Der Hölle ziemlich nah – Materialprüfungen unter extremen Bedingungen

Mit vier von der IABG entwickelten MTC-Prüfständen betreibt das DLR in Augsburg wichtige Grundlagenforschung für kommende Triebwerksgenerationen. Mit exakt reproduzierbaren mechanischen, thermischen und chemischen Bedingungen werden unterschiedlichste Materialien getestet – bei bis zu 1.400 °C, 20 bar und synthetisch gemischten Abgasen. Für die Erzeugung dieser extremen Prüfbedingungen, die Überwachung der Prüfabläufe und Aufzeichnung aller Messergebnisse zeichnen PC-based Control, EtherCAT und Präzisionsmesstechnik von Beckhoff verantwortlich.

In der seit 2020 bestehenden Innovationspartnerschaft mit der IABG in Ottobrunn wurden zusammen mit dem DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, vier unterschiedliche MTC-Prüfstände (planar biaxialer hydraulischer Prüfstand, uniaxialer hydraulischer Prüfstand, Kriechprüfstand und ein 1.000 Hz Very-High-Cycle Fatigue Prüfstand) zur Prüfung von Werkstoffen unter simultan wirkenden mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen (MTC) entwickelt. „Mithilfe dieser Prüfstände ist es möglich, Materialproben unter triebwerksähnlichen Bedingungen im Hinblick auf ihr Lebensdauerverhalten zu testen“, stellt Dr. Matthias Wimmer, Projektleiter bei der IABG heraus. Damit tragen die Prüfstände zu verlässlicheren und präziseren Lebensdauer-Vorhersagen von multiphysikalisch belasteten Triebwerksbauteilen bei.

Bedingungen wie im Triebwerk

In allen vier Prüfständen können die Materialproben innerhalb einer Druckkammer während der Prüfungen mit einer Mischung aus verschiedenen Reingasen (N₂, O₂, CO₂, NO, CO, SO₂) und Wasserdampf beaufschlagt werden. „Damit können die Forscher des DLR die Abgase eines Triebwerks und die einströmende Luft realistisch nachbilden und die Wirkung auf das Material beobachten“, so Andreas Keil, Projekt- und Produktmanager bei der IABG. Zudem verfügt jeder Prüfstand über ein Heizsystem auf Basis von Lasern, mit dem die Proben präzise auf bis zu 1.400 °C erhitzt werden können. „Diese Kombination aus mechanischer, thermischer und chemischer Beaufschlagung mit Abgasen sowie feuchter Luft gibt es bislang noch nicht“, so Dr. Laura Cordes, Abteilungsleiterin des DLR-Instituts für Test und Simulation für Gasturbinen (SG). Unter diesen definierten Umgebungsbedingungen erfolgen die jeweiligen Materialprüfungen – meist zyklische sinusförmige Belastungen und Prüfsequenzen, klassische Wöhlerversuche oder Rissfortschrittsuntersuchungen. „Die Ergebnisse fließen in die Entwicklung der nächsten Generationen von Gasturbinen und Triebwerken ein“, betont Dr. Wolfgang Müller, Leiter Arbeitsgruppe für Mechanisch-Thermisch-Chemische Prüfungen. Darüber hinaus tragen die Messungen dazu bei, bestehende numerische Simulationsmodelle für Materialien und Legierungen zu validieren, die im Rahmen des virtuellen Triebwerks am DLR-Institut entwickelt werden.

Messtechnik, Safety und Automation in einem System

Für die Automatisierung, Überwachung der Prüfräume und Messtechnik setzt die IABG auf das Beckhoff Portfolio und EtherCAT. „PC-based Control ist für uns die ideale Plattform, um solche komplexen Anlagen zu realisieren,“ so Andreas Keil, „und dabei performant offen und flexibel zu bleiben.“ Thomas Gabler, zuständig für Automation, Regler- und Softwareentwicklung bei IABG, ergänzt: „Gerade der einfache Austausch von sicheren und nicht-sicheren Daten erleichterte uns die Umsetzung enorm – umso mehr mit der Messtechnik als integralem Bestandteil.“

Offenheit ist für Andreas Keil bei solch heterogenen Prüfstanden mit vielen unterschiedlichen Gerätelieferanten essenziell. „Bei PC-based Control wissen wir aus der Erfahrung von vielen Projekten, dass die Einbindung unterschiedlichster Protokolle und Schnittstellen funktioniert, beispielsweise die Integration von Komponenten über PROFINET RT und TCP-Protokolle.“ Die Kommunikation mit der Lasersteuerung erfolgt über EtherCAT, wohingegen die Safety-Komponenten klassisch verdrahtet sind. Die Position der Laserköpfe wird mittels Sicherheitsschalter überwacht. Die Temperatur der Laserfallen lässt sich über Thermoelemente, TwinSAFE SC und EtherCAT-Klemmen EL3314-0090 erfassen.

Raphik Shahmirian, Vertrieb Beckhoff München: „Die positiven Erfahrungen mit PC-based Control gaben dem Laser-Lieferanten den Impuls, künftig generell Ultra-Kompakt-Industrie-PCs C60xx und TwinCAT als Steuerungsplattform für seine Geräte zu nutzen.“ Die Türzuhaltungen der einzelnen Prüfräume sind wiederum über EtherCAT P und FSoE eingebunden. „Diese Option hat uns viel Verdrahtungsaufwand erspart und die Einbindung in die Sicherheitskreise erleichtert“, betont Stefan Glauer, Technischer Manager für Prüfstandsautomatisierung bei IABG.

