CO2 Laser Cutting of Particleboard, HDF and MDF

The purpose of this thesis is to reveal how the laser cutting parameters influence lasercutting of particleboard, HDF and MDF. The literature review introduces the basic principle of CO2 laser, CO2 laser equipment and its usage in cutting of wood-based materials. The experimental part focuses on the discussion and analysis ofthe test data and attempts to draw conclusions on the influence of various parameters, including laser power, focal length of the lens and cutting gas, on the cutting speed and kerf quality. The tested materials include various thicknesses of particleboard, HDF and MDF samples. A TRUMPF TLF2700 HQ laser equipment was used for the experiments. To obtain valid data, the test samples must be completely cut through without any bonding of wood fibre. The maximum cutting speed is linear dependent on the laser power in thecondition that the other parameters are constant. For each thickness of a specific material type, there is a minimum laser power for cutting. Normally, the topand bottom kerf widths increase with the enhancement of laser power. There may be a critical laser power which can generate the minimum cross-sectional kerf width. Lens of larger focal length may achieve higher cutting speed. As the focal length becomes larger, the top kerf width tends to increase while the bottom andcross-sectional kerf widths to the opposite. Of all cutting gases, oxygen can help achieve higher cutting speed. The gas pressure of nitrogen does not seem to have strong influence on the cutting result. Generally, 2 bar air is more preferable for higher cutting speed. For particleboard and MDF samples of larger thickness than 12 mm, 2 bar argon can be used to reach remarkably higher cutting speed than the 5 bar. Generally, the 190.5 mm lens can produce smallest total kerf width. The kerf sides of thicker samples are darker than the thinner ones. The sample darkness tends to be lower as laser power increased. 63.5 mm lens seemed tocause more darkness than other lens. 5 bar cutting gases can produce less dark side kerfs than 2 bar ones. Oxygen normally causes darker kerfs than other gases. No distinct differences were found between nitrogen and argon.

Effect of Shielding Gases in Laser Welding of Aluminium Alloys

High reflectivity to laser light, alloying element evaporation during high power laser welding makes aluminium alloys highly susceptibility to weld defects such as porosity, cracking and undercutting. The dynamic behaviour of the keyhole, due to fluctuating plasma above the keyhole and the vaporization ofthe alloying elements with in the keyhole, is the key problem to be solved for the improvement of the weld quality and stabilization of the keyhole dynamics isperhaps the single most important development that can broaden the application of laser welding of aluminium alloys. In laser welding, the shielding gas is commonly used to stabilize the welding process, to improve the welded joint features and to protect the welded seam from oxidation. The chemicalcomposition of the shielding gas is a key factor in achieving the final qualityof the welded joints. Wide range of shielding gases varying from the pure gasesto complex mixtures based on helium, argon, nitrogen and carbon dioxide are commercially available. These gas mixtures should be considered in terms of their suitability during laser welding of aluminium alloys to produce quality welds. The main objective of the present work is to study the effect of the shielding gascomposition during laser welding of aluminium alloys. Aluminium alloy A15754 was welded using 3kW Nd-YAG laser (continuous wave mode). The alloy samples were butt welded with different shielding gases (pure and mixture of gases) so that high quality welds with high joint efficiencies could be produced. It was observed that the chemical composition of the gases influenced the final weld quality and properties. In general, the mixture gases, in correct proportions, enabled better utilisation of the properties of the mixing gases, stabilized the welding process and produced better weld quality compared to the pure shielding gases.

