Projekt MONACO som står för MONitoring And COntrol for advanced laser processing är utvecklingen och valideringen av ett kombinerat övervaknings- och styrsystem för laserpåsvetsning. Projektet, finansierat av VINNOVA och ZIM, involverade ett bilateralt svensk-tyskt partnerskap och koordinerades av Duroc Laser Coating AB. Resultatet presenterades i en doktorsavhandling vid LTU – Luleå tekniska universitet.

Huvudfokus för projektet var att anpassa en IR-kamera och en sensor för ytprofilmätning till integration i ett industriellt robotstyrt laserpåsvetsningssystem. Dessa sensorer tillhandahöll in situ-data om temperatur och geometri, avgörande för avancerad sluten krets-processkontroll. Sensorn för ytprofilmätning, utvecklad av Falldorf Sensor GmbH, integrerades paraxiellt med laserns optiska system, vilket möjliggjorde närhet till bearbetningsplatsen samtidigt som den behöll en smal profil för att minimera hinder. Dess egenskaper inkluderade ett 20 mm sidofält för visning, ett 15 mm vertikalt intervall för höjdmätning och en upplösning på 20 µm. Sensorn visade framgångsrikt sin förmåga att fånga detaljerade höjdprofiler och variationer i laserpåsvetsningsprocessen.

Projektet innefattade även termisk övervakning, där olika IR-kameror jämfördes för optimal prestanda i laserpåvetsning. En VIS-NIR-kamera som integrerades coaxiellt, med laserns optiska system identifierades som den mest lovande för att bestämma smältans storlek, och erbjöd en hög rumslig upplösning och lämplighet för snabba fenomen som pulversprut. Det termiska övervakningssystemet validerades i systematiska testkörningar och visade sin effektivitet i att fånga temperaturfördelningen och värmesamlingen i laserpåsvetsningsprocessen.

Termisks bidrag i projektet handlade till stor del om att hitta en lämplig sensor, mätparametrar och utveckla mjukvaran. Termisks långa erfarenhet av värmekameror, kunskap kring bildbehandling och mjukvaruutveckling var en tillgång för projektet som till slut valde en visuell sensor från Basler.

– Efter test med många sensorer föll valet på en CMOS sensor med NIR-bandpassfilter då det ger bra upplösning, bildtakt och kompatibilitet med laserns existerande optik, säger Jonas Hellsten, utvecklare på Termisk. Vi hade god nytta av våra existerande algoritmer och utvecklade en skräddarsydd mjukvara för att ta fram en analysmetod som integrerades i mjukvaran.

Problemlösningen i den här typen av fall handlar ofta om att hantera datainsamling, analys av data och metodutveckling på ett sätt där man får möjlighet att svara på de frågeställningar man har i produktionen, i detta fall laserpåsvetsning.

– Vi hade god hjälp av våra tidigare projekt inom processövervakning av presshärdning och övervakning av pappersmassaproduktion, något som gett oss värdefull kunskap kring de utmaningar som finns när man vill använda IR teknik för att lösa problem inom industrin, avslutar Jonas.

Både ytprofilsensorn och den termiska sensorn integrerades i ett produktionssystem hos Duroc Laser Coating AB. Denna integration möjliggjorde in situ-övervakning och validering av sensorerna under flerspårig laserpåsvetsning av en industriell del. Projektet skisserade även en strategi för att nå marknaden, där man betonade potentialen för utökade affärsapplikationer och förbättrade kapaciteter för kvalitetssäkring i produktionen.

Sammanfattningsvis lyckades Projekt Monaco utveckla och validera ett integrerat system som kombinerar geometrisk och termisk övervakning för laserpåsvetsning, och visade betydande potential för processoptimering och kvalitetskontroll i industriella tillämpningar.

Att medverka i projekt som ligger på gränsen för vad man kan åstadkomma med IR-teknik är något Termisk gärna gör. Historiskt har det lett till både ökad kunskap på företaget samtidigt som man fått möjlighet att utveckla och kommersialisera nya produkter.

– Den här typen av projekt har ofta en kombination av forskning och närhet till problemägaren som kan vara industri eller annan typ av bolag, säger Claes Nelsson, vd på Termisk. Det är en kombination där vi som experter på IR-teknik kan tillföra det vi vet och kan om tekniken för att lösa komplexa problem.

Termisk har, till skillnad från många andra kameraåterförsäljare, en tung bakgrund inom forskning vilket gör bolaget till unikt i norra Europa.

– Vår mix av praktisk erfarenhet och koppling till forskningsprojekt gör att vi har en god förståelse kring teknikens möjligheter och även vilka begränsningar som finns. Då vi ibland befinner oss i gränslandet för vad som är möjligt hjälper det ofta att ta en vetenskaplig ansats och genomföra en förstudie i jakten på goda lösningar, avslutar Claes.

