Smart Gaskets: digitalisering in de pakkingindustrie

Toen Ben Cloostermans, R&D engineer bij ERIKS, deze zomer het gerenommeerde congres ASME 2022 (American Society of Mechanical Engineers) in Las Vegas (Nevada, VS) bezocht, had hij niet verwacht dat de presentatie over zijn artikel zoveel aandacht zou krijgen. Sterker nog, zijn presentatie stond pas aan het eind van het congres op het programma en hij was stiekem een beetje bezorgd dat de opkomst hierdoor lager zou zijn. Niets was minder waar. Ben presenteerde niet alleen zijn onderzoeksresultaten aan een grote en enthousiaste groep academici en vakspecialisten, hij ontving ook de tweede prijs voor beste artikel in de
PhD-categorie, uitgereikt door de voorzitter van ASME, Karen Ohland. Een welverdiende eer.

Ben's onderzoek kreeg veel aandacht, omdat hij een innovatieve oplossing heeft gevonden voor één van de meest fundamentele problemen op het gebied van pakkingtechnologie - tot nu toe moeilijk aan te tonen, omdat de benodigde technologie simpelweg nog niet voorhanden was. Ben was zo vriendelijk ons te ontmoeten om de ins en outs van zijn baanbrekende onderzoek uit te leggen.
 

De eerste stap richting erkenning van zijn onderzoek door academici en de sector kwam begin dit jaar, toen Ben een wetenschappelijk artikel publiceerde in het door collega's erkende tijdschrift Mechanical Systems and Signal Processing (MSSP). Dit artikel introduceerde het concept van Smart Gasket technologie, waarbij de prestatie van de pakking direct in de pakking zelf gemeten wordt. Dit bood ook meteen het kader voor het artikel van zijn volgende onderzoeksartikel, waar hij op het ASME-congres een presentatie over gaf.

Het onderzoek naar Smart Gaskets is mogelijk gemaakt door een samenwerking op hoog niveau tussen ERIKS en B-PHOT, het Fotonica Onderzoeks- en Innovatiecentrum van de Vrije Universiteit Brussel. B-PHOT en ERIKS bundelden hun krachten in het kader van ACTPHAST, een door de EU gefinancierd consortium dat ondersteuning biedt aan Europese bedrijven die met behulp van fotonica de innovatie van hun projecten een boost willen geven. Er loopt nu een vergelijkbaar programma, genaamd PhotonHub Europe, dat bedrijven en onderzoekers expertise, knowhow en technologieplatformen biedt om samen aan baanbrekende innovaties te werken.

Om deze samenwerking op te zetten, kreeg Ben van VLAIO (Vlaams Agentschap Innoveren en Ondernemen) een persoonlijke onderzoeksbeurs om promotieonderzoek te doen. Het mandaat van VLAIO is namelijk om de toepassing van geavanceerde technologie in de sector te versnellen door maatschappelijk relevante onderzoeksprojecten te financieren.

Wat zijn de belangrijkste problemen die Ben met zijn onderzoek aanpakt? De uitdagingen met pakkingen zijn volgens hem tweeledig. "Ten eerste moet de pakking goed gemonteerd zijn om ervoor te zorgen dat er tijdens het opstarten geen lekkage in de installatie optreedt. Daarna moet men de flensaansluiting controleren om er zeker van te zijn dat deze heel blijft tijdens gebruik."

De prestaties van pakkingen zijn op dit moment gebaseerd op berekeningen die veel aannames en onzekerheden bevatten. Voor standaardflenzen zijn deze vrij nauwkeurig, maar wanneer de installatie complexer wordt (bijvoorbeeld met warmtewisselaars of drukvaten), is het moeilijker om de flensaansluiting te beoordelen. Kleine verschillen in maten of bouten die misschien door het ontwerp vastzitten, kunnen allemaal onzekerheden veroorzaken voor die pakking.

De werking van een pakking nauwkeurig beoordelen is geen sinecure doordat een pakking maar een paar millimeter dik is. Daardoor is het moeilijk om sensoren te vinden die in het product passen. Zo is het idee voor optische vezelsensoren ontstaan. Deze relatief nieuwe sensoren (net zo dun als een haar) zijn de laatste 20 jaar in opkomst. "Iedereen kent het internet en optische vezels", legt Ben uit, "maar wat weinig mensen weten is dat je ze ook als sensoren kan gebruiken om bepaalde kwantiteiten te meten, zoals druk, temperatuur, elektrisch veld en allerlei variabelen. En we gebruiken ze nu om rekmetingen uit te voeren."

