Koskettamaton ultraäänimittaus puun mittaussovelluksia Laboratoriosta käytäntöön Valtakunnalliset mittauspäivät, 14.3.2019 Laura Tomppo
Tausta Kuopion yliopisto/itä-suomen yliopisto Kontaktiultraääneen liittyviä tutkimuksia mm. lahon detektointiin ja vanerin liimavikoihin liittyen (esim. Tiitta et al. 1998) Ensimmäiset ilmakytketyt sensorit hankittiin 2000-luvun alussa Viilumittauksia Lankun sisäisten halkeamien mittaus Puun kosteuden mittaus Lujuuden mittaus Puumuovikomposiittien mittaus Yhdistelmämittaukset
Miksi useimmat ultraäänimittaukset vaativat kontaktin, veden tai geelin? Akustinen impedanssi Z on materiaalin ominaisuus, joka riippuu materiaalin tiheydestä ja siinä etenevän ääniaallon nopeudesta v Z = ρv Kahden materiaalin rajapinnalla akustisten impedanssien ero vaikuttaa siihen, kuinka iso osa aallosta heijastuu Heijastumiskerroin: R = Z 2 Z 1 Z 2 +Z 1 2
Ilma/puu-rajapinta Ilma = 1.3 kg/m 3, v = 343 m/s Z air = 445.9 kg/m 2 s Puu = 500 kg/m 3, v = 1000 m/s (syysuuntaan kohtisuoraan) Z wood = 500 000 kg/m 2 s R = 0.9964 Yli 99.6 % ultraääniaallon energiasta heijastuu ilma/puurajapinnalta! http://www.ndt.net/article/v05n01/bhardwaj/bhardwaj.htm Laura Tomppo 14.3.2019 4
Ultraäänen kulkuajan ja amplitudin lisäksi voidaan mitata monia parametreja Laura Tomppo 14.3.2019 5
Mitkä puun ominaisuudet vaikuttavat äänen etenemiseen? Jäykkyys (kimmokerroin) Tiheys Vaikutus riippuu puulajista, anatomisesta rakenteesta ja mittaussuunnasta Kosteuspitoisuus Vaikuttaa eri tavoin matalissa kosteuspitoisuuksissa kuin korkeissa Suunta: vuosirenkaat ja syysuunta Laho Oksat Halkeamat ja muut sisäiset viat Laura Tomppo 14.3.2019 6
Viilun sorvaushalkeamien mittaus Koskettamaton mittaus eri suuntiin 116 khz Menetelmää testattu myös teollisella linjalla tuoreen ja kuivatun viilun mittaaminen poikkeaa toisistaan merkittävästi! Tomppo, L., Tiitta, M., & Lappalainen, R. (2009). Ultrasound evaluation of lathe check depth in birch veneer. European Journal of Wood and Wood Products, 67(1), 27-35. Laura Tomppo 14.3.2019 7
Lankun sisähalkeamien mittaus Lämpöpuu, kuivattu puu, joka esim. hiotaan ja petsataan viimeistelyssä Röntgenin erotuskyky on rajallinen pitäisi saada kiinni myös suljetut halkeamat Sisähalkeamien lujuutta heikentävä vaikutus? Menetelmän kehitys ja Tutkimuksesta uutta tietoa ja liiketoimintaa hanke, sisähalkeilun mittaamiseen liittyvien oikeuksien siirto spin off -yritykselle (Puumit Oy) Kuvan koko 68 x 90 mm Laura Tomppo 14.3.2019 8
Puun halkeilun mittaukset Halkeilu vaikuttaa selvästi ultraäänisignaalin etenemiseen Ultraäänimittausten avulla voitiin luokitella vähän halkeilleet ja selvästi halkeilleet (halkeama > 10 mm poikkileikkauksessa) Ristiinvalidoitu CCR (correct classification rate) 74 84% Tomppo, L., Tiitta, M., & Lappalainen, R. (2014). Nondestructive evaluation of checking in thermally modified timber. Wood science and technology, 48(2), 227-238. Laura Tomppo 14.3.2019 9
Haasteita sisähalkeamien mittauksessa Mittaus kehitetty pitkittäiskuljettimelle, esim. konenäköskannerin yhteyteen Vialliset kappaleet olisi hyvä saada kiinni jo aiemmin, yleensä poikittaiskuljettimella vaatii erityyppistä skannausta tai matriisiantureita Halkeaman asento ja vuosirenkaat suhteessa mittaussuuntaan vaikuttavat mittaustulokseen sopivassa asennossa oleva halkeama voi jopa vahvistaa signaalia täytyy huomioida algoritmeissa
Ultraääni mekaaniset ominaisuudet Sähköimpedanssispektroskopia (EIS) kosteus & tiheys Halkeiluun vaikuttavat tiheys, vuosirenkaiden leveys ja ytimen paikka Tiheys vaikuttaa myös kappaleen lujuuteen Halkeilu voi kriittisesti vaikuttaa lujuuteen, mutta sitä ei voida juurikaan ennustaa esim. pituussuuntaisella kopautusmittauksella Voisiko ultraäänen ja sähköisen menetelmän yhdistelmällä mitata myös lujuutta aiempaa tarkemmin? Laura Tomppo 14.3.2019 11
Kuivattu ja lämpökäsitelty mänty Regressiomallit, joissa tiheyttä ja jäykkyyttä ennustettiin ultraäänimittauksen ja impedanssimittauksen avulla. Yhdistelmämittaus tuotti parhaat tulokset! Kuivattu puu (70 C): MOE: r 2 = 0.84, estimaatin standardivirhe 0.7 kn/mm 2, 14 kpl Tiheys r 2 = 0.89, estimaatin standardivirhe 21 kg/m 3, 15 kpl Lämpöpuu (228 C) MOE: r 2 = 0.69, estimaatin standardivirhe 1.1 kn/mm 2, 14 kpl Tiheys r 2 = 0.93, estimaatin standardivirhe 13 kg/m 3, 15 kpl
Yhdistelmämittaus, ennusteet vs. mitatut Tomppo, L., Tiitta, M., & Lappalainen, R. (2016). Air-coupled ultrasound and electrical impedance analyses of normally dried and thermally modified Scots pine (Pinus sylvestris). Wood Material Science & Engineering, 11(5), 274-282.