Visual measurement of laser-arc hybrid welding

Tässä työssä raportoidaan hybridihitsauksesta otettujen suurnopeuskuvasarjojen automaattisen analyysijärjestelmän kehittäminen.Järjestelmän tarkoitus oli tuottaa tietoa, joka avustaisi analysoijaa arvioimaan kuvatun hitsausprosessin laatua. Tutkimus keskittyi valokaaren taajuuden säännöllisyyden ja lisäainepisaroiden lentosuuntien mittaamiseen. Valokaaria havaittiin kuvasarjoista sumean c-means-klusterointimenetelmän avullaja perättäisten valokaarien välistä aikaväliä käytettiin valokaaren taajuuden säännöllisyyden mittarina. Pisaroita paikannettiin menetelmällä, jossa yhdistyi pääkomponenttianalyysi ja tukivektoriluokitin. Kalman-suodinta käytettiin tuottamaan arvioita pisaroiden lentosuunnista ja nopeuksista. Lentosuunnanmääritysmenetelmä luokitteli pisarat niiden arvioitujen lentosuuntien perusteella. Järjestelmän kehittämiseen käytettävissä olleet kuvasarjat poikkesivat merkittävästi toisistaan kuvanlaadun ja pisaroiden ulkomuodon osalta, johtuen eroista kuvaus- ja hitsausprosesseissa. Analyysijärjestelmä kehitettiin toimimaan pienellä osajoukolla kuvasarjoja, joissa oli tietynlainen kuvaus- ja hitsausprosessi ja joiden kuvanlaatu ja pisaroiden ulkomuoto olivat samankaltaisia, mutta järjestelmää testattiin myös osajoukon ulkopuolisilla kuvasarjoilla. Testitulokset osoittivat, että lentosuunnanmääritystarkkuus oli kohtuullisen suuri osajoukonsisällä ja pieni muissa kuvasarjoissa. Valokaaren taajuuden säännöllisyyden määritys oli tarkka useammassa kuvasarjassa.

Ohutlevyn diodilaserhitsaus

Diplomityössä tutkitaan, miten diodilaserhitsauksen ominaisuuksia ja mahdollisuuksia voidaan hyödyntää teollisuuden käytännön sovellutuksissa. Työn alkuosassa esitelläändiodilaserin toimintaperiaatetta ja säteen muodostumista. Lisäksi työssä on esitetty laserin käyttöön liittyviä turvallisuusseikkoja. Hitsaukseen liittyviä teknisiä seikkoja on myös käyty läpi. Työn kokeellisessa osassa tutkitaan kylmävalssatun ja ruostumattoman teräksen hitsattavuutta eri liitosmuodoissa kuten päittäis-, laippa- ja päällekkäisliitoksissa. Hitsauskokeet suoritettiin eri paksuisille levyille. Tavoitteena oli löytää eri levymateriaaleille ja liitosmuodoille oikeat nopeus- ja tehoparametrit. Diodilaserkokeet suoritettiin käyttäen Hämeen ammattikorkeakoulun Riihimäen yksikön 2 kW:n tehoista diodilaserlaitteistoa. Koekappaleet olivat 100 x 200 mm kokoisia. Osalle hitsatuista kappaleista tehtiin vetokokeita ja mikrokovuuskokeita. Hitseille tehtiin silmämääräinen tarkastus ja lisäksi tutkittiin hitsejä mikroskooppikuvauksella. Koekappaleita hitsaamalla selvitettiin teho- ja nopeusparametrit. Hitsattaessa kylmävalssattuja levyjä muodostui hitsausvirheitä T- ja päittäisliitoksissa. Hitsausvirheet huomattiin, kun suoritettiin vetokokeita ja tehtiin hietä. Mutta yleensä kylmävalssattujen levyjen hitsaus onnistui moitteettomasti. Kun hitsaukset suoritettiin käyttämällä ruostumatonta terästä, hitsausvirheitä ei muodostunut, kuten kylmävalssattuihin levyihin. Ruostumattomien terästen hitsaus onnistui moitteettomasti. Tunkeuma molemmissa levytyypeissä oli hyvä. Todettiin, että levyt hitsautuivat yhteen hitsauksen alussa moitteettomasti, mutta loppuosa ei hitsautunut kunnolla, koska lämpötilanmuutos muokkasi levyjen muotoja.

Hitsausmenetelmät ja niiden kehittämismahdollisuudet painelaitteiden valmistuksessa

