Development of an inline metrology architecture for metallic bipolar plates using 2D laser profilometry and digital signal processing

Abstract

A transição global para sistemas de energia sustentável exige a produção em massa altamente eficiente de células a combustível de membrana de troca de prótons e eletrolisadores. As placas bipolares são fundamentais para essas tecnologias, exigindo manufatura em alta velocidade através de processos de estampagem progressiva com alta deformação. Contudo, a atual falta de controle de qualidade inline (definido como a inspeção geométrica não destrutiva em tempo real de componentes, sincronizada diretamente com o ciclo ativo de fabricação) cria um gargalo crítico no ambiente industrial, pois a amostragem tradicional por lote offline atrasa a detecção de anomalias e, consequentemente, leva a um desperdício considerável de material. Para superar essa limitação, esta pesquisa desenvolve e valida uma arquitetura inovadora para metrologia inline contínua de componentes metálicos diretamente dentro do fluxo de produção ativo. O projeto integra um perfilômetro de triangulação a laser bidimensional de alta precisão diretamente em uma prensa de estampagem progressiva. A abordagem emprega um suporte mecânico rígido, projetado sob medida, para estabilizar o sensor óptico e isolá-lo de vibrações estruturais severas. Adicionalmente, o sistema estabelece um pipeline de aquisição de dados rápido e orientado a eventos. Controlado pelo Controlador Lógico Programável (CLP) da prensa, um gatilho de hardware ativa o sensor em uma posição cinemática precisa do curso, capturando o perfil espacial bruto da peça recém-formada e transmitindo-o via um protocolo de rede dedicado. Para analisar efetivamente as superfícies metálicas altamente reflexivas, o trabalho desenvolve um motor de software robusto baseado em Python e técnicas específicas de processamento digital de sinais, particularmente filtragem Savitzky-Golay e limiarização por derivada discreta. Este pipeline algorítmico avalia autonomamente as geometrias complexas dos microcanais. Ele aplica detrending linear para corrigir a inclinação física, implementa suavização polinomial para remover ruído óptico especular e utiliza corte dinâmico baseado em derivadas para isolar matematicamente as áreas de medição perfeitamente planas. A avaliação compara os resultados computacionais com microscopia de variação de foco de nível laboratorial, que atua como a verdade absoluta (ground truth). Os resultados demonstram que a arquitetura desenvolvida extrai com sucesso e precisão as medições exatas de profundidade e largura dos canais. Além disso, o motor algorítmico atinge um tempo de processamento computacional inferior a um segundo por peça, alinhando-se completamente à rápida taxa de produção da prensa industrial. Em última análise, esta implementação fornece ao Fraunhofer Institute for Production Technology uma estrutura de monitoramento determinística e altamente repetível. Esta solução preenche a lacuna entre a produção em massa de alta velocidade e tolerâncias dimensionais rigorosas, estabelecendo uma base prática para futuros ajustes de sistemas de malha fechada (closed-loop) e permitindo a verdadeira manufatura de defeito zero na indústria de células a combustível.

The global transition to sustainable energy systems demands the highly efficient mass production of proton exchange membrane fuel cells and electrolyzers. Bipolar plates are fundamental to these technologies, requiring high-speed manufacturing through high-strain progressive stamping processes. However, the current lack of inline quality control (defined as the real-time, non-destructive geometric inspection of components synchronized directly with the active manufacturing cycle)creates a critical bottleneck in the industrial environment, because traditional offline batch sampling delays anomaly detection and consequently leads to considerable material waste. To overcome this limitation, the present work develops and validates an innovative architecture for the continuous inline metrology of metallic components directly within the active production flow. It does so by integrating a high-precision two-dimensional laser triangulation profilometer directly into a progressive stamping press. The approach employs a custom-designed rigid mechanical mount to stabilize the optical sensor and isolate it from severe structural vibrations. Additionally, the framework establishes a rapid, event-driven data acquisition pipeline. Controlled by the press's Programmable Logic Controller (PLC), a hardware trigger activates the sensor at a precise kinematic stroke position, capturing the raw spatial profile of the newly formed part and transmitting it via a dedicated network protocol. To effectively analyze the highly reflective metallic surfaces, the work develops a robust software engine based on Python and specific digital signal processing techniques, particularly Savitzky-Golay filtering and discrete derivative thresholding. This algorithmic pipeline autonomously evaluates the complex micro-channel geometries. It applies linear detrending to correct physical skew, implements polynomial smoothing to remove specular optical noise and uses derivative-based dynamic trimming to mathematically isolate the perfectly flat measurement areas. The evaluation benchmarks the proposed framework with laboratory grade focus variation microscopy, which acts as a reliable and adequate reference. The obtained results showed that the developed architecture successfully and accurately extracts the precise depth and width measurements of the channels. In addition, the algorithmic engine achieves a computational processing time of less than one second per part, completely aligning with the fast production rate of the industrial press. Ultimately, this implementation provides the Fraunhofer Institute for Production Technology with a deterministic and highly repeatable monitoring framework. This solution bridges the gap between high-speed mass production and strict dimensional tolerances, establishing a practical foundation for future closed-loop system adjustments and enabling true zero-defect manufacturing within the fuel cell industry.