Técnicas fotónicas en la industria y aplicación de OCT en control de sellado de películas plásticas en la industria alimentaria

Abstract

Este Trabajo de Fin de Máster se ha realizado dentro del Grupo de Investigación de Visión Artificial de la división de Industria y Transporte de Tecnalia, que cuenta con más de 30 años de experiencia en el ámbito del procesamiento de imágenes y en el desarrollo de sistemas inteligentes. Ha obtenido 22 patentes en el campo de la visión artificial y desarrollado más de 300 proyectos. Además, este proyecto cuenta con la colaboración del Grupo de Fotónica de la Universidad de Cantabria. El proyecto consiste en una revisión de las diferentes técnicas fotónicas capaces de ser utilizadas en la industria para la inspección y control de calidad. Presenta la investigación y síntesis de los fundamentos físicos que se dan en la interacción de la luz con la materia, ayudando a sentar las bases teóricas de la fotónica. El primer capítulo del proyecto consiste en una introducción en la que se presenta la importancia de la fotónica, los objetivos y la estructura del documento. El segundo capítulo se denomina 'Espectroscopía' y recoge el mayor contenido teórico, donde se dan a conocer los distintos fenómenos que toman protagonismo en este campo y se analizan en función del rango del espectro electromagnético en el que se encuentren. También se presta atención a los métodos de implementación de la espectroscopía. Después, motivado por la temática inicial de este proyecto como parte de unas prácticas extracurriculares en Tecnalia, se detallan diferentes técnicas que utilizan espectroscopía e interferometría para analizar la composición de la materia, así como detectar defectos estructurales tanto en su superficie como en su interior. Además, se muestran distintas maneras de implementar cada técnica, que incluyen los elementos a utilizar y la estructura de trabajo. Las técnicas estudiadas toman su lugar en los siguientes capítulos en el orden que sigue: 'LIBS, Laser Induced Breakdown Spectroscopy', que permite analizar la composición química de la materia generando plasma inducido por láser; 'Esparcimiento Raman', capaz de detectar defectos estructurales y composición mediante el fenómeno del esparcimiento no lineal; 'OCT, Optical Coherence Tomography', técnica capaz de inspeccionar la materia en profundidad con resolución de micras; 'Espectroscopía de Teraherzios', utilizada para detectar o ver elementos ocultos como defectos estructurales; 'Termografía', que permite el análisis térmico tanto activo como pasivo, observando defectos según patrones de calor; 'Rayos X', técnica ampliamente utilizada en ensayos no destructivos para ver por debajo de la superficie; 'Shearografía', capaz de analizar cambios en estructuras con resoluciones elevadas gracias a la interferometría; 'LUT, Laser Ultrasonics Technology', técnica fotónica basada en ultrasonidos que permite el análisis remoto; y 'Esparcimiento Brillouin', utilizada para el análisis estructural distribuido. Posteriormente, después de revisar diversos artículos científicos de los más relevantes en los últimos años, se utilizan como referencia para recoger las principales aplicaciones de cada una de las técnicas, creando una tabla comparativa que engloba todas ellas. La parte experimental de este trabajo consiste en una prueba de concepto centrada en una de las técnicas estudiadas, la tomografía de coherencia óptica OCT. Esta prueba tiene el objetivo de conocer las posibilidades de automatización de la técnica OCT para la detección de fallos en el termosellado de envases plásticos en la industria cárnica, una de las aplicaciones demandadas hoy en día. A su vez, forma parte de un proyecto de investigación para uno de los clientes de Tecnalia. Para su realización, se cuenta con el apoyo de dos equipos de tomografía de coherencia óptica, uno dentro del Grupo de Fotónica de la Universidad de Cantabria y otro dentro del Grupo de Visión Artificial de Tecnalia. Los datos recogidos en las medidas serán procesados mediante el software de Python, creando un algoritmo que permita identificar rápidamente las zonas mal selladas de acuerdo a unos parámetros establecidos. La realización de este trabajo mejora el conocimiento de la fotónica y de todas las capacidades que se le atribuyen, posibilitando la implantación de nuevos sistemas de control e inspección de los procesos industriales, en consonancia con el desarrollo de la industria 4.0. Ha permitido profundizar en muchos de los conceptos teóricos presentados a lo largo del máster, complementando la formación obtenida, además de descubrir nuevas tecnologías, que escapan a la ciencia en la que se centra el máster, lo que permite tener una visión más completa del abanico de posibilidades que ofrecen las tecnologías para el análisis y control de calidad en la industria.