Työn tavoitteena oli painelaitteiden hitsaustuotannon kehittäminen. Keinoina olivat käytössä olevien hitsausprosessienkehittäminen tai niiden käytön tehostaminen ja mahdollisesti muiden hitsausprosessien, kuten plasma-, laser- tai hybridihitsauksen, käyttöönotto. Työn teoriaosassa käsiteltiin painelaitteiden valmistuksessa käytettävät hitsausprosessit ja niiden kehittämiskeinot, hitsauskustannuksen muodostuminen sekä miten näihin kustannuksiin voidaan vaikuttaa. Lisäksi tarkasteltiin painelaitteiden valmistuksessa käytettävien materiaalien hitsattavuutta ja laadunvarmistusta. Tutkimusosuudessa käytiin läpi valmistuksen nykytila ja tehtiin tuotannon analysointi kehittämiskohteeksi valitulle lämmönsiirtimelle. Kehitysehdotuksenatuotannon tehostamiseksi ehdotettiin MAG-täytelanka- ja jauhekaarihitsauksen käytön lisäämistä. Lisäksi ehdotettiin juurituen käyttöä ja hitsauksen mekanisoinnin lisäämistä. Plasma- tai hybridihitsauksen käytöllä todettiin pystyttävän lyhentämään läpimenoaikoja. Ennen laitteistohankintojen tekoa täytyy tehdä lisäselvityksiä soveltuvuuden ja kannattavuuden varmistamiseksi.

A computationally efficient shear deformable beam element for large deformation multibody applications

In this paper, a new two-dimensional shear deformable beam element based on the absolute nodal coordinate formulation is proposed. The nonlinear elastic forces of the beam element are obtained using a continuum mechanics approach without employing a local element coordinate system. In this study, linear polynomials are used to interpolate both the transverse and longitudinal components of the displacement. This is different from other absolute nodal-coordinate-based beam elements where cubic polynomials are used in the longitudinal direction. The accompanying defects of the phenomenon known as shear locking are avoided through the adoption of selective integration within the numerical integration method. The proposed element is verified using several numerical examples, and the results are compared to analytical solutions and the results for an existing shear deformable beam element. It is shown that by using the proposed element, accurate linear and nonlinear static deformations, as well as realistic dynamic behavior, can be achieved with a smaller computational effort than by using existing shear deformable two-dimensional beam elements.

Automated formulation of optimisation models for steel beam structures

Over 70% of the total costs of an end product are consequences of decisions that are made during the design process. A search for optimal cross-sections will often have only a marginal effect on the amount of material used if the geometry of a structure is fixed and if the cross-sectional characteristics of its elements are property designed by conventional methods. In recent years, optimalgeometry has become a central area of research in the automated design of structures. It is generally accepted that no single optimisation algorithm is suitable for all engineering design problems. An appropriate algorithm, therefore, mustbe selected individually for each optimisation situation. Modelling is the mosttime consuming phase in the optimisation of steel and metal structures. In thisresearch, the goal was to develop a method and computer program, which reduces the modelling and optimisation time for structural design. The program needed anoptimisation algorithm that is suitable for various engineering design problems. Because Finite Element modelling is commonly used in the design of steel and metal structures, the interaction between a finite element tool and optimisation tool needed a practical solution. The developed method and computer programs were tested with standard optimisation tests and practical design optimisation cases. Three generations of computer programs are developed. The programs combine anoptimisation problem modelling tool and FE-modelling program using three alternate methdos. The modelling and optimisation was demonstrated in the design of a new boom construction and steel structures of flat and ridge roofs. This thesis demonstrates that the most time consuming modelling time is significantly reduced. Modelling errors are reduced and the results are more reliable. A new selection rule for the evolution algorithm, which eliminates the need for constraint weight factors is tested with optimisation cases of the steel structures that include hundreds of constraints. It is seen that the tested algorithm can be used nearly as a black box without parameter settings and penalty factors of the constraints.

Tuning the design procedures for laser processed microwave mechanics

This research has been focused at the development of a tuned systematic design methodology, which gives the best performance in a computer aided environment and utilises a cross-technological approach, specially tested with and for laser processed microwave mechanics. A tuned design process scheme is also presented. Because of the currently large production volumes of microwave and radio frequency mechanics even slight improvements of design methodologies or manufacturing technologies would give reasonable possibilities for cost reduction. The typical number of required iteration cycles could be reduced to one fifth of normal. The research area dealing with the methodologies is divided firstly into a function-oriented, a performance-oriented or a manufacturability-oriented product design. Alternatively various approaches can be developed for a customer-oriented, a quality-oriented, a cost-oriented or an organisation-oriented design. However, the real need for improvements is between these two extremes. This means that the effective methodology for the designers should not be too limited (like in the performance-oriented design) or too general (like in the organisation-oriented design), but it should, include the context of the design environment. This is the area where the current research is focused. To test the developed tuned design methodology for laser processing (TDMLP) and the tuned optimising algorithm for laser processing (TOLP), seven different industrial product applications for microwave mechanics have been designed, CAD-modelled and manufactured by using laser in small production series. To verify that the performance of these products meets the required level and to ensure the objectiveness ofthe results extensive laboratory tests were used for all designed prototypes. As an example a Ku-band horn antenna can be laser processed from steel in 2 minutes at the same time obtaining a comparable electrical performance of classical aluminium units or the residual resistance of a laser joint in steel could be limited to 72 milliohmia.

