Tecnologías avanzadas de digitalización de escaneo 3D para END de componentes de turbinas de gas industriales

Fuente de todas las imágenes: CAPTURE 3D, una empresa de ZEISS

Las empresas que producen piezas aeroespaciales y de generación de energía, como componentes de motores de turbinas de gas industriales (IGT), álabes de trayectoria de gas caliente y álabes guía de boquillas, aplican una capa protectora a los álabes de las turbinas, lo que les permite soportar las altas temperaturas a las que están expuestas mientras están en funcionamiento. . El espesor y la microestructura del recubrimiento deben evaluarse durante la aplicación y durante toda la vida útil de la hoja para garantizar su aptitud para el servicio. Las empresas aeroespaciales y de generación de energía pueden realizar este análisis mediante técnicas de pruebas destructivas (DT) o pruebas no destructivas (NDT).

Un método DT implica el uso de técnicas de mecanizado por descarga eléctrica (EDM) para cortar secciones de la hoja para su análisis con microscopía, lo que proporciona una visión detallada del tamaño y la estructura de las capas de recubrimiento. Sin embargo, producir cada pala puede costar más de 1.000 dólares y el requisito típico es comprobar una de cada 20 palas, lo que hace que este método sea caro, lento, poco práctico para grandes volúmenes y restringido al análisis local. Una técnica de END común para esta medición es la prueba de corrientes parásitas que utiliza inducción electromagnética para medir el espesor del recubrimiento detectando cambios en la conductividad eléctrica causados ​​por la presencia del recubrimiento. Sin embargo, este enfoque está limitado por las propiedades magnéticas con las que están hechas las palas de la turbina.

Esta situación es común en la industria aeroespacial, donde se dependen de métodos destructivos y de END durante todo el ciclo de vida de un componente, desde la producción hasta el MRO. Utilizadas para análisis críticos para la calidad y la funcionalidad, como mediciones del espesor del recubrimiento y verificación de las dimensiones de las paredes internas dentro de las palas, las técnicas destructivas proporcionan la información necesaria, a un alto costo. Mientras tanto, algunas alternativas de END están limitadas por los materiales de la aplicación y brindan información limitada para la cantidad de esfuerzo requerido. Las tecnologías avanzadas de digitalización 3D ofrecen una solución con una alternativa de END modernizada que ahorra tiempo y dinero y desbloquea el acceso a más información en una sola sesión de medición.

Otra alternativa a las pruebas destructivas para el análisis del espesor del recubrimiento es el uso de cupones de prueba como muestras estandarizadas que permiten el análisis de datos localizados de unas pocas áreas de una pala. Los cupones de prueba se envían a un laboratorio donde los técnicos evalúan el espesor de la sección transversal de los recubrimientos. El análisis del laboratorio indica las modificaciones apropiadas al proceso de aplicación del recubrimiento. Este proceso se repite hasta lograr el espesor permitido. Una iteración de un proyecto de revestimiento puede llevar seis semanas y, dado que algunos proyectos requieren múltiples iteraciones, esto se convierte en un proceso de desarrollo largo. Sin embargo, un escáner 3D preciso ofrece un método alternativo rápido y eficiente para medir el espesor del recubrimiento de la hoja. En lugar de esperar semanas para realizar análisis en un laboratorio, un escáner 3D recopila mediciones rápidamente y un software de metrología 3D avanzado evalúa el espesor del recubrimiento en segundos. El proceso es sencillo:

Digitalizar este proceso ofrece muchas ventajas frente a los métodos de END destructivos y convencionales, además de acelerar el proceso de desarrollo. La automatización de la adquisición e inspección de datos aumenta aún más la velocidad y la eficiencia de este proceso. Un operador puede predefinir una tolerancia de medición del espesor del recubrimiento dentro del software para determinar si una hoja pasa o falla, y el software puede generar automáticamente informes de pasa/falla. Los recubrimientos multicapa también pueden analizarse como espesor general y evaluarse por capas individuales en un informe.

