Reverse Engineering eines Leitschaufelstücks

Copyright: Voith Group

Die Voith Hydro GmbH & Co. KG mit Stammsitz in Heidenheim ist ein führender Komplettanbieter zur Ausrüstung der Maschinentechnik von Wasserkraftwerken.

Zur Digitalisierung von Bauteilen, von denen keine CAD-Daten vorliegen, setzt das Unternehmen den HandySCAN 3D Scanner und die Fotogrammetrie-Kamera MaxSHOT 3D des Unternehmens Creaform ein.

Das Reverse Engineering Projekt

Ziel war es, ein fehlendes Füllstück einer Leitschaufel zu rekonstruieren und ein bestehendes Füllstück der richtigen Leitschaufel zuzuordnen. Die Leitschaufeln sind eine Komponente des Leitapparates. Dieser steuert die Wassermenge und lenkt sie in der gewünschten Anströmung auf ein Turbinenlaufrad.

Fotogrammmetrie-Aufnahme einer Leitschaufel mit dem MaxSHOT 3D, Copyright: Voith Group

Im ersten Schritt wurde mit dem optischen Koordinatenmesssystem MaxSHOT 3D eine Fotogrammetrie-Messung an den beiden Leitschaufeln durchgeführt, um die Scangenauigkeit zu erhöhen sowie den Scanvorgang flexibel durchführen zu können. Der MaxSHOT 3D bietet eine Messgenauigkeit von mehr als 0,015 mm/m und ist ideal für Großprojekte und Teile von 2 bis 10 m Länge geeignet, um hochpräzise Messergebnisse zu erzielen.

Zusätzlich wurde ein Scan vorgenommen, bei dem das vorhandene Füllstück digitalisiert wurde. Die Scandatei sollte ein möglichst genaues Abbild (im Bereich von 0,1mm) der Flügelkontur abbilden, so dass eine exakte Zuordnung und die Rekonstruktion der Füllstücke möglich sind. Der Scanvorgang sowie die erste Verarbeitung der Scandateien erfolgten mittels VXscan. Indem überflüssige oder versehentlich erfasste Stellen gelöscht und anschließend als .stl-Datei gespeichert worden sind, bereinigte die Software zudem das Modell.

Um ein vollwertiges CAD-Modell zu erhalten, ist es notwendig eine Flächenrückführung durchzuführen. Diese wurde in Polyworks Modeler umgesetzt. Die aus den Scandateien generierten Polygonmodelle dienten hier als Basis. Im weiteren Verlauf der Bearbeitung wurden so CAD-Abbilder des Füllstücks und dessen Gegenstücks an der Leitschaufel generiert.

Die Scandateien der Leitschaufeln und des Füllstücks wurden ebenfalls zur „digitalen Passprobe“ verwendet. Hier wurden die Scandateien in Polyworks Inspector zusammengefügt, um herauszufinden zu welcher Leitschaufel das bestehende Füllstück gehört. Das Gleiche wurde unter anderem mit dem neu konstruierten Füllstück gemacht, um sicher zu gehen, dass dieses zur Leitschaufel passt.

Leitschaufel mit Füllstück in VXelements und als CAD in Polyworks.

Scan des Füllstücks in VXelements und Farbabgleich in Polyworks, Copyright: Voith Group

Vorteile portabler Messgeräte

„Im Wasserkraftbereich werden sehr viele Freiformflächen verwendet, die mit herkömmlichen Messinstrumenten nur schwer messbar sind. Um schneller, effektiver und flexibler zu sein sowie die Vorteile des Reverse Engineerings zu erhalten, haben wir uns für die Scantechnologie von Creaform entschieden“, erklärt Daniel Roessler, Quality Engineer bei der Group Division Voith Hydro.

In der Vergangenheit setzte das Unternehmen verschiedene Handmessmittel wie auch 3D-Messarme ein. Der Creaform HandySCAN 3D ist wesentlich flexibler und ungebundener als ein Messarm. Der Dimensionsbereich von Bauteilen im Wasserkraftbereich erstreckt sich von 500 mm bis zu 7000 mm. Hierbei ist es unerlässlich ein System zu verwenden, welches frei, tragbar und ohne ständiges umsetzten die gewünschten Stellen erfassen kann.  Das bisherige System konnte zudem nur kleine Flächen erfassen. Im Vergleich dazu arbeitet das Creaform-System schnell und effektiv und kann somit auch große Flächen erfassen.

