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.