Browsing by Author "Jakimov, Andreas"

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Untersuchungen zur Prozessregelung beim Plasmaspritzen von Verdichtereinlaufbelägen
(2009) Jakimov, Andreas; Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Um den Wirkungsgrad von Flugtriebwerken zu maximieren, müssen die Spalte zwi-schen rotierenden und stationären Teilen minimiert werden. In den unterschiedlichen Betriebszuständen kann es daher zu Berührungen zwischen diesen Bauteilen kom-men. Da es speziell beim Einlaufen von Verdichterlaufschaufeln in das Gehäuse zu kritischen Zuständen kommen kann, wird in vielen Triebwerken ein abreibbarer Ein-laufbelag auf die Gehäuseinnenseite aufgetragen. Zur Herstellung dieser Einlaufbeläge werden Thermische Spritzverfahren wie das Atmosphärische Plasmaspritzen angewendet, bei denen pulverförmiger Werkstoff an- oder aufgeschmolzen und auf ein Bauteil geschleudert wird. Um die Einlauffähig-keit der so erzeugten Schicht zu gewährleisten, muss eine hohe Schichtporosität er-zeugt werden. Dies wird im Falle des in dieser Arbeit betrachteten Einlaufbelags durch die Einbettung von Polyesterpartikeln in die Schicht erzielt, die nach der Be-schichtung mit Hilfe einer Wärmebehandlung ausgebrannt werden. Das dem Spritz-pulver beigemengte Polyesterpulver ist eine Einflussgröße, die mit herkömmlichen Diagnosegeräten zum Zwecke einer Prozessregelung allerdings nicht detektiert wer-den kann. Neben dem Spritzpulver besitzt das Verfahren jedoch noch eine Vielzahl von weiteren Einflussgrößen, die mangels Stellgrößen und Diagnosegeräten weder geregelt noch kontrolliert werden können. Gegenstand dieser Arbeit ist es, den Plasmaspritzprozess eines Verdichtereinlaufbe-lags hinsichtlich seiner Regelbarkeit zu untersuchen und adäquate Systeme zu ent-wickeln, die eine automatisierte Regelung ermöglichen. Zu diesem Zweck wurden zunächst alle, die Schichteigenschaften signifikant beeinflussenden Größen des Pro-zesses ermittelt und anschließend experimentell analysiert. Es stellte sich heraus, dass die betrachteten Einflussgrößen in sehr unterschiedlichen Größenordnungen auf den Spritzprozess und damit die erzeugten Schichteigenschaften einwirken. Zur Kompensation der Prozessschwankungen und -drifte wird ausschließlich der Ab-stand des Plasmabrenners zum Bauteil verwendet. Durch diesen können Schichtei-genschaften, wie die Porosität, geregelt werden. In näheren Untersuchungen wurde der zu Grunde liegende Mechanismus betrachtet. Es stellte sich heraus, dass der Anteil eingebetteter Polyesterpartikel stark abstandsabhängig ist. Dieser fällt mit stei-gendem Spritzabstand, was in einer Verringerung der Porosität resultiert. Nach den Ergebnissen dieser Arbeit ist die Ursache dieses Effekts eine mit steigendem Spritz-abstand sinkende Haftwahrscheinlichkeit der auftreffenden Polyesterpartikel. Nach der Identifizierung der relevanten Einflussgrößen wurde im nächsten Schritt eine Regelung für das Verfahren auf Basis künstlicher Neuronaler Netze (kNN) ent-wickelt. Hierzu mussten die Einflussgrößen in adäquater Weise quantifiziert werden, um dem kNN die zur Regelung nötigen Informationen über den Spritzprozess zur Verfügung zu stellen. Mit den vorliegenden Möglichkeiten war keine allgemeingültige jedoch eine adaptive Regelung zu verwirklichen. Im Gegensatz zur allgemeingültigen Regelung, die per Definition einmal konfiguriert nicht mehr auf den Prozess kalibriert werden muss, wird die adaptive Regelung in kurzen Intervallen mit Hilfe von Proben- und Bauteilattrappenbeschichtungen auf den aktuellen Prozess angepasst. Die Vali-dierung der adaptiven Regelung mit Beschichtungsdaten eines kompletten Produkti-onsjahres zeigt, dass eine auf kNN basierende, automatisierte Regelung des be-trachteten Spritzprozesses realisierbar ist. Um den Ansatz eines allgemeingültigen Regelungssystems weiter zu verfolgen, ist eine Quantifizierung bisher nicht detektierbarer Einflussgrößen, wie dem geförderten Polyestermassenfluss, unerlässlich. Zu diesem Zweck wurden im Folgenden zwei Diagnosesysteme entwickelt. Sowohl mit einem System basierend auf optischer Emissionsspektroskopie (OES) als auch mit einem System, das die Technik der la-serinduzierten Fluoreszenz nutzt wurden Erfolge erzielt. Die hierbei nachgewiesene technische Machbarkeit bildet im Falle der OES die Grundlage zur zukünftigen Ent-wicklung einer selektiven Ermittlung des Polyestermassenflusses oder im Falle der Fluoreszenztechnologie sogar zur ortsaufgelösten Detektion der Polyesterpartikel im Spritzstrahl. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zu zukünftigen Entwicklungen automati-sierter Regelungssysteme für den Plasmaspritzprozesses. Das entwickelte System ist allerdings nicht ohne entsprechende Forschungsarbeit auf andere Schichtsysteme übertragbar. So ist für jede Anwendungen immer eine individuelle Identifikation und Quantifizierung der relevanten Einflussgrößen nötig. Speziell in Hinblick auf Plas-maspritzprozesse zur Herstellung von Einlaufbelägen, deren Porosität mit Polyester-partikeln erzeugt wird, liefert diese Arbeit erste erfolgreiche Ansätze zur Entwicklung oder Modifizierung geeigneter Diagnosesysteme. Vor allem zur Realisierung einer allgemeingültigen Regelung gilt es diese in Zukunft weiterzuverfolgen.