ist es möglich, auf der Benutzeroberfläche die detektierten Fehler im CAD Modell darzustellen. Dieses gibt eine graphische Gesamtübersicht über die geprüften Bereiche. Das ließe sich potentiell auch in zukünftige gemeinsame Produkte integrieren.

inspect: Inwieweit ist dieses Projekt auch ein Beispiel für das besondere Problemlösungspotential von Technologien, die als Multisensorik beschrieben werden?
N. Steffens: Multisensorik ist natürlich ein weiter Begriff. Es werden taktile, optische und andere Sensoren eingesetzt oder auch Kamerasysteme. In unserem Projekt stellte sich schnell heraus, dass insbesondere an diesem komplexen Bauteil die Messaufgabe mit einem einzelnen Sensor schwer zu lösen sein würde. Wir haben also versucht, durch die Auswahl und Kombination geeigneter Sensoren eine optimale Lösung für das Messproblem zu finden. Die klassische Koordinatenmesstechnik, insbesondere das taktile Messen, wurde mit neuen Verfahren wie der interferometrischen Abstandssensorik erweitert. Aber auch Rauheitssensoren kommen zum Einsatz. Wir wollten an einem Gerät mehr Nutzen für den Kunden bereitstellen und eine Problemlösung erarbeiten, die eventuell auf andere Anwendungen übertragbar ist.
S. Fall: Ich denke, dass dies ein gutes Beispiel für den Einsatz von Multisensorik ist. Wobei man sogar noch einen Schritt weitergehen kann und sogar von Sensor-Automation sprechen müsste, weil der Sensorwechsel vollautomatisch ohne Rekalibrierung abläuft. Die Vollautomatisierung ist ein ganz ausschlaggebender Punkt, denn damit wird eine extreme Durchsatzsteigerung im Vergleich zum heutigen Prüfprozess erreicht.

inspect: Wie darf man sich die praktische Zusammenarbeit von Experten eines gewinnorientierten Industrieunternehmens mit den F&E-Experten eines Forschungsinstituts vorstellen?
N. Steffens: Wir haben es hier mit einem Technologieprojekt zu tun. Es ist also kein Kundenprojekt, bei dem es darum geht, einen Liefertermin einzuhalten. Natürlich gab es seit Projektbeginn am 1. März 2012 auch einzuhaltende Termine. Die Zusammenarbeitet in diesem Rahmen gestaltete sich so, dass man zunächst gemeinsame Schnittstellen definiert hat, nachdem klar war, wie das Konzept aussehen sollte. Und die erlaubten es dann, auf beiden Seiten Vorarbeiten zu leisten, die gemeinsam in regelmäßigen Meetings und Tests am Gerät optimiert wurden.
Dr. H. Stephani: Die Zusammenarbeit war sehr eng und problemgetrieben. Dadurch, dass wir an einem Gerät gearbeitet haben und beide Parteien darauf angewiesen waren, dass alles ineinandergreift, waren wir vom Fraunhofer ITWM sehr häufig bei Hexagon und haben zusammen mit den Experten von Hexagon an der CMM direkt entwickelt. Natürlich hat jeder in seinem Haus die notwendigen Vorarbeiten geleistet, aber vieles mussten wir in der direkten Kooperation erarbeiten.
S. Fall: Die enge Kooperation, insbesondere in der Endphase des Projektes, war besonders effizient durch die gemeinsame Arbeit aller Beteiligten direkt am Messgerät. Sehr hilfreich waren die Informationen und Bauteile sowie das direkte Feedback des Triebwerkherstellers, die ausschlaggebend für die Erreichung der Projektziele waren.

inspect: Welches Problemlösungspotential bietet ein solches Projekt gegenüber der Forschung und Entwicklung ausschließlich im eigenen Unternehmen?
N. Steffens: Die spezielle Expertise, die das Fraunhofer Institut ins Projekt einbrachte, war in unserem Haus nicht vorhanden. Hätten wir diese Expertise selbst über einen längeren Zeitraum neu aufbauen müssen, hätte das den Rahmen eines solchen Projektes gesprengt. Von beiden Seiten wurde unterschiedliches, sich ergänzendes Know-how eingebracht, um gemeinsam die optimale Lösung zu finden. Es war ein sehr kreativer Prozess von beiden Seiten, der viel dazu beigetragen hat, dass verschiedenen Expertisen am Ende den Erfolg ermöglicht haben.

inspect: Wie weit wirkt eine Kooperation wie diese nach dem Abschluss des Projektes noch in den Markt hinein?
N. Steffens: Ich denke, es ist deutlich geworden, dass wir nicht für eine Machbarkeitsstudie zusammengekommen sind. Wir wollen das Projektergebnis in eine Produktoption für unsere Messgeräte überführen. Nicht im Rahmen dieses Technologieprojektes, sondern in einem zweiten Schritt. Das beginnt mit der Integration der Sensoren, geht über die automatische Wechselfähigkeit der Sensoren, die Integration der Aufspannvorrichtung für das Werkstück, den automatisierten Ablauf, bis hin zur Software, die dem Bediener nur eine Benutzeroberfläche präsentiert oder auch einen Report erzeugt. Eine Adaption des Messverfahrens auf andere Applikationen können wir uns in Zukunft in einem weiteren Schritt ebenfalls vorstellen.
Dr. H. Stephani: Wir denken, dass die Kooperation in geeigneter Weise fortgeführt werden kann, weil sie für beide Seiten sehr gut lief. Aber zunächst steht einmal die Marktadaption von dem, was wir jetzt schon erfolgreich verwirklicht haben, im Vordergrund.

inspect: Welche besonderen Branchen oder Industrien werden von dem Prototyp, den Sie auf der Control am Fraunhofer Messestand präsentieren werden, besonders angetan sein?
N. Steffens: Insbesondere wird es für die Luft- und Raumfahrt interessant sein, die ähnlich komplexe Teile herstellen und den Durchsatz erhöhen wollen. Die stehen genau vor dem Problem, dass sie optische Verfahren mit taktiler Messtechnik kombinieren müssen. Wenn man alles auf einem Gerät lösen kann, ist das aber sicher auch eine Perspektive für andere Branchen, z.B. für die Automobilindustrie.
Dr. H. Stephani: Die Luft- und Raumfahrt ist mit die anspruchsvollste Branche, was solche Prüfaufgaben angeht. Die Anwendung lässt sich also sicher auf andere Branchen übertragen bzw. herunterbrechen. Denn höher als in der Luft- und Raumfahrt wird der Anspruch anderswo kaum sein.