Towards desired crystalline product properties: In-situ monitoring of batch crystallization

The objective of industrial crystallization is to obtain a crystalline product which has the desired crystal size distribution, mean crystal size, crystal shape, purity, polymorphic and pseudopolymorphic form. Effective control of the product quality requires an understanding of the thermodynamics of the crystallizing system and the effects of operation parameters on the crystalline product properties. Therefore, obtaining reliable in-line information about crystal properties and supersaturation, which is the driving force of crystallization, would be very advantageous. Advanced techniques, such asRaman spectroscopy, attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR FTIR) spectroscopy, and in-line imaging techniques, offer great potential for obtaining reliable information during crystallization, and thus giving a better understanding of the fundamental mechanisms (nucleation and crystal growth) involved. In the present work, the relative stability of anhydrate and dihydrate carbamazepine in mixed solvents containing water and ethanol were investigated. The kinetics of the solvent mediated phase transformation of the anhydrate to hydrate in the mixed solvents was studied using an in-line Raman immersion probe. The effects of the operation parameters in terms of solvent composition, temperature and the use of certain additives on the phase transformation kineticswere explored. Comparison of the off-line measured solute concentration and the solid-phase composition measured by in-line Raman spectroscopy allowedthe identification of the fundamental processes during the phase transformation. The effects of thermodynamic and kinetic factors on the anhydrate/hydrate phase of carbamazepine crystals during cooling crystallization were also investigated. The effect of certain additives on the batch cooling crystallization of potassium dihydrogen phosphate (KDP) wasinvestigated. The crystal growth rate of a certain crystal face was determined from images taken with an in-line video microscope. An in-line image processing method was developed to characterize the size and shape of thecrystals. An ATR FTIR and a laser reflection particle size analyzer were used to study the effects of cooling modes and seeding parameters onthe final crystal size distribution of an organic compound C15. Based on the obtained results, an operation condition was proposed which gives improved product property in terms of increased mean crystal size and narrowersize distribution.

Sulfatiatsolin leijupetikiteytys

Työssä tutkittiin leijupetikiteyttimen toimivuutta sulfatiatsolikiteiden kasvunopeuksien mittaamisessa. Sulfatiatsoli on lääkeaine, jota käytetään antibioottina. Kirjallisuusosassa on käsitelty kiteytyksen perusteita sekä olosuhteiden vaikutuksia kidemorfologiaan. Koska kyseessä on lääkeaine, on työssä myös selvitetty tekijöitä, jotka vaikuttavat syntyvän kiteen polymorfimuotoon. Näitä ovat mm. siemenkiteen polymorfimuoto sekä käytetty liuotin. Kirjallisuusosassa on myös esitelty teollisia ja laboratoriomittakaavan leijupetikiteyttimiä. Kokeellisessa osassa on keskitytty testaamaan leijupetikiteyttimen toimintaa sekä etsimään sopivia olosuhteita kasvukokeiden suorittamiselle. Kokeissa tutkittiin ylikylläisyyden vaikutusta sulfatiatsolikiteen kasvuun. Kiteen kasvun seurantaan pyrittiin etsimään sopivia hiukkaskokoanalysaattoreita. Mittauksissa käytetyt laitteistot olivat PIA 4000 mod LUT on-line-videomikroskooppi ja laserdiffraktioon perustuva Coulter LS 130 off-line-partikkelikokoanalysaattori.

