3D Scanning-Based Inspection and Repair Geometry Generation for Remanufacturing of Damaged Aeroengine Blades

Les aubes des moteurs aéronautiques fonctionnent dans des environnements à haute température et à haute pression. Par conséquent, elles sont susceptibles d'être endommagées et déformées par rapport à leurs formes géométriques de conception au fil du temps. Comme les aubes sont fabriquées dans des matériaux coûteux et difficiles à découper qui nécessitent des coûts de production élevés, la réparation des aubes endommagées est d'un grand intérêt pour l'industrie de la maintenance, de la réparation et de la révision afin de prolonger la durée de vie des aubes. Les systèmes de balayage optique 3D, qui fournissent un nuage de points à haute densité de la pièce à inspecter, sont largement utilisés pour l'inspection des aubes. Compte tenu du nuage de points numérisés en 3D d'une aube endommagée, l'inspection du profil de surface et de la section spécifique, ainsi que la construction du volume de réparation dans les régions où il manque du matériau, constituent un défi et sont considérées comme des sujets de recherche actifs. En pratique, les méthodes existantes pour l'inspection et la construction du volume de réparation des aubes endommagées souffrent d'un manque de précision et dépendent des interactions avec l'utilisateur. Cette thèse présente un cadre de calcul pour inspecter les aubes endommagées et construire la géométrie du volume de réparation en utilisant des données de nuages de points scannés en 3D et le modèle CAO original. Un algorithme d'alignement rigide entre le scanner et la CAO (scan-to- CAD registration) est proposé pour faire correspondre automatiquement les points de données des régions non endommagées du nuage de points scanné avec le modèle CAO. Une nouvelle méthode de recherche de correspondance est présentée pour l'évaluation de la fiabilité des paires correspondantes dans laquelle la dissimilarité géométrique de chaque paire correspondante est mesurée par une évaluation groupe à groupe des propriétés géométriques du voisinage local de chaque point mesuré et de son point le plus proche sur le modèle CAO. Comme les aubes sont inspectées par sections, une fois que le système de coordonnées de mesure est transformé en système de coordonnées de conception à l'aide de l'enregistrement rigide, un schéma de reconstruction du profil de l'aile entièrement automatique est développé pour l'évaluation de l'erreur géométrique spécifique à la section des profils de l'aile dans les régions non endommagées. Étant donné que les points de données 2D sectionnels projetés à partir de données de nuages de points scannés en 3D sur le plan de section ne sont pas organisés et sont dispersés, une approche de reconstruction du profil de l'aile en trois étapes est présentée afin d'éclaircir automatiquement les points de données sectionnels dispersés en utilisant une technique récursive de moindres carrés locaux pondérés, de générer un polygone de profil fiable à partir des données éclaircies pour ordonner l'ensemble de données, et d'ajuster une courbe B-spline non périodique fermée sur les données ordonnées. Enfin, une nouvelle approche est conçue pour construire un jumeau numérique sans dommage de la lame défectueuse afin de le comparer aux données de balayage et de générer la représentation géométrique du volume de réparation. Le jumeau numérique sans dommage est construit par le biais d'un schéma d'enregistrement non-rigide CAD-to-scan pour déformer progressivement le modèle CAD vers les régions non endommagées des données de scan tout en préservant la rigidité locale des données autant que possible.

Abstract

Aero-engine blades operate in high temperature and pressure environments; and consequently, they are likely to be damaged and deformed from their design geometric shapes over time. Since blades are made of expensive and difficult-to-cut materials requiring high production costs, remanufacturing of damaged blades is of great interest for the maintenance, repair, and overhaul industry to extend the service life of blades. Optical 3D scanning systems, due to providing a highdensity point cloud of the part to be inspected, are widely used for blade inspection. Given 3D scanned point cloud of a damaged blade, surface profile and section-specific inspection and construction of repair volume in material-missing regions are challenging and are considered active topics of research. In practice, the existing methods for inspection and repair volume construction of damaged blades suffer from the lack of accuracy and rely on user interactions. This thesis presents a computational framework to inspect the damaged blades and construct the repair volume geometry using 3D scanned point cloud data and original CAD model. A fine-tuned scan-to-CAD rigid alignment algorithm is proposed to automatically best-match the data points of the undamaged regions of the scanned point cloud with the CAD model. A novel correspondence search method is presented for reliability assessment of the corresponding pairs in which the geometric dissimilarity of each corresponding pair is measured through a group-to-group evaluation of geometric properties of the local neighborhood of each measured point and its closest point on the CAD model. Since blades are inspected in sections, once the measurement coordinate system is transformed into the design coordinate system using the rigid registration, a fully automatic airfoil profile reconstruction scheme is developed for section-specific geometric error evaluation of the airfoil profiles in undamaged regions. Due to the fact that the sectional 2D data points projected from 3D scanned point cloud data onto the section plane are unorganized and scattered, a three-step airfoil profile reconstruction approach is presented to automatically thin the scattered sectional data points using a recursive weighted local least squares technique, generate a reliable profile polygon from thinned data to order the dataset, and fit a closed nonperiodic B-spline curve on the ordered data. Finally, a new approach is devised to construct a damage-free digital twin of the defective blade to compare with scan data and generate the repair volume geometric representation. The damage-free digital twin is constructed through a CAD-to-scan non-rigid registration scheme to gradually deform the CAD model towards the undamaged regions of the scan data while preserving the local rigidity of data as much as possible.