Model-based measurement strategies for in-situ 3D inspection of complex geometries

Autor: Philipp Middendorf

ISBN: 978-3-95900-866-2

Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2023

Herausgeber der Reihe: Eduard Reithmeier

Band-Nr.: IMR 04/2023

Umfang: 217 Seiten, 91 Abbildungen

Schlagworte: Boroskopie, Endoskopische Streifenprojektion, Triebwerksinspektion, hochreflektive Messobjekte, Raytracing, virtuelle Streifenprojektion

Kurzfassung: Im Rahmen dieser Dissertation wurden Messstrategien zur Inspektion von montierten und teilzerlegten Flugtriebwerken entwickelt. Im Fokus standen dabei die in-situ 3D Inspektion von Turbinenschaufeln und die optische 3D Messung hochreflektiver Verdichterschaufeln. Die Zustandsbefundung von Turbinenschaufeln im montierten Triebwerk erfolgt mittels Wartungsöffnungen, welches stark miniaturisierte Messsysteme erfordert. Mit der Miniaturisierung eines Streifenprojektionssystems auf Basis eines boreskopischen Sensoraufbaus konnte die hochpräzise 3D Messung in beengten Bauräumen ermöglicht werden. Zur robusten Punktwolkenregistrierung wurde ein Posenschätzungansatz entwickelt, der auf der Detektion eindeutiger geometrischer Features wie Kühlluftbohrungen basiert. Die Posenidentifikation ermöglicht eine präzise geometrische Charakterisierung von Turbinenschaufeln und die metrische Schadensableitung im Bezug zur Referenzgeometrie. Im Besonderen können explizit Schadensorte, -größen und -formen präzise gemessen und automatisiert ausgewertet werden. Die optische Messung hochreflektiver Verdichterschaufeln ist aufgrund von Mehrfachreflexionen auf der konkaven Bauteiloberfläche nur eingeschränkt möglich. Bei der Streifenprojektionsmessung können Mehrfachreflexionen zu fehlerhaft zugeordneten Phasenwerten führen, welches eine abweichende Rekonstruktion bedingt. Zur Analyse und Kompensation des Einflusses von Mehrfachreflexionen wurde ein Framework für GPU-basierte Raytracingsimulationen entwickelt. Mit der Prädiktion des Reflexionsverhalten konnten generische Messstrategien zur optischen Messung komplexer Geometrien entwickelt werden. Zum einen konnten Reflexionskompensationsansätze mittels Maskierung von Kamera und Projektor erforscht werden. Zum Anderen wurde eine Methode zur Abschätzung reflexionsoptimierter Messposen unter Berücksichtigung der Gesamtreflektivität einer Messpose sowie lokaler Punktabweichungen implementiert. Die Validität der entwickelten Messstrategien sowie die Anwendbarkeit bei hochreflektiven Messobjekten wurde anhand von experimentellen Messreihen gezeigt.