Maintenance, Repair & Overhaul – Rückschau und Ausblick

Worum ging es in dem Projekt?
Durch die Kombination von standardisierter Fertigung mit modernsten Technologien wie additive Fertigungsverfahren und Digitalisierung (z.B. digitaler Zwilling) war das Team in der Lage, einzelne Prozessschritte zu digitalisieren, zu automatisieren und in Ansätzen zu vernetzen. In der Phase II sollen unter anderem die Schnittstellen der Einzellösungen komplett vernetzt werden, um zukünftig Kunden maßgeschneiderte Lösungen mit erhöhtem Mehrwert anbieten zu können. Das Forschungsvorhaben wurde offiziell im Sommer 2020 gestartet und trotz aller Widrigkeiten der Pandemie war es dem Team möglich, im Januar 2023 zum sechsten Mal erfolgreich seine Meilensteine zu berichten. Dank der fachlichen Expertise der Forschungspartner und der KMU‘s sowie der hervorragenden Zusammenarbeit in allen Arbeitspaketen konnte die Phase I erfolgreich und gemäß Zeitplan abgeschlossen werden.
Ergebnisse aus dem Projekt sind unter anderem auf dem Innovation Network Panel im November 2022 und auf dem Meilensteinmeeting im Januar 2023 vorgestellt worden. Die Darstellung des Projektes in Postern sowie zahlreiche weitere Veröffentlichungen des Projektteams können auf unserer Webseite unter Publikationen abgerufen werden.

Welche Ergebnisse wurden erzielt?
Digitalisierung: In den MRO Digitalisierungsarbeitspaketen standen Fragestellungen rund um den Digitalen Zwilling und seine verschiedenen Schnittstellen im Mittelpunkt. So ist z.B. in MRO DI 1 „Digitalisierung der Befundaufnahme“ der Prototyp eines Fototisches (siehe Abbildung 1: Fototisch) fertiggestellt worden, mit dem das äußere Schadensbild einer Gasturbinenschaufel KI-unterstützt erfasst wird. Mittels 5 Kameras und 2 unterschiedlichen Bauteilorientierungen kann die gesamte Bauteiloberfläche in 10 Bildern fotographisch aufgenommen und mittels künstlicher Intelligenz (KI) analysiert und Oberflächenbefunde detektiert und markiert werden. Diese Defekte können dann auf ein 3D-Oberflächenmodell des Bauteils projiziert werden, damit eine teilautomatische CAx-Reparaturkette ermöglicht wird.

Weiterhin ist in DI 7 „Werkerassistenzsysteme“ der prototypische Werker*innenarbeitsplatz realisiert worden. Hier wird mittels AR, Kameras und Beamer die Bauteilposition auf dem Arbeitstisch erfasst und Defekte, die vom Werker bearbeitet werden sollen, werden auf dem Bauteil angezeigt bzw. erkennbar gemacht und arbeitsrelevante Information angezeigt. Somit entfällt das zeitintensive manuelle Suchen von Bauteil- und Auftragsinformationen.
Der „digitale Zwilling“ (MRO DI 6) wurde konzipiert und ist in Umsetzung. Schnittstellen zu den einzelnen MRO-Prozessschritten wurden definiert und sich daraus ergebende Anforderungen an benötigten oder generierten Daten abgeleitet. Diese Anforderungen werden wiederum zur Definition und Realisierung der physischen Anbindung des Zwillings and die Siemens Energy interne IT-Architektur durch eine AWS-Cloud-Lösung genutzt. Somit wird eine datentechnische Vernetzung der gesamten MRO-Prozesskette ermöglicht und Beschleunigung sowie eine maximale Transparenz des Refurbishmentprozesses erreicht.