Resultatet av projektet presenterades i Adrien da Silvas doktorsavhandling vid institutionen för teknikvetenskap och matematik vid Luleå tekniska universitet, som konstaterade att ett återkopplat reglersystem baserat på termisk övervakning kan justera laserstyrkan in situ för att optimera smältans storlek vilket balanserar porositet och uppblandning.

Varför är detta viktigt?
Tack vare feedbackloopen i det återkopplade reglersystemet kunde man automatisera och optimera processen genom att justera processvariabler som laserintensitet och matningshastighet. Smältans storlek är kritisk eftersom det påverkar egenskaper som penetration i substratet, uppblandning av det deponerade materialet och porositet.

En optimal storlek på smältan är avgörande för att uppnå önskad kvalitet och materialtillstånd. Balansen mellan porositet och uppblandning är en avvägning mellan å ena sidan mekaniska egenskaper och å andra sidan en förändring i materialets sammansättning och egenskaper. En optimal materialkvalitet uppnås i balanseringen av dessa faktorer.

Varberg Energi kombinerar idag flygtermografering med övervakning av inbyggda fuktlarm i fjärrvärmekulverten. Michael Slättberg, utvecklingschef på Varberg Energi, valde diagnostisering av fjärrvärmenätet från Termisk som ett led i hanteringen av läckor i nätet.

– När jag sökte efter leverantörer var ett viktigt urvalskriterium användningen av ett tvåmotorigt flygplan med två piloter ombord. Då flygningen utförs på låg höjd över tättbebyggt område nattetid upplevde jag riskminimering som en viktig faktor som ansvarig beställare av uppdraget, säger Michael.

Valet föll på Termisk, som uteslutande använder sig av ett tvåmotorigt specialbyggt plan för ändamålet. Förutom säkerheten fanns det andra saker som uppskattades i leveransen.

Slutprodukten levererades på ett USB-minne, komplett med kartor, bilder och en lättanvänd mjukvara för att navigera och sortera bland misstänkta värmesignaturer, säger Michael.

Förutom att mjukvaran automatiskt gjort en del av sorteringsarbetet redan vid leverans upplevde Michael även att det var enkelt att sortera och välja värmesignaturer i egen rangordning, exempelvis från största till minsta utstrålad effekt eller signatur. Saker som inte var relevant, som ventilationshuvar och varma bilar var redan automatiskt bortsorterade till stor del.

Själva flygningen skedde nattetid och det förekom en del diskussioner på Facebook och i lokaltidningen om buller under kvällen, trots att piloten arbetade aktivt för att hålla nere ljudnivån.

– Vi hade informerat allmänheten i förväg via vår hemsida och jag förstår att det kan vara ett tillfälligt störmoment, vinsten är dock svår att mäta i pengar, säger Michael. Ett större akut avbrott i fjärrvärmeförsörjningen genererar mycket badwill, samtidigt som att schakta fram en ledning på fel ställe kostar i storleksordningen samma pengar som flygtermograferingen.

Varberg Energis strategi för diagnosticering är en kombination av flygtermografering och resistansmätning, två metoder som kompletterar varandra väldigt bra, berättar Michael. Misstänkta läckor kontrollmäts och verifieras via resistansmätning innan de schaktas fram.

– Även det omvända förhållandet är mycket användbart. Ett fuktfel kan bekräftas eller motbevisas av bilderna från flygtermograferingen. Vi har 100% träffsäkerhet än så länge. Flygtermograferingen har även fördelen att dåligt isolerade sträckor framträder tydligt, det hjälper oss att prioritera, avslutar Michael.

FLIR Si124 Industrial Acoustic Imaging Camera intervjuade Soichi Yagyu, verkställande direktör för Minalco Co., Ltd., Herr Yamaguchi, huvudansvarig för produktion, och Herr Iwade, verksamhetschefen.

FLIR: Varför var ni bekymrade över luftläckage?

Herr Yagyu: När jag gjorde regelbundna fabriksbesök oroade jag mig för de väsande ljuden i produktionsanläggningarna. Vi kunde inte identifiera var luftläckorna uppstod, men vi kunde höra att det väste. Vår Mie-fabrik (Iga City, Mie Prefecture, Japan) använder många luftkompressorer för att tillverka aluminiumpulver. Vanligtvis är omkring 20–30 procent av elkostnaderna luftrelaterade vid produktionsanläggningar. Men i vårt fall är de ungefär 50 procent. Luftläckor leder direkt till extra kostnader, så vi övervägde motåtgärder; men det är svårt att lokalisera läckor eftersom de inte är synliga. Om luftläckor uppstår i en tyst miljö kan man identifiera var de finns genom att höra dem; men på fabriken störde de olika ljudnivåerna detta. Vi hörde att FLIR Si124 kunde hjälpa oss att identifiera läckagepunkter även i bullriga miljöer. Eftersom nätverken av luftrörsledningar vid Mie-fabriken löper fritt, visste vi att det inte var någon lätt uppgift att helt eliminera läckor, men vi ville ta itu med problemet.