"Met deze optische vezelsensor kunnen we de status op verschillende plekken in de pakking meten om de druk op het oppervlak van de pakking te bepalen. We kunnen zien hoeveel de vezel uitrekt en hoe de pakking vervormt. Op die manier kunnen we inschatten hoe goed de pakking gemonteerd is, zodat we de kans op lekkage tijdens het hele proces uit kunnen sluiten."

Het is een zeer gespecialiseerd proces waarbij kennis van de sensor zelf, hoe deze zich gedraagt, wordt gecombineerd met de eigenschappen van de pakking. Zo wordt de unieke combinatie van de expertise die de universiteit heeft van sensoren en het specialisme van ERIKS op het gebied van pakkingen ten volle benut.

Als de sensor eenmaal in de pakking zit, kan je deze natuurlijk ook gebruiken om de installatie continu te monitoren. Ben legt uit: "Als het systeem wordt blootgesteld aan druk of temperatuur, hoe reageert de pakking dan? We weten uit ervaring hoe de afdichting zich in een bepaalde toepassing ongeveer zal gedragen. Maar het is meestal niet bekend hoe lang deze meegaat en dit leidt tot preventief of reactief onderhoud. Doordat de sensor in de pakking zit, kan je realtime volgen hoe de druk of temperatuur de flensverbinding beïnvloedt." Als je deze gegevens correleert met de eventuele kans op lekkage, kan je gaan anticiperen op hoe de pakking presteert. En dat maakt het voorspellen van onderhoud een stuk makkelijker.

"Kortom", zegt Ben, "we lossen twee problemen op. Aan de ene kant zorgen we met een sensor voor een optimale montage van de pakking en lekvrije opstart. Aan de andere kant kunnen we tijdens het onderhoud van een dergelijke flensverbinding monitoren en voorspellen wanneer deze gaat lekken zodat we het proces ook echt kunnen optimaliseren."

Deze realtime gegevens leveren dan ook nuttige informatie op over de flensverbinding. Onderhoud en downtime kunnen worden gepland om zo de veiligheid van de mensen die rond de installatie werken, te garanderen, terwijl alles nog goed functioneert. Je kunt ook een deel van het proces op tijd stilleggen en de bouten opnieuw aandraaien als dat nodig is.

"We zijn nu in het stadium dat we weten dat we iets in een labomgeving kunnen meten", zegt Ben. Als we kijken naar "Technology Readiness Levels" (TRL), die de ontwikkelingsfase van nieuwe technologie aangeven, is dat TRL-niveau 4 tot 5. Deze niveaus gaan van TRL 1, de fundamentele onderzoeksfase, tot TRL 9, een toepassing die gereed is om op de markt te brengen. "Bij TRL 9 weten we in principe wat we ermee moeten doen en kunnen we het echt gebruiken om ons leven beter te maken", legt Ben uit. "In dit stadium hebben we het geobserveerd; we hebben het getest in een gecontroleerde omgeving en we zijn het nu aan het testen in een operationele omgeving. Dat is eigenlijk het punt waar we nu zijn: de overgang van een labomgeving naar een realtime praktijksituatie."

Dus de uitdaging is nu om het onderzoek van het lab naar de praktijk te verplaatsen. Om te laten zien hoe het concept van Smart Gasket daadwerkelijk waarde toevoegt aan de toepassing van de klant.

"De essentie van wat wij proberen te doen is het stimuleren van digitalisering in een nogal conservatieve sector", zegt Ben. Het doel op korte termijn is om de smart gasket (voor druk en temperatuur) bij klanten in te zetten en te laten zien dat dit echt een toegevoegde waarde kan zijn voor hun toepassing. Op lange termijn willen we het concept ontwikkelen en er een bedrijfsplan voor opstellen, zodat de pakkingen uiteindelijk uitgerust worden met sensoren die automatisch uitgelezen kunnen worden in het dashboard van de klant. Maar dat is uiteraard TRL 9.

"Het draait om een product dat we hebben, waar we iets aan toevoegen wat het slim maakt, zodat je uiteindelijk over gegevens beschikt die volledig voldoen aan normen die gelden voor de gehele industrie 4.0 en IoT. En we proberen dit te bereiken met een samenwerking op het hoogste niveau." Het keurmerk ontvangen van het gerenommeerde ASME was een belangrijke mijlpaal in deze onderneming. Ben knikt: "Als zij zeggen dat het goed is wat wij doen, dat het inderdaad een probleem is en je een goede manier hebt gevonden om dit op te lossen, dan motiveert je dat alleen maar om door te gaan!"