Under senare år har omfattande insatser gjorts för att främja mer hållbara flygtransporter i Europa. De konventionella tillverkningsmetoderna som används inom flyg- och rymdindustrin kräver betydande mängder råmaterial, vars utvinning, bearbetning och användning har negativa miljöeffekter. Därför finns det ett starkt incitament att utveckla nya, mer material-effektiva tillverkningsmetoder. Additiv tillverkning (AM), även känd som 3D-printining, har fördelen att direkt komma nära den slutliga formen på strukturer genom att lägga till material endast där det behövs, något som minimerar spill och förbättrar materialanvändningen. Dock utgör införandet av AM komponenter i säkerhetskritiska flyg- och rymdtillämpningar en betydande utmaning på grund av komplexiteten hos processerna. Denna komplexitet kan leda till tillverkningsvariationer som i sin tur kan resultera i defekter i de tillverkade strukturerna. Därför är framsteg inom automation genom utvecklingen av lösningar för övervakning och styrning under processens gång ett nödvändigt steg för att uppnå tillräcklig pålitlighet och repeterbarhet. Denna avhandling presenterar en utveckling av multisensorövervakning och styrning av Directed Energy Deposition (DED) med en laservärmekälla (LB). DED-LB är en avancerad teknik som möjliggör tillverkning av storskaliga metallkomponenter nära den slutliga formen. I detta arbete har lösningar undersökts för övervakning av DED-LB med tillsatspulver och tråd. För fallet med tillsatstråd kan denna kompletteras med resistiv förvärmning (så kallad hotwire), vilket ger möjlighet att ytterligare finjustera värmetillförseln och förbättra smältprocessen. För övervakningsändamål undersöktes tre olika in-situtekniker för processens stabilitet och varians. Maskinseende och elektriska givare användes för DED-LB med tillsatstråd (DED-LB/w), medan optisk spektroskopi användes för övervakning både av processen med tillsatspulver (DEDLB/p) samt med tråd. Ett multisensorsystem baserat på de tre teknologierna testades för DED-LB/w. Det kamerabaserade systemet gav tydliga indikationer på avvikelser från nominella processförhållanden. Spännings-och strömgivarnas signaler korrelerade med förändringar i processparametrar och återspeglade tydligt metallöverföringen. Spektrometersystemet indikerade förändringar relaterade till värmeöverföringen. Dessutom möjliggjorde analysen av erhållna spektra en detektering av förluster av viktiga legeringselement under DED-LB/p. Slutsatsen från resultaten understryker behovet av multisensorövervakning, eftersom det inte bara möjliggör detektering och skattning av processförändringar utan även en bättre förståelse av deras grundorsaker. Den presenterade ansatsen är ett viktigt bidrag i utvecklingen av ett framtida robust och feltolerant automatiskt styrsystem. / In recent years, an extensive effort has been made to leap European aviation towards more sustainable transportation. Conventional manufacturing methods used in aerospace industry require significant amounts of raw materials, whose extraction, processing, and utilization have adverse environmental impacts. Thus, there is a strong motivation to develop novel, more material efficient fabrication methods. Additive Manufacturing (AM), also known as 3D-printing, offers the advantage of manufacturing near-net-shape structures by adding material only where it is needed, minimizing waste, and improving material efficiency. However, introducing AM fabricated structures as components in safety-critical aerospace systems poses a significant challenge due to the inherent complexity of AM processes. This complexity can result in variations that may lead to defects or inconsistencies in the fabricated structures. Thus, increasing automation by developing in-process monitoring, and control solutions is the vital step to reach the necessary reliability and repeatability. This thesis presents development towards multi-sensor monitoring and control of Directed Energy Deposition (DED) using a Laser Beam (LB). DED-LB is an advanced technology that allows to manufacture large-scale, near-net-shape metallic parts. In this work, in-process monitoring solutions for DED-LB with feedstock powder and wire were investigated. The set-up of the latter was complemented by resistive pre-heating of the feedstock wire (hot-wire) which provided means of fine-tuning the heat input and improving metal fusion. Formonitoring purposes, three different in-situ techniques were investigated to monitor process stability and variability. Machine vision and electrical sensing were utilized during DED-LB with feedstock wire (DED-LB/w) depositions,while optical emission spectroscopy was used for monitoring processes with feedstock powder (DED-LB/p) as well as wire. A multi-sensorsystem based on the three sensing technologies was tested during DED-LB/w depositions. The vision system gave clear indications of variations from nominal conditions. Voltage and current sensors indications correlated to changes in process parameters and reflected well the metal transfer (liquid bridge) condition.The spectrometer system indicated well changes related to heat input. In addition, analysis of obtained spectra allowed to detect losses of vital alloying element during DED-LB/p. The main conclusion from the results underlines the need for simultaneous multi-sensor monitoring as it allows not only to detect and estimate process changes but also to better interpret their root causes. Such setup will positively enable a future robust, fault tolerant control system. / <p>Paper 3 is under acception but included in this thesis with CC BY-license.</p>