Diodilaserin käytön edellytykset ohutlevyjen hitsauksessa

Diplomityössä tutkitaan diodilaserhitsausta mahdollisena teollisuuden menetelmänä ja menetelmän vaatimuksia hitsattaessa ohutlevyjä. Työssä tutkittavat materiaalit ovat kylmävalssattu teräs ja ruostumaton teräs sekä liitosmuotoina päittäis-, laippa- ja päällekkäisliitos. Materiaalivahvuudet ovat 0,50 mm:stä 1,50 mm:iin. Työn tavoitteena on määrittää näille kyseisille materiaaleille ja liitosmuodoille hitsausnopeus levynvahvuuden funktiona. Lisäksi käsitellään diodilaserin rakennetta, säteen muodostusta, säteen muokkaamista, säteen analysointia ja säteen turvallisuuteen liittyviä asioita. Suoritetaan vertailua käytössä oleviin muihin lasertyöstömenetelmiin konepajoissa ja tehdään arvio mahdollisen diodilaserinvestoinnin kannattavuudesta. Diodilaserhitsauskokeissa käytettiin Hämeen ammattikorkeakoulun Riihimäen yksikön 1 kW:n tehoista diodilaseria. Koekappaleet leikattiin suuntaisleikkurilla. Osalle hitsatuista kappaleista tehtiin poikittaiset vetokokeet ja mitattiin mikrokovuudet. Virheitä tutkittiin silmämääräisesti sekä radiografisella kuvauksella. Kaikille tutkituille liitoksille, materiaaleille ja vahvuuksille saatiin määriteltyä hitsausnopeudet. Tehtyjen testien perusteella suuntaisleikkurin käyttö on mahdollista. Lisäksi havaittiin suojakaasun käytön myötä, että kirkkaan sulan aiheuttama heijastavuuden kasvu edellyttää hitsausnopeuden pienentämistä.

Optimizing nozzle flow in laser cutting

The purpose of this study was to investigate different laser cutting nozzles, nozzle flows and possibilities to improve nozzle flow. Another goal was to design new nozzle configuration in which laser cutting would succeed with better cutting speed and smaller gas consumption. Nozzles and nozzle flows were studied with various methods. Computational fluid dynamics was used to calculate old, convergent nozzles and new convergent-divergent nozzles. Measurement apparatus was used to measure both nozzle types. In cutting tests different materials were cut with new nozzles. With the use of design convergent-divergent nozzles 25 % better cutting speed and 33 % smaller gas consumption were achieved when cutting quality was good. Computational fluid dynamics was also discovered to be useful aid in nozzle design.

Laser Doppler -vibrometrin käyttöönotto tärinämittauksissa

Tässä insinöörityössä otettiin käyttöön VTI Technologies Oy:lle hankittu laser Doppler - vibrometri, joka mittaa tärinää perustuen valon Dopplerin siirtymään. Työn tavoitteena oli perehtyä mittauslaitteistoon, muodostaa sille näytteenottolaitteisto ja käytännössä arvioida sen kyvykkyyttä mitata tärinää ja tuottaa uutta informaatiota. Työn teoreettisessa osuudessa perehdytään laser Doppler -vibrometrin teknologiaan ja toimintaperiaatteeseen sekä värähtelevien systeemien dynamiikkaan ja mallintamiseen. Työn käytännön osuuden suorittamiseksi perehdyttiin myös tärinätestauslaitteiston toimintaan, analogiasignaalin näytteenottoon sekä diskreettiin Fourier-muunnokseen perustuvaan signaalin spektrianalyysiin. Työssä käsitellään myös laser-mittauksen kohinalähteitä ja spektrianalyysin virhelähteitä. Työn käytännön osuudessa ohjelmoitiin Labview-mittausohjelmisto näytteenottolaitteistolle. Mittausohjelmistolla voidaan näytteistää vibrometrin mittaussignaalia ja muodostaa sen taajuusspektri. Mittauskohteita tässä työssä olivat kulmakiihtyvyystäryttimen mekaanisen liikkeen mittaus ja elementtikiekkosahan terän värähtelyjen mittaus. Mittaustulokset kulmakiihtyvyystäryttimestä osoittivat sen mekaanisen liikkeen säröytyvän voimakkaasti, johtuen todennäköisesti sen testialustan rakenteesta. Testialustan rakennetta tullaan kehittämään ja mittaukset toistetaan. Mittaustuloksiin elementtikiekkosahasta tuli suhtautua epäillen, koska mittaussignaalin intensiteetti oli erittäin heikko. Mittausten onnistuminen Laser Doppler -vibrometrillä edellyttää riittävää mittauskohteesta takaisinheijastuneen laser-valon intensiteettiä. Mittaustulokset osoittivat laser Doppler -vibrometrin olevan hyödyllinen työkalu tutkivassa tärinämittauksessa. Mittauskohteet, joiden pinta heijastaa huonosti valoa ja joihin ei voi asentaa erityistä heijastavaa teippiä, ovat kuitenkin haaste ja asettavat rajoituksen laser Doppler -vibrometrin käyttömahdollisuuksille. Tämän työn mittaustuloksia voidaan käyttää kulmakiihtyvyystäryttimen uusintamittausten vertailukohtana, kun arvioidaan kehitystyön onnistumista. Tätä työtä voidaan käyttää myös laser Doppler -vibrometrin ohjekirjana tärinämittauksissa.

