Fremtidens prosesskontroll av industrielt overflatebehandlet trekledning

Hovedformålet til prosjektet KonTre var å implementere et avansert kvalitetskontrollsystem basert på prosessanalytisk teknologi (PAT) i den nye malingsfabrikken hos den norske kledningsprodusenten Gausdal Bruvoll SA. Systemet muliggjør i stor grad automatisert overvåkning, styring, sporbarhet og dokumentasjon av prosess- og produktegenskaper samt at det gir input-data til multivariate analyser og prediksjonsmodeller. Et slik produksjonsanlegg for industriell overflatebehandling av trekledning er enestående, og utviklingen av skreddersydde tekniske løsninger krevde omfattende arbeid innen karakterisering av kvalitetsparametere (critical quality attributes, CQA, og critical process parameters, CPP), måleteknologi, datahåndtering, -analyse og -modellering. Bakgrunnen for prosjektet er at overflatebehandlet trekledning er det mest vanlige fasadematerialet i Norge. De siste ti årene har industriell overflatebehandling tatt store markedsandeler og utgjør nå om lag 80 % av totalt produsert volum. Betydningen gjenspeiles i de betraktelige investeringene i malingslinjer i den norske treindustrien. Teknologien er i rask utvikling, og automatisert prosesskontroll er et nøkkeltema ifm. å forbedre ressursbruk i prosessen og kvalitet på malte trefasader. I begynnelsen har prosjektgruppen arbeidet med karakterisering av parametere (CQA og CCP). Viktigheten av de fleste parameterne var kjent fra før, men enkelte trengte spesifikk avklaring. I tillegg lå fokuset på utvikling, tilpasning og testing av egnede målesystemer i laboratoriet og i produksjonen. I KonTre er det mest mulig benyttet måleutstyr som allerede anvendes i trelastindustrien, slik som in-line kapasitiv måling av trefuktighet, men mange metoder krevde industriell forskning og utvikling. Dette gjaldt bl.a. overvåkning av overflatetemperatur, noe som har spesiell betydning i den kalde årstiden da frosne bord kommer direkte fra utendørslageret inn på malingslinjen. Modellering av temperaturutviklingen i kledningsbordets tverrsnitt viste at det på en kald vinterdag tar flere minutter før det ytterste bordsjiktet, som kan påvirke filmdannelse til de vannbaserte malingssystemene, oppnår tilstrekkelig høy temperatur. Resultatene fra spektroskopiske målinger tydet på at måledybden til infrarød-termometre har tilstrekkelig måledybde i trevirke. Videre ble det funnet at en fullautomatisert overvåkning av fargefeil i løpende produksjon ved hjelp av kamerasystemer ikke er mulig. Dette gjelder spesielt for transparent overflatebehandling som beis, der algoritmene ikke kan skille mellom tremønsteret og fargefeil. Dermed fokuserte prosjektgruppen på indirekte overvåkning ved å kontrollere malingspåføring. Det ble utviklet et system for automatisk in-line veiing etter en omfattende studie på termo-optisk utstyr som brukes til in-line filmtykkelsesmåling på metall og plast. Studien viste stor innflytelse av trefuktighet på målenøyaktigheten. Siden trefuktighet i kledningsbord varierer med flere prosent, er den termo-optiske målemetoden ikke brukbar i Gausdal Bruvolls anlegg. Laboratorieforsøk med akustiske sensorer på sprøytedyser ga lovende resultater mht. automatisk kontroll av dysetilstopping og -slitasje som vil føre til fargefeil. Koronakrisen forhindret dessverre planlagte industriforsøk i 2020 som skulle vise om måleteknikken kan brukes under industrielle forhold. Et annet fokusområde var på mikroskum (luftbobler) i malingfilmen, som kan oppstå under sprøytepåføring. Strekktesting av malingsfilmer, Finite Element Analyser (FEA) og akselerert væraldringsforsøk viste at mikroskum påvirker malingsfilmens motstandsdyktighet betraktelig og burde derfor unngås. Laboratorieforsøk viste at aktiv termografi i nærinfrarødområdet har potensiale for å detektere mikroskum i malingfilmen. Teknologien har imidlertid ikke kommet så langt at den kan brukes in-line under industrielle forhold. Derfor har Gausdal Bruvoll iverksatt rutiner for uttak av stikkprøver, som sjekkes for mikroskum ved hjelp av en lupe. Ut fra undersøkelsen av kvalitetsparametere (CQA og CCP) og deres målbarhet ble malingsanlegget instrumentert og en database utviklet, som registrerer på 54 målepunkter trefuktighet, overflatetemperatur, mengde påført maling, klimadata og andre parametere som påvirker produktkvalitet. Databasen tilordner kvalitetsparameterne til produksjonsdata på enkeltbordnivå ved hjelp av RFID-teknologi (radiofrekvensidentifikasjon). Visualiseringen av databasen i form av kontrolldiagrammer, som inneholder toleranser/spesifikasjoner og grenser, tillater at de to malingslinjene enkelt kan overvåkes og vil bidra til betydelig bedre prosessforståelse. Framtidige oppgaver etter prosjektslutten er å teste akustisk kjemometri til sprøytreovervåkning under industrielle forhold og evt. inkludere teknologien i kontrollsystemet. I tillegg vil arbeidet med multivariate analyser fortsette basert på en automatisk økende datamengde, som vil gi et stadig bedre grunnlag for predikering og optimalisering.

