Zwischen 45 kW und 250 MW leisten die in Görlitz entwickelten und produzierten Turbinen und Turbosätze. - (Bild: Siemens)
Nur eine ausgelastete Maschine ist eine effiziente Maschine – so lautet das Motto in der Schaufelfertigung der Siemens AG Steam Turbines in Görlitz. Denn nur bei einer optimalen Maschinenbelegung lässt sich der Kosten- und Termindruck bei der Turbinenherstellung stemmen.
Der virtuelle Messraum als außerordentlich effizient bewertete Offline-Programmierung: der I++Simulator im Einsatz mit Quindos. – Bild: Siemens
Die Voraussetzungen für eine rationelle Maschinennutzung sind optimierte Durchlaufzeiten sowie das Vermeiden von Engpässen. Im Rahmen der Qualitätssicherung bedeutet dies das Optimieren der Einricht- und Messzeiten und insbesondere das Reduzieren der Programmzeiten für Messprogramme, die das 3D-Koordinatenmessgerät zu einer effizienten Maschine werden lassen.
Das Turbinenwerk Görlitz ist die Zentrale des Dampfturbinengeschäfts der Siemens AG. Weltweit produziert Siemens an elf Standorten industrielle Dampf- und Gasturbinen, die als Turbosätze oder mechanische Antriebe ausgeliefert werden. Zwischen 45 kW und 250 MW leisten die in Görlitz entwickelten und produzierten Turbinen und Turbosätze.
“Turbinenbau ist Einzelfertigung”, erklärt Ulrich Maywald, Leiter der Turbinenschaufelfertigung der Siemens AG in Görlitz. “Selbst wenn sich zwei von außen ähneln mögen, so unterscheiden sie sich im Aufbau mit Sicherheit in wesentlichen Details. Weil jede einzelne Turbine nach individuellen Parametern des Kunden ausgelegt wird. Die einzige Kleinserienfertigung innerhalb des Turbinenbaus ist die Schaufelfertigung.”
Hochdruck- und Niederdruckschaufeln
Bis zu 200 Schaufeln, angeordnet auf unterschiedlich großen, ringförmigen Sätzen, kann eine großdimensionierte Turbine vereinen. Während sich am Dampfeintritt der Turbine die kleinen Hochdruckschaufeln (HD) befinden, werden diese nach hinten – mit der Dampfausdehnung – zu immer größeren und zunehmend verwundenen Niederdruckschaufeln (ND).
Die größte ND-Schaufel ist 1,2 Meter lang und wiegt 43 Kilogramm. Sie wird aus einem ursprünglich 76 Kilogramm schweren, geschmiedeten Rohteil gefräst. – Bild: Siemens
“Unsere kleinste gefertigte HD-Schaufel misst 45 Millimeter in der Höhe und 12,5 Millimeter in der Breite. Die größte ND-Schaufel ist stolze 1,2 Meter lang und wiegt beachtliche 43 Kilogramm. Sie wird aus einem ursprünglich 76 kg schweren, geschmiedeten Rohteil gefräst”, berichtet Maywald und leitet damit zum komplexen Fertigungsverfahren der Niederdruckschaufeln über.
Wie die bislang größte werden auch alle anderen ND-Schaufeln mit ihrem verwundenen Blatt und tannenbaumförmigen Fuß aus einem Schmiederohling herausgearbeitet. Dafür stehen in Görlitz modernste CNC-5- und 4-Achs-Bearbeitungszentren zur Verfügung. “Auf einer solchen Maschine erfolgt in zwei Schritten die Komplettbearbeitung. Aus dem Rohling entsteht dabei eine zu 95 Prozent fertige Schaufel”, erläutert der Produktionsleiter. Und ergänzt: “Diese Fertigungstiefe ist natürlich auch eine enorme Herausforderung an die Qualitätssicherung. Denn wir sind mit sehr vielen und sehr unterschiedlichen Einflussfaktoren konfrontiert, die den Durchlauf beeinflussen. Dazu gehören Einricht- und vor allem Messzeiten.”
Schnelle Anpassung
Kommt es zu Schwierigkeiten beim Einfahren eines NC-Programms oder bei der ersten Vermessung einer Schaufel, müssen der Fertigungsplan sowie die Terminplanung schnell angepasst werden. “Der Einsatz von Simulationssoftware reduziert das Fehlerrisiko in diesen Punkten ganz erheblich”, konstatiert Sebastian Frinker, Anwendungstechniker in der Görlitzer Schaufelfertigung.
Vom Rohteil bis zum Fertigteil – von der Hochdruck- bis zur Niederdruckschaufel – eine komplett virtualisierte Fertigung und Messung, mit der die Kombination Quindos und I++Simulator beindruckt. – Bild: Siemens
Um gleichzeitig eine Kollisionskontrolle und Achsoptimierung an den Fräsmaschinen durchführen zu können, ist es bei Schmiederohlingen besonders wichtig, ihre genaue Kontur zu kennen. Die Rohlinge werden bei Siemens mithilfe des Messarms Romer Absolute Arm 7-Axis SI vollständig digitalisiert. Das generierte 3D-Modell wird dann als Ausgangsbasis direkt in der NC-Programmiersoftware der Fräsmaschinen verwendet. “Noch wesentlicher ist allerdings”, so Frinker, “dass wir das Resultat der Fertigungssimulation auch virtuell per Simulation messen können – bevor real auch nur ein einziger Span gefallen ist! So lassen sich nicht nur Kollisionen erkennen, sondern auch bereits das programmierte Aufmaß messen und kontrollieren.” Ein Quantensprung in Sachen Fertigungsplanung und Qualitätssicherung für die Schaufelfertigung bei Siemens. Da sich die jeweiligen Bearbeitungsstufen der Schaufelprofile in ein digitales 3D-Abbild überführen lassen, können Rückschlüsse auf die Korrekturparameter für den Fertigungsprozess verifiziert werden. Das kann jedoch nur effizient sein, wenn sich die Schaufelprofile auf gewohnte Weise messen und auswerten lassen, ohne die reale Messmaschine zu “belasten”.