Denna studie har undersökt om förvärmning av luft är en bra metod för att undvika frostbildning i motströmsplattvärmeväxlare i luftbehandlingsaggregat. Frostbildning i värmeväxlare för ventilation är ett problem i kalla klimat och sänker den återvunna energimängden när potentialen för energiåtervinning är som högst.   Tidigare forskning i området har utförts för att bland annat: 1) Definiera säkra förhållanden utan frostbildning i värmeväxlare med laminär luftströmning.  2) Jämföra olika frostkontrollstrategier. 3) Analysera frostbildningens egenskaper och effekt på värmeväxlare i ventilation. Att forskningen inte är entydig för vilken frostkontrollstrategi som är bäst belyser vikten av detta arbete.   I en fallstudie kvantifieras empiriska värmeöverföringskoefficienter som används i en analytisk modell som förutspår energianvändningen för luftvärmning under olika driftfall för ett luftbehandlingsaggregat. Värmeöverföringskoefficienterna tas fram genom mätningar i ett luftbehandlingsaggregat lokaliserat i ett flerbostadshus. Mätobjektet har ett installerat värmebatteri före värmeväxlaren vilket värmer inkommande uteluft till konstant lufttemperatur.  Tillverkaren proklamerar att det sker turbulent luftströmning i den studerade värmeväxlaren. Vid olika lufthastigheter ändras värmeöverföringskoefficienten mer vid turbulent strömning än vid laminär strömning. Att olika lufthastigheter har betydlig inverkan på värmeöverföringskoefficienten överensstämmer med resultatet från mätningarna. Effektiviteten av den aktuella styrningen av förvärmaren har granskats och brister har upptäckts. En ny optimerad styrning föreslås för frostfri drift och minimerad energianvändning. Den optimerade styrningen jämförs sedan med en vanlig avfrostningsmetod och utförs med hjälp av flödesbalansstatistik från ett aggregat med sektionsavfrostningsstyrning. Resultatet visar att förvärmning av luft för frostfri drift använder mindre energi än vid sektionsavfrostningsstyrning.  Den föreslagna styrningen innebär att bypass-spjället öppnas då förvärmaren går på full effekt. Detta för att förhindra påfrostning vid extrema utetemperaturer, då förvärmaren inte ger tillräcklig effekt för att undvika påfrostning. Den föreslagna styrningen regleras utifrån daggpunkten, temperaturen på tilluften innan värmeväxlaren och temperaturen på avluften. Den framtagna värmeöverföringskoefficienten i studien tar inte i beaktning ökad koefficient under fuktiga förhållanden då daggpunkten i frånluften är över fryspunkten och det sker kondens. En framtida studie kan hitta värmeöverföringskoefficienter som förutspår yttemperaturen under kondensutfällning då daggpunkten är över 0°C vilket ger medel för att ta fram en ännu mera energieffektiv styrning. Detta kan utföras genom mätning i ett luftbehandlingsaggregat med hög temperaturverkningsgrad placerat i en fuktig miljö. / This study has analysed if preheating of air is a good method to prevent frost formation in a counter flow plate heat exchanger used in Air Handling Units. Frosting in heat exchangers used in AHU-systems is a problem in cold climates and lowers the energy recovery when its potential is the highest.   Previous research has been done to 1) Define safe operating conditions without frost formation in heat exchangers with laminar flow. 2) Compare different frost control strategies. 3) Analyse frost formation properties and its effects on heat exchangers in AHU-systems. That the research is not unambiguous for which frost control method is the best highlights the importance of this work. Empirical heat transfer coefficients are quantified in this study and are used in the creation of an analytical model of a counter flow heat exchanger that predicts the energy use for heating the air at different operating modes. The heat transfer coefficients are produced by measurements in an AHU-systems located in an apartment building. The AHU has an installed air heater before the heat exchanger which heats the outdoor inlet air to constant temperature.   The manufacturer of the AHU-system proclaims turbulent flow in the heat exchanger. Change of airflow has greater impact on the heat transfer coefficients during turbulent flow compared to laminar flow conditions. This is also derived from the results of the measurements. The effectiveness of the current control system is analyzed, and flaws are discovered. A new control system is therefore proposed for frost free operation and higher energy efficiency. The proposed control system is compared to a frequently used frost control system which uses bypass-dampers to redirect the inlet air to the reheater, to let the warm air stream melt formed frost on the warm air side. This comparison is accomplished by analyzing the usage of the bypass-dampers during different outdoor temperatures in a comparable AHU-system that have the mentioned frost control method. The results show that preheating of inlet air for frost free operation uses less energy than usage of the bypass-dampers to melt formed frost on the warm air side. The proposed control system needs the bypass-dampers to be used when the preheater is on full operation to prevent frost formation at extreme outdoor temperatures when the preheating may not be enough. The proposed control system is regulated by the dewpoint and the temperatures of the exhaust air stream and the supply air stream. The derived heat transfer coefficient that is used to predict the plate-temperature take no account for condensation on the warm air side during humid conditions when the dew point is above the freezing point. Future studies can derive the heat transfer coefficient during condensation which will improve the prediction of the plate-temperature. This would make the system more energy efficient during humid air conditions. This can be done by measurements in an AHU-system with high temperature efficiency placed in a humid environment.