FLIR: Vad var ditt intryck efter att ha använt FLIR Si124?

Herr Yagyu: Det första jag kände var att användningen och handhavandet är mycket enkelt. Man kan helt enkelt bara titta med kameran på de punkter där man misstänker luftläckage, utan att man behöver någon särskild utbildning eller kunskap.       

Vid den här inspektionen hittade vi luftläckor på en punkt där vi inte hade förväntat oss det, vilket ledde till att vi visualiserade en förlust vad gäller elkostnader. Det som är bra med FLIR Si124 är att den visar antalet luftläckor och de årliga kostnaderna för förlusten i realtid, vilket ökar vår medvetenhet om kostnaderna på våra produktionsanläggningar. Dessutom visade det sig att punkterna med luftläckor som vi tidigare inte kunde identifiera faktiskt var svåra att upptäcka enbart med hjälp av ljud, vilket ledde till många nya insikter.

 

Herr Yamaguchi, verkställande direktör (produktionschef): På våra produktionsanläggningar finns det platser med höga omgivningsljud, t.ex. brännare. Jag var lite tveksam till att faktiskt kunna hitta läckor med en kamera som kan hanteras med en hand. Men när jag gjorde en rundtur i fabriken med FLIR Si124 blev jag förvånad över att vi kunde upptäcka läckor mer exakt och enklare än vad vi hade förväntat oss. Den var även tillräckligt bra på att hitta luft som läckte från avlägsna rör i taken.

 

Herr Iwade, verksamhetschef: När man spårar rör med kameran finns det trånga utrymmen på grund av omgivande utrustning. Med FLIR Si124-kameran kommer man lätt åt dessa utrymmen. När jag hörde att Si124 var mindre än hälften så stor som vanliga akustiska kameror kände jag genast den kompakta storleken var en fördel.

 

FLIR: Vad skulle du säga till någon som funderar på att använda FLIR Si124?
Herr Yagyu: Eftersom koldioxidneutralitet har blivit mycket viktig under de senaste åren kan FLIR Si124 hitta läckor med minimal belastning på produktionsanläggningen, vilket minskar elkostnaderna och bidrar till att minska koldioxidutsläppen. Man tror det när man ser det! Varför inte prova att kontrollera luftläckage i dina fabriker?

FLIR: Varje gång vi följer med en kund på en inspektion hittar vi något nytt…
Herr Yagyu: Det som var mest imponerande den här gången var att vi med hjälp av Si124 kunde lokalisera läckagepunkter på rören som vi inte kunde lokalisera enbart med hjälp av ljud. Normalt sett hanterar vi reflekterade ultraljudsvågor som saker som ska uteslutas, men den här gången hade vi en unik erfarenhet av att hitta läckagepunkter genom att spåra återspeglingar. Tack så mycket.

Minalco Co., Ltd.
Minalco Co., Ltd. är den enda tillverkaren i Japan som specialiserat sig på atomiserat aluminiumpulver och grundades för mer än 104 år sedan. Genom att förbättra det egna interna produktionssystemet för den japanska marknaden har Minalco upplevt en ökad efterfrågan tack vare en större uppskattning av produkternas funktionalitet och flexibla leveranser.

Frågor och svar:

F: Hur lång är den genomsnittliga träningsperioden?

S: För drift och hantering tar det ungefär fem minuter. För att använda kameran effektivt för träning på plats tar det cirka 15–30 minuter (för tre läckagepunkter).

F: Vilka ämnen ställer man diagnos på?

S: Det är rörledningar för luft, ånga, kväve osv. Lufttyperna spelar ingen roll. Trycket måste dock vara över en viss nivå (minst 0,3 Mpa eller mer).

F: Hur har kostnaderna minskats?

S: Enligt en preliminär beräkning där läckagepunktens storlek är 1,5 mm och vid ett tryck på 0,7 Mpa, cirka 100 000 yen per år (72 000 yen@0.55 Mpa). Om läckagepunkten är 12 mm blir effekten 600 000 yen@0.7 Mpa.

I de flesta fallen, kan man vid ett 30-minutersbesök på en produktionsanläggning identifiera fem eller fler läckagepunkter.