Da Prüfstände immer wieder erweitert werden, um mit zusätzlichen Geräten neue Anforderungen zu erfüllen, ist ein Kommunikationssystem wie EtherCAT, das sich hinsichtlich Performance und Topologie flexibel den Anforderungen anpassen lässt geradezu ideal. Neben mehreren EtherCAT-Strängen und EtherCAT P setzt die IABG EtherCAT-Koppler für andere Feldbusse ein. „Der große Baukasten an EtherCAT-Klemmen und anderen Komponenten ist eine Stärke von Beckhoff und für uns sehr wertvoll“, betont Andreas Keil.

Standard-Sensorik für Safety genutzt

Ein Beispiel für die Vielfalt sind EtherCAT-Klemmen mit TwinSAFE SC (Single Channel), mit denen die sicherheitskritischen Temperaturen der Laserfallen und Laserschutzrohre erfasst werden. Diese werden über Standard-Thermoelemente und PT100-Widerstände gemessen und über entsprechende EtherCAT-Klemmen (EL3314-0090 und EL3214-0090) digitalisiert. „Mit TwinSAFE SC konnten wir den Performance Level sicherstellen, den die Risikobeurteilung ergeben hat“, so Andreas Keil. Der Grund: Die Versuche laufen teilweise über mehrere Wochen und müssen auch ohne Aufsicht zuverlässig laufen. Raphik Shahmirian ergänzt: „TwinSAFE SC ist eine sehr elegante Lösung, die Temperatureingänge sicher auszuwerten.“

Bei der Analogmesstechnik spielt EtherCAT als schneller und zeitsynchroner Messtechnikbus eine seiner weiteren Stärken aus: Die Signale der Thermoelemente und aller anderen Sensoren werden nah an der Prüfkammer mit hoher Präzision digitalisiert und zur Steuerung übertragen. „Dieser dezentrale I/O-Ansatz ermöglicht eine kurze, kosteneffiziente Sensorverkabelung bei gleichzeitig extrem genauer zeitlicher Synchronität im Sub-µs-Bereich im gesamten System,“ ergänzt Christian Lindemann, Produktmanagement I/O bei Beckhoff. Die Multifunktionsklemme ELM3704 wird an den Prüfständen als universelles Messgerät in den dezentralen Schaltschränken eingesetzt.

Bei den MTC-Prüfständen werden Kräfte, Wege und teilweise auch Drehmomente aus den Steuerungen der Lastrahmen über deren Analogausgänge eingelesen. „Notgedrungen, weil es keine zeitsynchrone digitale Kopplungsmöglichkeit zwischen Steuerung des Lastrahmens und der Steuerung von Beckhoff gibt, die den Anforderungen des DLR genügt hätte“, begründet Christian Lindemann diese Lösung. Daher werden die normierten Signale (±10 V) der Lastrahmen hochpräzise mit 10 kSps Samplerate über 4-kanalige Spannungsmessklemmen ELM3004 erfasst. „Bei einem SPS-Zyklus von 1 ms ist das zehnfache Oversampling vollkommen ausreichend“, präzisiert Stefan Glauer. Oversampling mit EtherCAT ermöglicht eine hochdynamische Datenerfassung bei moderaten Zykluszeiten und reduziert damit die Leistungsanforderungen an den IPC.

Gesteuert, überwacht und konfiguriert werden die Prüfstände von einer zentralen Leitwarte mit LabVIEW^TM-Benutzerschnittstelle, mit der sich über TwinCAT ADS (Automation Device Specification) und CoE (CAN over Ethernet) auch die EtherCAT-Klemmen konfigurieren lassen. Dazu wurde das Interface for LabVIEW^TM (TF3710) entsprechend den Anforderungen weiterentwickelt, um die EtherCAT-Klemmen flexibel aus der Leitwarte heraus konfigurieren und die Messungen koordinieren zu können.

Als Steuerungen für die Prüfstände kommen Embedded-PCs CX2043 und CX5140 zum Einsatz, die über eine EtherCAT-Bridge EL6692 gekoppelt sind und sämtliche Prozesswerte, wie Temperaturen und Druckwerte, die Gaszusammensetzung, Lastzustände oder Statusinformationen der Geräte, synchron mit allen Messkanälen erfassen. „Trotz unterschiedlicher Sampleraten führt TwinCAT alle Messwerte anhand der präzisen Zeitstempel der EtherCAT-Telegramme zusammen“, so Christian Lindemann. Das gesamte Prozessabbild steht dann für die Auswertung der Versuchsreihen zur Verfügung. „Wir favorisieren bei den Prüfständen eine klassische Architektur und trennen zwischen Anlagensteuerung und der Messtechnik“, ergänzt Andreas Keil. Perspektivisch sollen auf dem Messtechnik-IPC auch MATLAB^®/Simulink^®-Modelle der DLR-Wissenschaftler parallel ausgeführt werden. Durch die klare Trennung bleiben Modifikationen an der Messtechnik dann auf jeden Fall rückwirkungsfrei.

In die Zukunft geblickt haben das DLR und die IABG noch viele Ideen: Es gibt Überlegungen über OPC UA nicht nur Informationen von den Prüfständen zum DLR zu übertragen, sondern über diese Schnittstelle auch steuernd einzugreifen. „Grundsätzlich wäre es möglich, die Lastzyklen im Betrieb anzupassen und beispielsweise die Bedingungen in einer Turbine während eines Flugs live auf dem Prüfstand nachzufahren“, so Dr. Wolfgang Müller. Ebenso könnten die Forscher ein Simulationsmodell gegen den Prüfstand laufen lassen und anhand der Daten mit der realen Physik abgleichen. Mit dem offenen Ansatz und der Flexibilität von PC-based Control können die Entwickler und Forscher auch diese nächsten Ausbaustufen realisieren.