KonTre gjorde det mulig for Gausdal Bruvoll SA å innføre et kvalitetskontrollsystem basert på prosessanalytisk teknologi (PAT) i sin nye malingsfabrikk, som gir grunnlag for mer lønnsom og miljøvennlig produksjon ved forbedret utnyttelse av ressurser. Den økte produktkvaliteten bidrar til kundetilfredshet og dermed å øke Gausdal Bruvolls renommé som pålitelig og kvalitetsbevisst leverandør av malt trekledning. I tillegg har prosjektdeltakerne og hele bransjen hatt stort utbytte av prosjektresultatene, fordi det nye anlegget har karakter av et pilotanlegg. Prosjektet har økt kvalitetsbevisstheten i bransjen, demonstrert nytteeffekten av PAT og demonstrerer konkrete tekniske løsninger. Mange av disse kan ikke bare anvendes i industriell overflatebehandling av kledning, men på sikt i store deler av den norske treindustrien. Det er planlagt å fortsette det brede tverrfaglige samarbeidet etter prosjektslutten på flere fagfelt, med fokus på involvering av studenter i teknologiutviklingen.

Overflatebehandlet trekledning er det mest vanlige fasematerialet for boliger i Norge. De siste ti årene har industriell overflatebehandling tatt store markedsandeler og utgjør nå ca. 70 % av totalt produsert volum. Denne utviklingen gjenspeiles i de betraktelige investeringene i malingslinjer i den norske treindustrien. Teknologi og produktutvikling er i rask endring, og de fleste kledningsprodusentene investerer regelmessig i nytt utstyr for å forbedre prosesser, og dermed 1) forbedre konkuranseevnen i det internasjonale markedet, 2) sikre at trevirket fremdeles er det mest brukte bærekraftige, og miljøvennlige, fasademateriale for boliger, og 3) gjøre bruk av tre som fasademateriale i urban arkitektur mer attraktiv. Innovasjonen i KonTre ligger i utviklingen av et avansert prosesskontrollsystem hos den norske kledningsprodusenten Gausdal Bruvoll. Gausdal Bruvolls produksjonsanlegg vil instrumenteres med moderne måleinstrumenter som 1) muliggjør automatisert overvåkning og dokumentasjon av prosess- og produktegenskaper, og 2) gir input-data til multivariate analyser og prediksjonsmodeller som skal bidra til prosessforbedring og produktoptimalisering. Et instrumentert overflatebehandlingsanlegg for behandling av trekledning er enestående i Skandinavia. De forskningsmessige utfordringene i KonTre omfatter utvikling av egnede målesystemer som vil danne grunnlaget for prosesskontroll- og optimalisering. Avanserte industristatistiske verktøy skal benyttes til å gjennomføre prosesskontroll. Denne typen statistiske verktøy har ikke tidligere vært i bruk i treindustrien, og heller ikke i norsk prosessindustri. Prosjektresultatene skal føre til mer lønnsom og miljøvennlig produksjon, dette vil oppnås ved å optimalisere utnyttelse av ressurser (trelast, malingsprodukter og energi). Bedre produkter vil bidra til forlenget levetid for malt kledning, og til lengre vedlikeholdsintervaller. Dette vil gjøre produktene mer bærekraftige og forenkle vedlikehold av bygningsmasse.