Inteligencia
digital
en procesos

Monitorización y sensórica

Los procesos de unión tienen una gran presencia en amplios sectores industriales como automoción, aeronáutica, oil & gas, etc, en la fabricación de componentes críticos. Así mismo, los procesos de fabricación aditiva están cobrando gran relevancia en la producción industrial, encontrando nuevas aplicaciones día a día. Sin embargo la estabilidad de los procesos juega un papel crucial, ya que pequeñas desviaciones pueden generar disconformidades o defectos en aplicaciones críticas.

LORTEK hace uso de técnicas de monitorización (“on-line”) que permiten la evaluación y el diagnóstico e incluso la toma de acciones correctivas para evitar la aparición de disconformidades. Todo ello con una única ambición; mejora de la calidad. Se pueden identificar dos ámbitos de aplicación donde la identificación de anomalías es de gran relevancia:

  • Uniones soldadas de componentes de alto valor añadido, donde la inspección posterior es demasiado tardía.
  • Fabricación aditiva de piezas mediante tecnología SLM, LMD o WAAM para el sectores donde se requieren de procedimientos de inspección costosos (Rayos X, por ejemplo).

Figura 1

Para ello, LORTEK hace uso de tecnologías ópticas como medición de emisiones mediante fotodiodos, imagen térmica, sistemas de visión estroboscópicos asistidos por láser, sensores de emisión acústica, trianguladores láser 3D, espectometría o sistemas interferométricos. Todos ellos pudiendo ser integrados en los procesos ofreciendo, de esa forma, una solución robusta para problemas complejos.

Todo ello se potencia soportado por el conocimiento que LORTEK posee en procesos de unión y aditivo junto con la modelización de los mismos.

Esto da como resultado los siguientes beneficios:

  • Incremento de la robustez de los procesos productivos.
  • Control del proceso mediante técnicas de visualización del mismo.
  • Anticipación a posibles disconformidades (detección temprana).
  • Control del proceso basado en monitorización.
  • Control de calidad.
  • Conocimiento sobre el uso del sistema productivo y mejora de su eficiencia.
  • Reducción de necesidad de controles post-proceso y reducción de costes asociados a calidad.

Ejemplo de técnicas

La imagen térmica o termográfica es utilizada para analizar diferentes procesos industriales y en particular, en los procesos de unión y aditivo, ya que excesos en el aporte energético (alta temperatura) pueden estar asociados a inestabilidades del proceso y pueden generar poros. Mientras que la ausencia de aporte energético (baja temperatura), da lugar a faltas de fusión.

Así mismo vapor emitido por el metal fundido durante en el proceso de soldadura es característico de la composición del metal que se funde (ver Figura 3). Por lo que el análisis de este vapor por medio de la monitorización del plasma durante el proceso de soldadura es de ayuda a la hora de identificar anomalías del proceso, por ejemplo, la ausencia de una componente en el espectro del metal fundido puede estar asociado a faltas de fusión.

Finalmente LORTEK implementa técnicas de visualización del proceso de fusión que consisten en la introducción de conceptos de estroboscopia mediante láseres pulsados los cuales permiten visualizar el proceso de fusión del metal –que representan el origen de muchos defectos-. Mediante estas técnicas se mide la geometría del baño fundido y se detectan eventos potenciales a generar defectos.

Figura 2. Visualización del baño fundido para diagnosis del proceso de fusión.
Figura 3. Diferentes técnicas de monitorización de procesos láser: a) imagen térmica, b) espectro del plasma y c) diseño y configuración de un sistema para monitorización.

En qué estamos trabajando actualmente

WELD-PHONE CAMERA: Desarrollo que agrupa los sensores que mayor información permiten extraer de un proceso de fusión:

  1. térmico
    • por imagen termográfica
  2. visual
    • por introducción de luz laser estroboscópica
  3. geométrica
    • por incorporación de luz estructurada
  4. acústica
    • por introducción de micrófonos

Es por tanto un sistema que permite ver (imagen visual), sentir (térmica) y escuchar (acústico) y está destinado a enfrentarse al reto de la detección de defectos on-line.

Figura 4. WELD-PHONE CAMERA: Fusión de sensores para extraer información de diferentes fuentes.
MEDICIÓN DE ALTURA ON-LINE EN PROCESO LASER METAL DEPOSITION (LMD):

Desarrollo que permite extraer información de la altura del cordón depositado y corregirlo si hiciera falta a la vez que se puede estudiar la dinámica del baño fundido, especialmente estimaciones de ángulo de mojado. Esto permite un diagnóstico de la estabilidad del proceso.

Figura 5. Medición de altura y dinámica de melt-pool; dos instantes diferentes de aporte de material con diferentes parámetros en LMD que dan lugar a diferentes ángulos de mojado (imagen de arriba) y medición de altura de cordón (imagen inferior).

GENERACIÓN DE MAPAS 3D EN PROCESO DE LMD:

Sincronización entre la monitorización y captura de datos de máquina para representación y análisis tridimensional. Visualización intuitiva de la influencia de los diferentes parámetros en la calidad.

Figura 6. LMD digitalizado; mapas 3D de la velocidad, tamaño del melt-pool/temperatura e incluso de la geometría

MONITORIZACIÓN DE SLM:

Monitorización del proceso SLM mediante conjunto de fotodiodos operando a 10.000 Hz, con lo que se generan volúmenes con todos los datos capturados para su posterior análisis. Estos análisis permiten identificar la ocurrencia de anomalías.

