Femtotechnologie: een verlichtende evolutie in overdrukbeveiliging

Femtotechnologie: een verlichtende evolutie in overdrukbeveiliging.

Fike Europe – specialist in vuurdetectie- en controle, explosiebeveiliging en overdrukbeveiliging – bereikt een nieuwe mijlpaal in de productie van breekplaten. Een breekplaat of burst disc is een eenmalig te gebruiken overdrukbeveiliging voor de bescherming van een systeem tegen schadelijke overdruk en/of vacuüm. De breekplaat opent bij een vooraf gespecifieerde druk. De klassieke mechanische productiemethode van breekplaten maakt plaats voor een innoverende lasertechnologie. Siebe Van Thienen heeft tijdens zijn master thesis in de richting Industriële Ingenieurswetenschappen Elektromechanica intensief onderzocht hoe breekplaten zich gedragen wanneer gebruik gemaakt wordt van lasertechnologie. Met behulp van data mining, werd in kaart gebracht welke invloed wijzigingen van de productieparameters teweegbrengen en bij welke overdruk de breekplaat in werking zal treden. De resultaten tonen aan dat de vernieuwde technologie resulteert in hoogwaardige breekplaten met een betrouwbare kwaliteit en dat de invloed van de operator geminimaliseerd wordt.

Inleiding

Fike Europe – gevestigd in het Kempense Herentals – is gespecialiseerd in de productie van overdrukbeveiliging. Omwille van de weinige kennis over de lasertechnologie, deed Fike Europe beroep op de expertise van de kersverse generatie ingenieursstudenten. Door middel van een master thesis willen ze de mogelijkheid onderzoeken om de klassieke productiemethode van breekplaten in te ruilen voor een hoogstaande lasertechnologie. Een breekplaat of burst disc is een éénmalige drukontlasting voor een vloeistof of een gas. Indien een proces een druk bereikt die gelegen is boven het voorgeschreven veiligheidsniveau, opent de breekplaat en zal de druk van het proces afgebouwd worden. De huidige productiemethode is nauwelijks verbeterd sinds de productie van de eerste breekplaat midden vorige eeuw. Door recente ontwikkelingen in lasertechnologie kunnen tal van tekortkomingen in het bestaand ontwerp verminderd worden zoals de variabiliteit van breekdruk binnen eenzelfde batch. In dit onderzoek werd specifiek gebruik gemaakt van roestvast staal, Inconel 625. Dit maakt deze overdrukbeveiliging – die vaak ingezet wordt voor het zuiveren van zoutwater tot drinkwater – uiterst geschikt voor zoutwatertoepassingen.

Het onderzoek

Het doel van dit onderzoek is het verbeteren en vernieuwen van het productieproces van overdrukbeveiligingen – kortweg breekplaten – voor zoutwatertoepassingen. Het huidige productieproces bestaat uit het mechanisch aanbrengen van verzwakkingen op de breekplaat met kerfgereedschap. De gecontroleerde verzwakking zal bij het overschrijden van de voorgeschreven veiligheidsdruk de breekplaat doen scheuren om de overdruk in een systeem te elimineren.

In een eerste fase van het onderzoek toonden verschillende analyses aan dat het bestaande mechanisch proces heel moeilijk stabiel en robuust te krijgen is, resulterend in een te laag productierendement. De stabiliteit van de conventionele productiemethode is beperkt en de breekdruk fluctueert. Daardoor is de uitval hoog en moet er regelmatig manueel bijgestuurd worden.

Femtotechnologie – een veelbelovende state-of-the-art lasertechnologie – laat toe een gloednieuwe productiemethode voor breekplaten te ontwikkelen. Femtotechnologie steunt op het principe van ultrakorte pulsen die materiaal wegdampen zonder thermische schade te veroorzaken. Dit reduceert de spanningen in het materiaal tot een minimum.

Deze nieuwe productiemethode stond aan het begin van het onderzoek nog in zijn kinderschoenen.  Er was bijzonder weinig informatie beschikbaar over de karakteristieken van de Femtolaser. Doorheen het onderzoek is gezocht naar belangrijke en kritische parameters die een significante invloed hebben op dit productieproces. Analytisch onderzoek werd uitgevoerd om een stabiele en optimale geometrie van de groef in het metaal te bepalen. Vervolgens werd de relatie gelegd met de productkwaliteit, meer specifiek de beheersing van de breekdruk. Dit resulteert in de mogelijkheid om de productie op te drijven waarbij de breekplaten aan een minimum tolerantieklasse van 95% voldoen, terwijl dit op heden slechts 40% bedraagt.

Aan de hand van Data Science – het onderzoeksdomein waarbij data statistisch geanalyseerd wordt - werd een model opgesteld dat voorspelt hoe de Femtolaser ingesteld moet worden om bepaalde productspecificaties van de breekplaat te halen. Tot op heden werden de optimale laserinstellingen manueel bepaald, een tijdrovende en foutengevoelige taak. De nieuwe, statistische modellen kunnen zeer accuraat bepalen wat de optimale lasterinstellingen zijn, waardoor de productietijd teruggeschroefd kan worden naar de helft van de huidige productietijd. Aangenomen kan worden dat de productietijd in een optimum gereduceerd wordt tot bijna een derde van de huidige productietijd.

Daarnaast werd er een nieuwe techniek ontwikkeld om verschillende breekdrukfuncties te controleren. Dit biedt de mogelijkheid om de invloed van de laserkalibratie in kaart te brengen. Ook kan nu de invloed van verschillende materiaalkwaliteiten nagegaan worden waardoor er op afwijkingen kan geanticipeerd worden.

Tijdens het onderzoek werd een verschil in breekdruk tussen een afzonderlijke breekplaat die goedkope breektesten oplevert en een ingebouwde breekplaat wat resulteert in een dure en uitgebreide test vastgesteld. Onderzoek toont aan dat het toevoegen van één extra component nl. – een ring, in de assemblage een opmerkelijke verbetering geeft aan het eindproduct. Het verschil tussen een afzonderlijke en een ingebouwde breekplaat is tot een minimum beperkt. Hierdoor kan aan de hand van het statistisch model een voorspelling gedaan worden voor de optimale machineparameters voor zowel een afzonderlijke breekplaat als een volledige assemblage.

Besluit

Het onderzoek naar lasertechnologie voor het maken van gecontroleerde verzwakkingen bij breekplaten voor zoutwatertoepassingen resulteert in een eenvoudiger en korter productieproces van de verzwakking op de metalen breekplaat. Het productieproces is in het algemeen stabieler, robuuster en betrouwbaarder. Het gebruik van Femtotechnologie verhoogt de productkwaliteit, m.n. de beheersing van de breekdruk uitgedrukt in een verminderde variabiliteit en een kleinere foutentolerantie. De uitval is merkelijk lager en het ontwikkelproces is sneller. Een ander voordeel is het minimaliseren van de invloed van ‘onervaren’ operator. Het statistisch model helpt bij het correct instellen van de laser.

Kortom, de geableerde breekplaat voldoet beter aan de opgelegde specificaties. Dit onderzoek kan als basis dienen voor het ontwerp van vele toekomstige nieuwe producten aan de hand van Femtotechnologie.