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

Hamid Ghorbani

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

Aero-engine blades operate in high temperature and pressure environments; and consequently, theyare likely to be damaged and deformed from their design geometric shapes over time. Since bladesare 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 overhaulindustry to extend the service life of blades. Optical 3D scanning systems, due to providing a highdensitypoint cloud of the part to be inspected, are widely used for blade inspection. Given 3Dscanned point cloud of a damaged blade, surface profile and section-specific inspection andconstruction of repair volume in material-missing regions are challenging and are considered activetopics of research. In practice, the existing methods for inspection and repair volume constructionof 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 therepair volume geometry using 3D scanned point cloud data and original CAD model. A fine-tunedscan-to-CAD rigid alignment algorithm is proposed to automatically best-match the data points ofthe undamaged regions of the scanned point cloud with the CAD model. A novel correspondencesearch method is presented for reliability assessment of the corresponding pairs in which thegeometric dissimilarity of each corresponding pair is measured through a group-to-groupevaluation of geometric properties of the local neighborhood of each measured point and its closestpoint on the CAD model. Since blades are inspected in sections, once the measurement coordinatesystem is transformed into the design coordinate system using the rigid registration, a fullyautomatic airfoil profile reconstruction scheme is developed for section-specific geometric errorevaluation of the airfoil profiles in undamaged regions. Due to the fact that the sectional 2D datapoints 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 thescattered sectional data points using a recursive weighted local least squares technique, generate areliable profile polygon from thinned data to order the dataset, and fit a closed nonperiodic B-splinecurve on the ordered data. Finally, a new approach is devised to construct a damage-free digitaltwin of the defective blade to compare with scan data and generate the repair volume geometricrepresentation. The damage-free digital twin is constructed through a CAD-to-scan non-rigidregistration scheme to gradually deform the CAD model towards the undamaged regions of thescan data while preserving the local rigidity of data as much as possible.

Résumé

Les aubes des moteurs aéronautiques fonctionnent dans des environnements à haute températureet à haute pression. Par conséquent, elles sont susceptibles d'être endommagées et déformées parrapport à leurs formes géométriques de conception au fil du temps. Comme les aubes sontfabriquées dans des matériaux coûteux et difficiles à découper qui nécessitent des coûts deproduction élevés, la réparation des aubes endommagées est d'un grand intérêt pour l'industrie dela maintenance, de la réparation et de la révision afin de prolonger la durée de vie des aubes. Lessystèmes de balayage optique 3D, qui fournissent un nuage de points à haute densité de la pièce àinspecter, sont largement utilisés pour l'inspection des aubes. Compte tenu du nuage de pointsnumérisés en 3D d'une aube endommagée, l'inspection du profil de surface et de la sectionspécifique, ainsi que la construction du volume de réparation dans les régions où il manque dumatériau, 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 aubesendommagées 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 lagéométrie du volume de réparation en utilisant des données de nuages de points scannés en 3D etle 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 desrégions non endommagées du nuage de points scanné avec le modèle CAO. Une nouvelle méthodede recherche de correspondance est présentée pour l'évaluation de la fiabilité des pairescorrespondantes dans laquelle la dissimilarité géométrique de chaque paire correspondante estmesurée par une évaluation groupe à groupe des propriétés géométriques du voisinage local dechaque 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 ensystème de coordonnées de conception à l'aide de l'enregistrement rigide, un schéma dereconstruction du profil de l'aile entièrement automatique est développé pour l'évaluation de l'erreurgéométrique spécifique à la section des profils de l'aile dans les régions non endommagées. Étantdonné que les points de données 2D sectionnels projetés à partir de données de nuages de pointsscannés en 3D sur le plan de section ne sont pas organisés et sont dispersés, une approche dereconstruction du profil de l'aile en trois étapes est présentée afin d'éclaircir automatiquement lespoints de données sectionnels dispersés en utilisant une technique récursive de moindres carréslocaux pondérés, de générer un polygone de profil fiable à partir des données éclaircies pourordonner l'ensemble de données, et d'ajuster une courbe B-spline non périodique fermée sur lesdonnées ordonnées. Enfin, une nouvelle approche est conçue pour construire un jumeau numériquesans dommage de la lame défectueuse afin de le comparer aux données de balayage et de générerla représentation géométrique du volume de réparation. Le jumeau numérique sans dommage estconstruit par le biais d'un schéma d'enregistrement non-rigide CAD-to-scan pour déformerprogressivement le modèle CAD vers les régions non endommagées des données de scan tout enpréservant la rigidité locale des données autant que possible.
Department: Department of Mechanical Engineering
Program: PhD.
Academic/Research Directors: Farbod Khameneifar
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10218/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 04 Jul 2022 09:04
Last Modified: 11 Nov 2022 09:18
Cite in APA 7: Ghorbani, H. (2022). 3D Scanning-Based Inspection and Repair Geometry Generation for Remanufacturing of Damaged Aeroengine Blades [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10218/

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