Haapa kuivaus ja puristus + lämpökäsittely Tiitta, M., Tomppo, L., Möttönen, V., Marttila, J., Antikainen, J., Lappalainen, R., & Heräjärvi, H. (2017). Predicting the bending properties of air dried and modified Populus tremula L. wood using combined air-coupled ultrasound and electrical impedance spectroscopy. European Journal of Wood and Wood Products, 75(5), 701-709. Laura Tomppo 14.3.2019 14
Haapa Regressiomallit, joissa tiheyttä ja jäykkyyttä ennustettiin ultraäänimittauksen ja impedanssimittauksen avulla. Yhdistelmämittaus tuotti parhaat tulokset! Kuivattu puu (70 C, 27 kpl): MOE: r 2 = 0.85, estimaatin standardivirhe 0.7 GPa Tiheys r 2 = 0.85, estimaatin standardivirhe 20 kg/m 3 Lämpöpuu (228 C, 21 kpl) MOE: r 2 = 0.92, estimaatin standardivirhe 0.7 GPa Tiheys r 2 = 0.88, estimaatin standardivirhe 20 kg/m 3
Kosteusmittaus Ultraääntä voitaisiin hyödyntää kosteusmittauksissa sähköisten menetelmien tukena erityisesti korkeilla kosteuksilla ( > kyllästymispiste FSP) Testit lämpöpuulla, MC noin 4 40 % Van der Beek, J., Tiitta, M., Tomppo, L., & Lappalainen, R. (2011). Moisture content determination of thermally modified timber by electrical and ultrasound methods. International Wood Products Journal, 2(2), 60-66. Malli R 2 Std. virhe (% yks.) MC < FSP EIS 0.89 0.8 34 MC < FSP EIS & ACU 0.91 0.7 34 MC > FSP EIS 0.63 5 16 MC > FSP EIS & ACU 0.90 3 16 N Laura Tomppo 14.3.2019 16
ACU amplitudi (au) Puumuovikomposiitit UPM Formi LunaComp 1 LunaComp 2 0,14 0,13 0,12 0,11 0,1 0,09 Mittausmahdollisuuksia Mekaaniset ominaisuudet Valmistusviat Kuitupitoisuus Kuidun suunta Kosteus 0,08 0 10 20 30 40 50 60 Komposiitin kuitupitoisuus (%) Sun, X. (2015): Non-destructive characterization of wood plastic composites, pro gradu. Laura Tomppo 14.3.2019 17
Uusia ultraääniantureita? Nykyiset ilmakytketyt ultraäänianturit vaihtelevat hinnaltaan joistakin kympeistä useisiin tuhansiin Tarve edullisille & herkille antureille, jotka mahdollistaisivat kattavan mittauksen esimerkiksi Lankuista poikittaiskuljettimella Vanerista Biomassasta jne. Laura Tomppo 14.3.2019 18
Edullisia antureita elektreettikalvojen avulla Uusia sensoritekniikoita biotalouteen (SEBI) hanke: - Kehitetään elektreettiantureita, haasteina ovat mm. signaalin voimakkuus ja anturin pitkäaikaiskesto - Yhteistyötä Emfit Oy:n ja mm. BAM:n kanssa (Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung, Berliini) Laura Tomppo 14.3.2019 19
Laudan skannaus elektreettiantureilla Yksittäinen lankku hitaasti skannattuna: Läpimittaus Laudan päässä ylhäällä halkeama, jonka pituutta ei pinnasta näe Laudan paksuus 25 mm Laura Tomppo 14.3.2019 20
Lähteet Tiitta, M. (2006). Non-destructive methods for characterisation of wood material. Doctoral dissertation, University of Kuopio. Tomppo, L. (2013). Novel applications of electrical impedance and ultrasound methods for wood quality assessment. Doctoral dissertation, University of Eastern Finland. Tomppo, L., Tiitta, M., & Lappalainen, R. (2009). Ultrasound evaluation of lathe check depth in birch veneer. European Journal of Wood and Wood Products, 67(1), 27-35. Van der Beek, J., Tiitta, M., Tomppo, L., & Lappalainen, R. (2011). Moisture content determination of thermally modified timber by electrical and ultrasound methods. International Wood Products Journal, 2(2), 60-66. Tomppo, L., Tiitta, M., & Lappalainen, R. (2014). Non-destructive evaluation of checking in thermally modified timber. Wood science and technology, 48(2), 227-238. Sun, X. Non-destructive characterization of wood plastic composites, Master s thesis, University of Eastern Finland. Tomppo, L., Tiitta, M., & Lappalainen, R. (2016). Air-coupled ultrasound and electrical impedance analyses of normally dried and thermally modified Scots pine (Pinus sylvestris). Wood Material Science & Engineering, 11(5), 274-282. Tiitta, M., Tomppo, L., Möttönen, V., Marttila, J., Antikainen, J., Lappalainen, R., & Heräjärvi, H. (2017). Predicting the bending properties of air dried and modified Populus tremula L. wood using combined aircoupled ultrasound and electrical impedance spectroscopy. European Journal of Wood and Wood Products, 75(5), 701-709. Laura Tomppo 14.3.2019 21
Kiitos! laura.tomppo@uef.fi uef.fi