This Master's Thesis has been carried out within the Artificial Vision Research Group of Tecnalia's Industry and Transport division, which has more than 30 years of experience in the field of image processing and development of intelligent systems. It has obtained 22 patents in the field of computer vision and it has developed more than 300 projects. In addition, this project has the collaboration of the Photonics Group of the University of Cantabria. The project consists of a review of the different photonic techniques capable of being used in the industry for inspection and quality control. It presents the investigation and synthesis of the physical foundations that occur in the interaction of light with matter, helping to lay the theoretical basics of photonics. The first chapter of the project consists of an introduction in which the importance of photonics, the objectives and the structure of the document are presented. The second chapter is called 'Spectroscopy' and includes the most theoretical content, where the different phenomena that take center stage in this field are disclosed and analyzed according to the range of the electromagnetic spectrum in which they are located. This project also pays attention to the spectroscopy implementation methods. Motivated by the initial aim of this project as part of an extracurricular internship at Tecnalia, different spectroscopic and interferometric techniques to analyze the composition of matter, as well as to detect structural defects both on its surface and inside, are detailed consecutively. In addition, different ways of implementing each technique are shown, which include the elements to be used and the work structure. All the techniques take their place in the chapters in the following order: 'LIBS, Laser Induced Breakdown Spectroscopy', which allows to analyze the chemical composition of matter generating laser-induced plasma; 'Raman Scattering', capable of detecting structural and composition defects through the phenomenon of non-linear scattering; 'OCT, Optical Coherence Tomography', a technique capable of inspecting matter in depth with micron resolution; 'Terahertz spectroscopy', used to detect or see hidden elements such as structural defects; 'Thermography', which allows both active and passive thermal analysis, observing defects according to heat patterns; 'X­ Rays', a technique widely used in non-destructive testing to see below the surface; 'Shearography', capable of analyzing changes in structures with high resolutions thanks to interferometry; 'LUT, Laser Ultrasonics Technology', a photonic technique based on ultrasound that allows remote analysis; and 'Brillouin Scattering', used for distributed structural analysis. Subsequently, after reviewing various scientific articles of the most relevant in recent years, they are used as a reference to collect the main applications of each of the techniques, creating a comparative table that includes all of them. The experimental part of this work consists of a proof of concept focused on one of the techniques, the Optical Coherence Tomography. This test has the objective of knowing the possibilities of automatization of the OCT technique for detecting failures in the heat sealing of plastic containers in the meat industry, one of the applications demanded nowadays. In turn, it is part of a research project for one of Tecnalia's clients. For its realization, it has the support of two optical coherence tomography systems, one within the Photonics Group of the University of Cantabria and the other within the Tecnalia Artificial Vision Group. The data collected in the measurements will be processed by Python software, creating an algorithm that allows to quickly identify poorly sealed areas according to established parameters. Carrying out this work improves the knowledge of photonics and all the capacities attributed to it, enabling the implementation of new control and inspection systems for industrial processes, in line with the development of the Industry 4.0. It has allowed us to delve into many of the theoretical concepts explained throughout the master's degree, complementing the training obtained. New technologies have been discovered too, which escape the science on which the master's degree focuses, allowing to have a more complete vision of the range of possibilities offered by technologies for analysis and quality control in industry.