Additive Fertigung: Innerhalb von MRO entwickelten wir in Abhängigkeit vom Anwendungsfall hybride Reparaturansätze für Gasturbinenschaufeln basierend auf den Technologien LPBF (Laser Powder Bed Fusion) und LPW (Laser Powder Welding). Mittels LPBF sollen die oberen 10% von Turbinenschaufeln neu aufgebaut werden. Durch solch einen Reparaturprozess ist es möglich, die aufgedruckte additiv gefertigte Struktur gleichzeitig zu optimieren und die Geometrie immer auf dem aktuellen Stand der Forschung zu halten. Da herkömmliche LPBF-Drucker für einen solchen Einsatz nicht konzipiert wurden, ergeben sich folgende Problemstellungen:
1: Räumliche Bestimmung des Bauteils im Bauraum der Anlage.
2: Qualitätskontrolle des Bauprozesses
3: Einarbeitung in einen geeigneten Fertigungsfluss / Pre- & Postprozesse
Mittels LPW können lokale Bereiche (Mulden) automatisiert geschweißt werden. Aufgrund der variierenden Fehlerbilder wurde deshalb ein adaptives Geometrie-Erkennungssystem, welches automatisiert Mulden erkennt, entwickelt. Die räumlichen Daten der Mulde werden dann zu einer Schweißbahngenerierung herangezogen.

Neue Materialien: Innerhalb von MRO entwickelten wir einen Ansatz zur Schadensanalyse von Gasturbinenschaufeln. Dafür untersuchten wir Materialdaten zum Rissfortschritt in Fügezonen reparierter Bauteile. Im Fokus waren drei Reparatur-/Fügeverfahren: Additive Fertigung, Narrow Gap Brazing (NGB, Engspaltlöten), Pre-Sintered Preforms (PSP). Diese Materialdaten und weitere Felddaten von den Gasturbinen sollen mit Hilfe einer KI bewertet und in Phase II zu einer KI-basierten Schadensprognose zusammengefasst werden, mit der man im Vorfeld bereits eine Aussage über die Möglichkeiten und den Umfang eines Refurbishments treffen kann.

Wie geht es weiter?
Der Projektleiter Daniel Koch (Siemens Energy AG) sagte dazu: „Wir machen da weiter, wo wir aufgehört haben. Es freut mich sehr zu sehen, wie wir als Arbeitsgemeinschaft zusammengewachsen sind und als Team die Aufgaben erfolgreich umsetzen und jetzt dann auch beginnen, diese in unserer Fertigung vor Ort zu industrialisieren“. Sehr erfreulich ist es, dass das bestehende Team verstärkt durch 2 weitere KMU „YOUSE“ (waren als Unterauftragnehmer in Phase I dabei) und „SERVITIZE“, sowie jeweils 2 weitere Fachgebiete der TU Berlin und BAM, unmittelbar mit der Phase II des Projektes MRO 2.0 beginnen kann. Die 2. Phase steht unter dem Titel „Upgrade statt klassischer Reparatur“ und hat zum Ziel, die in Phase I digitalisierten Prozessschritte komplett zu vernetzen, um somit die Prozesse bei der Reparatur von Gasturbinen so zu optimieren, dass Kunden eine Schaufel nach der Reparatur mit verbesserten Funktionalitäten gegenüber dem Auslieferungszustand zurückerhalten können. Neben der Vernetzung stehen in der Phase II die „Mensch-Maschine-Interaktion“ und die „Nachhaltigkeit“ im Fokus. Im Bereich additiver Fertigung fokussieren wir auf die automatische Reparatur großer Turbinenschaufeln mit Hilfe von robotergestütztem Wire Arc AM (WAAM). Im Bereich Material werden wir ein Arbeitspaket bearbeiten, dass sich nicht mit den Turbinenschaufeln sondern mit den Brennkammersteinen beschäftigt und die Frage aufwirft, wie man die Wasserdampfbeständigkeit dieser keramischer Materialien bei Wasserstoffbefeuerung verbessern kann.
Über die 2. Phase werden wir in Kürze mehr auf unserer Webseite berichten.

Beide Projektphasen sind gefördert durch die Investitionsbank Berlin (IBB), kofinanziert durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).