Herr Roessler führt fort: „In unserem Bereich benötigen wir mobile Geräte, die sich flexibel anwenden lassen und ohne großen Aufwand einsatzbereit sind. Mit dem HandySCAN 3D sowie dem MaxSHOT 3D haben wir zwei Produkte, mit denen wir beim Kunden vor Ort im Kraftwerk, bei Zulieferern sowie in der Werkstattmontage flexibel und schnell reagieren können.“

Return on Investment Sicher wären die Messungen teilweise auch mit manuellen Messmitteln möglich gewesen, auf deren Basis das Füllstück zugeordnet und ein neues konstruiert hätte werden können. Allerdings hätte das neu gefertigte Füllstück mit hoher Wahrscheinlichkeit im Nachgang händisch nachgeschliffen werden müssen, weil die Freiformkontur nicht mit den konventionellen Methoden erfasst werden kann. Für diese Tätigkeiten müssten die Bauteile aus dem Kraftwerk in das Voith-Werk transportiert werden, was mit zusätzlichen Kosten und Aufwand verbunden wäre. Mit Hilfe der Scantechnik wurde lediglich eine Person benötigt, die den Scan vor Ort im Kraftwerk durchgeführt hat. Anhand der digitalen Abbilder der Bauteile konnten die restlichen Schritte digital am PC durchgeführt werden. Grundsätzlich ist in Bezug auf das Reverse-Engineering bei Bauteilen mit mittlerem Detailumfang eine Zeit- und Kosten-Einsparpotential von 40% bis 50% gegenüber dem Standardengineering erzielbar.

Copyright: Voith Group

Vorteil hierbei ist, dass nach einem Scan alle Profile und Messdaten in einer Datei komplettiert sind und aufwendige Nachprüfungen am Bauteil entfallen. Des Weiteren wird das Risikopotential von händischen Fehlmessungen und Fehlinterpretationen nahezu gegen null minimiert. Der Standort des Bauteils ist beim Einsatz vom Laserscan als solches nicht relevant. Voith Hydro ist mit den portablen Creaform-Geräten in der Lage, überall und in nahezu allen Positionen die Details zu erfassen.

Ein rundum positives Fazit

„Die Praktiken und Prozesse haben sich vor allem in den Möglichkeiten verbessert. Durch den HandySCAN 3D und den MaxSHOT 3D ist Voith Hydro in der Lage flexibel und schnell bei Aufgaben oder Probleme zu reagieren. Bauteile können in kürzester Zeit digitalisiert und am PC untersucht oder rekonstruiert werden. Reaktionsfähigkeit ist eine wichtige Eigenschaft, die uns die Creaform-Systeme ermöglichen. Bei der Produktion, im Servicebereich oder auf Baustellen entstehen häufig Situationen in den sofort reagiert werden muss und lange Wartezeiten mit hohen Kosten verbunden sind. Hier sind wir durch unsere Creaform-Systeme sofort in der Lage dem Kunden eine Lösungsmöglichkeit und Analyse zu bieten“, fasst Herr Roessler zusammen.

„Creaform verfügt über ausgereifte Systeme zur Digitalisierung von Bauteilen. Mit den Produkten von Creaform sind wir in der Lage, kostengünstig und schnell die Bauteile unserer Kunden, vor allem aus Baujahren, in denen die Digitalisierung noch keine Rolle spielte, exakt zu messen und für die Zukunft zu digitalisieren. Zudem können wir entsprechend den Anforderungen die Bauteile individuell fertigen.“

Über Voith

Voith ist ein weltweit agierender Technologiekonzern. Mit seinem breiten Portfolio aus Anlagen, Produkten, Serviceleistungen und digitalen Anwendungen setzt Voith Maßstäbe in den Märkten Energie, Öl & Gas, Papier, Rohstoffe und Transport & Automotive. Gegründet 1867 ist Voith heute mit mehr als 19.000 Mitarbeitern, 4,3 Milliarden Euro Umsatz und Standorten in über 60 Ländern der Welt eines der großen Familienunternehmen Europas.

Der Konzernbereich Voith Hydro, mit Stammsitz in Heidenheim, ist ein führender Komplettanbieter für die Ausrüstung von Wasserkraftwerken und ein zuverlässiger Partner. Voith entwickelt individuelle, langfristige Lösungen und Services für große und kleine Wasserkraftwerke auf der ganzen Welt. Mit seinem Produkt- und Leistungsportfolio deckt das Unternehmen den gesamten Lebenszyklus und alle Komponenten von Groß- und Kleinwasserkraftwerken ab: von Generatoren, Turbinen, Pumpen über Automatisierungssysteme bis hin zu Serviceleistungen mit Ersatzteilen, Wartungs- und Weiterbildungsdiensten sowie digitalen Lösungen für intelligente Wasserkraft.