Auf einen Blick
Online-Simulation im virtuellen Messraum
Der I++ Simulator ist ein eigenständiges Programmpaket von Hexagon Metrology und ermöglicht die Simulation eines kompletten Messablaufs. Erst durch die Visualisierung von Messgerät, Tastsystem, Taster und Tasterwechsel sowie Werkstück und Vorrichtung ist ein realer Ablauf des Messprogramms mit Kollisionsbetrachtung möglich.
Virtueller Messraum
Realisiert wurde dieser Quantensprung durch den Einsatz des I++ Simulators von Hexagon Metrology – dem virtuellem Messraum – in Kombination mit der bereits seit Jahren bei Siemens eingesetzten Messsoftware Quindos mit I++DME. Mit dieser Lösung der simulierten Messung entfällt das frühere, extrem zeitaufwändige Procedere mehrfacher Einricht- und Messschritte beim Einfahren neuer Schaufelvarianten. Der I++ Simulator ermöglicht als eigenständiges Programmpaket die Simulation eines kompletten Messablaufs. Mit ihm programmiert Anwendungstechniker Sebastian Frinker bei Siemens die Messabläufe des kompletten Teilespektrums so, als ob er an seinem realen Messgerät, einem Leitz Sirio 688, agiert. Das heißt, er arbeitet mit dem virtuellen Zielmessgerät und programmiert mit seiner gewohnten Mess- und Auswertesoftware Quindos. Der einzige Unterschied: Zur manuellen Steuerung des virtuellen Messgeräts dient ein herkömmliches Gamepad anstelle des konventionellen Bedienpults.
I++ Simulator – Bild: Hexagon
Programmiert wird also wie an der realen Maschine. Damit wird Offline-Programmierung zur “barrierefreien” Online-Programmierung. Für eine maximale Effektivität bei der Messprogrammerstellung setzt man bei Siemens in Görlitz zudem die Quindos-Anweisung “MeBladeProf” ein. Die Leistungsbandbreite von MeBladeProf (Messen/Auswerten – Profil einer Turbinenschaufel) reicht vom Messen bis zur Auswertung eines Schaufelprofilschnitts.
Die Eingabe der Sollwerte der Profilcharakteristika erfolgt über eine einfache Maske mit der Visualisierung eines Schaufelprofils. Die Anweisung ruft ein Unterprogramm auf, das das Profil automatisch – mit den notwendigen Freifahrwegen – misst und wahlweise Radiuskorrektur, Einpassung, Ist-Soll-Vergleich und Ergebnisdarstellung durchführt. Die Anweisung kann direkt mit den in Quindos CAD generierten Soll-Profilen erfolgen – ob für den virtuell gemessenen Schaufelrohling oder das reale gemessene Fertigteil.
Für die Profilschnitte der Rohlinge wird das bereits durch Digitalisierung erstellte CAD-Modell verwendet. Es bietet den Vorteil, dass eine Auswertung zum Mittelmaß erfolgen kann, um auf diese Weise die Prozesskorrektur für die Fertigung zu verifizieren.
Wichtiger Aspekt
Anwendungstechniker Sebastian Frinker bringt einen weiteren Aspekt ins Spiel, nämlich Messprogrammanpassung:
“Turbinenbau ist Einzelfertigung.”, Ulrich Maywald (mitte). – Bild: Siemens
“Bei parametrisierten Messprogrammen, die ja immer für eine ganze Bauteilfamilie gelten, können auf eine spezielle Schaufel bezogene Detailänderungen problematisch werden. Weil sie ja auch immer Auswirkungen auf den Rest der Familie haben, die man vielleicht gar nicht im Blick hat. Das stellt man dann erst fest, wenn es bei deren Produktion zu Schwierigkeiten kommt.” Schwierigkeiten, die der Messspezialist mit dem I++ Simulator ausschließen kann: “Mit dem I++ Simulator kann ich ganz einfach die diversen Szenarien virtuell durchspielen und alle Problemfälle im Vorfeld erkennen. Hätte ich diese Möglichkeit nicht, müsste ich nach einer Änderung im parametrisierten Programm tatsächlich jedes Teil der Schaufelfamilie real aufspannen und einzeln durchmessen – was allein vom Zeitaufwand völlig unmöglich ist.”
Fertigungsleiter Maywald zeigt sich denn auch mehr als begeistert von der Kombination Quindos, der Anweisung MeBladeProf und I++ Simulator: “NC- oder Messprogrammfehler werden damit bereits vor Anlieferung des Rohmaterials erkannt, und die Fertigung kann ohne Verzögerung beginnen. Durch die komplett virtualisierte Fertigung und Messung haben wir auch beste Voraussetzungen für eine schnelle Entwicklung neuer Schaufelgeometrien und deren Produkteinführung.”
Kontakt:
Siemens AG Powergeneration Industrieturbinen, D-02826 Görlitz, Tel.: 03581/680
Hexagon Metrology GmbH, D-35578 Wetzlar, Tel.: 06441/207-0