MONITORIZACIÓN DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA AL ARCO.

La monitorización permite optimizar el proceso de unión soldada, marcando los límites de proceso, entendiendo cómo tiene lugar la generación de defectivos e incrementando la calidad de los productos soldados. En este sentido, LORTEK ha diseñado y desarrollado una célula de soldadura robotizada inteligente, mediante la integración de un conjunto de sensores y captura en tiempo real de parámetros críticos de procesos (voltaje, intensidad, velocidad de hilo, velocidad de avance de soldadura, caudal de gas, posición de la antorcha, etc.). El análisis posterior de estos datos, permite avanzar hacia una producción de cero defectos.

En la actualidad, LORTEK trabaja en la monitorización y control de la topografía del cordón de soldadura (detección de la junta, seguimiento de junta, control sobre la penetración de soldadura, medición de geometría del cordón), de la temperatura y comportamiento del baño de fundido.

Figura 7. Monitorización de los procesos de soldadura al arco.

Equipamiento específico

CÁMARAS DIGITALES

  • Cámaras digitales de diferentes velocidades.

FOTODIODOS Y PIRÓMETROS

  • Fotodiodos y pirómetros con capacidad de adquisición de hasta 10.000 Hz.

TRIANGULACIÓN LASER 3D y PERFILOMETROS 2D

HERRAMIENTA PARA CARACTERIZACIÓN DE FLUJO de POLVO EN FABRICACIÓN ADITIVA

VIBROMETRO LÁSER INTERFEROMÉTRICO

ESPECTÓMETRO

  • Espectómetro para medición de la emisión espectral de procesos de soldadura y aditivo, lo que permite no solamente el análisis de la radiación emitida de un proceso sino que también de sus componentes. Abarca un rango amplio del espectro desde los 200 nm hasta los 1100 nm.

CÁMARA TERMOGRÁFICA INDUSTRIAL

  • Cámara termográfica de MWIR (Mid Wave InfraRed; 1-5 µm) de 32 pixels x 32 pixels de resolución y alta frecuencia de adquisición: 1000 Hz.

WELDING CAMERA con LUZ ESTRUCTURADA

  • Welding camera que consiste en cámara CMOS con una frecuencia de adquisición de 300 fps, sincronizado con un láser pulsado permite una visión del proceso de fusión tanto en soldadura como en aditivo.

MELT-POOL MONITORING en SLM

  • Sistema de monitorización del proceso de SLM para obtención de volúmenes 3D que contiene la información de las emisiones durante el proceso.

Publicaciones
y descargas

Publicaciones
2019
Ander Muniategui; Aitor García de la Yedra; Jon Ander del Barrio; Manuel Masenlle; Xabier Angulo; Ramón Moreno
Mass production quality control of welds based on image processing and deep learning in safety components industry.
Proc. SPIE 11172, Fourteenth International Conference on Quality Control by Artificial Vision, 111720L
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2018
García de la Yedra, A, Pfleger, M, Aramendi, B, et al
Online cracking detection by means of optical techniques in laser‐cladding process
Struct Control Health Monit. 2019; 26:e2291. ISSN:1545-2263
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Casos de éxito

Detección de agrietamiento on-line durante el proceso de Laser Metal Deposition

Desafío

Detección de agrietamiento “on-line” durante el proceso de Laser Metal Deposition.

Solución

Sistema de emisión acústica basado en un micrófono óptico que detecta agrietamientos de la pieza gracias a la liberación de energía que se produce en el proceso de fractura. Esto permite conocer si la pieza ha sido fabricada en ausencia de defectos o no.

Partners o alianzas estratégicas

RECENDT (COMBILASER H2020).

Retos

Desafíos que hay que afrontar en los próximos años:

Monitorización en proceso SLM: Control de calidad

Desarrollo de una herramienta de control de calidad mediante el análisis de las señales monitorizadas que permiten la detección temprana de desviaciones durante el proceso.

Desarrollo de WELD-PHONE camera

Desarrollo de un sistema de fusión de sensores para su aplicación en procesos de soldadura arco y transversal a otros procesos de fusión de metales. Es una herramienta con tres percepciones; tiene visión, siente y escucha. Este sistema incluye:

  • Sistemas de visión (Visual)
  • Imagen Térmica (Siente)
  • Señales acústicas (Escucha)

Control de la altura de cordón “on-line”

Desarrollo de un sistema de medición del cordón de altura on-line, para poder tomar acciones correctivas si el cordón no cumple con los requisitos mínimos. Aplicable a procesos de soldadura y aditivo.

Francisco Javier Huertos

Investigador Referente en Control, Robotización y Sensórica.

Ingeniero en Automatización y Electrónica Industrial por Mondragon Unibertsitatea y Master en Ingeniería de Sistemas y Control por la Universidad Complutense de Madrid / UNED.

En la actualidad, es investigador senior en el grupo de Fabricación inteligente de LORTEK, liderando actividades en control, robótica y automación de procesos industriales.

Entre otros proyectos, es el coordinador del proyecto europeo HyperCOG. A su vez, cuenta con más de 10 años de experiencia como investigador en diferentes centros de I + D del grupo ArcelorMittal (Bélgica y España), liderando y participando en varios proyectos de investigación y desarrollo internacionales y nacionales.