Otra aplicación común del análisis destructivo implica la inspección de estructuras internas dentro de palas de alta temperatura. Las turbinas de gas requieren un núcleo cerámico avanzado y una fundición de cera de superaleación para optimizar la refrigeración, el rendimiento y la durabilidad. Estos núcleos cerámicos de bajo flujo tienen paredes múltiples y otras características de diseño complejas. Inspeccionar de forma rápida y precisa las dimensiones de estas paredes internas sin destruirlas es un desafío.

Sin embargo, la tomografía computarizada (CT) para metrología ofrece un método no destructivo para inspeccionar paredes y estructuras internas. Los escáneres CT utilizan tecnología de rayos X para digitalizar completamente las geometrías internas y externas. Luego, el software de metrología 3D utiliza esos datos para ayudar a identificar el desplazamiento del núcleo u otros defectos resultantes del proceso de fundición y calcular con precisión mediciones críticas, incluidos los espesores de las paredes interiores, las alturas radiales y los diámetros del paso del flujo de enfriamiento.

Estas inspecciones internas ayudan a identificar problemas, validar, investigar discrepancias en los procesos de producción y localizar defectos como grietas y huecos, lo que ayuda a garantizar que los componentes críticos, como las palas, estén estructural y funcionalmente en buen estado. Estos datos procesables ayudan a prevenir fallas y ofrecen información que puede usarse más allá de su propósito original de END.

Los métodos convencionales de END generalmente solo brindan información sobre la pieza o el material que cumple con la intención de la inspección, como el espesor del recubrimiento, el tipo y la ubicación de los defectos presentes. El tiempo y el esfuerzo que lleva realizar algunos de estos métodos es mayor que la información que proporcionan. El escaneo 3D avanzado sin contacto digitaliza un objeto físico para crear un modelo de malla 3D de campo completo que es útil para reemplazar muchos métodos END convencionales y realizar inspecciones avanzadas en software de metrología 3D. Por ejemplo, un escáner 3D preciso puede digitalizar una paleta guía de boquilla. Luego, el software avanzado de metrología 3D utiliza esos datos para analizar efectos locales en la malla que no son visibles en las desviaciones CAD. El software puede clasificar los defectos por características como tamaño, área y profundidad. Este proceso es un reemplazo rápido y confiable de las inspecciones visuales. Luego, el software puede utilizar los mismos datos para realizar otras inspecciones avanzadas, incluido el análisis GD&T, la validación del molde, la inspección del área de la garganta entre piezas y el ensamblaje virtual. Los datos de varias partes se pueden comparar y evaluar para análisis de tendencias y SPC (control estadístico de procesos) para proporcionar conocimientos más profundos sobre los procesos. Los resultados de la inspección y el gemelo digital correspondiente se pueden compartir internamente con otros departamentos o proveedores. Los datos también se pueden archivar para recuperarlos cuando sea necesario.

El escaneo 3D avanzado ofrece digitalización para análisis no destructivos que es rápido y preciso. Evaluar un gemelo digital en lugar de una pieza física puede ahorrar miles de dólares al evitar la destrucción de palas y otras piezas de alto valor. La implementación de la automatización aumenta aún más esta eficiencia, acelerando el desarrollo de procesos. Las capacidades avanzadas del software de metrología 3D ofrecen soluciones confiables y más eficientes a las limitaciones de los métodos no destructivos convencionales. Las tecnologías de metrología 3D sin contacto, como los escáneres 3D y los escáneres CT, eliminan los obstáculos que presentan los diferentes materiales a algunos métodos de END convencionales, brindando a los fabricantes aeroespaciales más oportunidades para ser innovadores.

Emily Starinieri es creador de contenidos en CAPTURE 3D, una empresa de ZEISS. Para obtener más información, llame al (714) 546-7278, envíe un correo electrónico a [email protected] o visite www.capture3d.com.