Characterization of Microparticle Retention Systems with Retention Process Analyzer

In the literature survey retention mechanisms, factors effecting retention and microparticles were studied. Also commercial microparticle retention systems and means to measure retention were studied. Optical retention measurement with RPA and Lasentec FBRM was studied. The experimental part contains study of different cationic polyacrylamides, anionic silica, bentonite and new generation micropolymer. In these studies the dosage, dosing order and dosing history were changing factors. The experimental work was done with RPA-apparatus with which, the retention process can be followed in real time. In testing was found that silica yielded better retention, when dosed nontraditionally before the polymer. Also silica was very dependant on the polymer dosage. With bentonite good colloidal retention was achieved with relatively low doses. Unlike silica bentonite was not dependant on polymer dosage. The relation of bentonite and polymer dosage is more defining when high retention is wanted. With 3-component systems using bentonite very high retention was achieved. With silica no improvement in retention was found in 3-component systems compared to dual component systems.

Kehittyneiden hitsausprosessien soveltuvuus alumiinin ja hiiliterästen hitsaukseen

Diplomityössä tutkitaan hitsausprosessien kehitystä. Työn kirjallisen osan alku kuvaa hitsauksen nykypäivää ja tulevaisuutta sekä millainen on hitsaava Suomi. Kehittyneiden hitsausprosessien tarkastelu on jaettu hiiliterästen ja alumiinien hitsausprosesseihin. Hiiliteräksien hitsauksen osalta työssä esitellään kitkahitsaus pyörivällä työkalulla, muunnettu lyhytkaarihitsaus, laserhitsaus, laser-hybridihitsaus ja kapearailohitsaus. Alumiinien hitsauksen osalta työssä esitellään laserhitsaus, muunnettu lyhytkaarihitsaus, kitkahitsaus pyörivällä työkalulla ja vaihtovirta MIG hitsaus. Diplomityön käytännönosuudessa todennettiin hitsausprosessien kehitys. Ensimmäisissä hitsauskokeissa hitsattiin merialumiinia eri kaarityypeillä. Vertailua tehdään pulssihitsauksen, lankapulssihitsauksen sekä CMT-kaarihitsauksen välillä. Koehitsaukset osoittavat CMT-hitsauksen tuottavan MIG-pulssihitsausta pienemmät hitsausmuodonmuutokset. CMT-hitsauksessa alumiinin oksidikerros aiheuttaa MIGpulssihitsausta vähemmän ongelmia, sillä kaari syttyy varmemmin suurillakin hitsausnopeuksilla, eikä hitsiin synny huokosia. Hitsausnopeudella 40 cm/min lankapulssihitsauksella ja MIG-pulssihitsauksella päittäisliitoksena hitsattujen vesileikattujen alumiinikappaleiden hitseihin ei syntynyt huokosia. Kokeen perusteella voidaan todeta, ettei oksidikerroksella ollut vaikutusta hitsin onnistumiseen. Hitsauskokeiden toinen osio tutkii hiilimangaaniteräksisen T-palkin kuitulaserhitsausta. Viiden kilowatin laserteholla hitsattiin onnistuneesti viisi metriä pitkiä T-palkkeja hitsausnopeudella 2 m/min. Takymetrimittauksella ja Tritop 3D-koordinaattimittauksella todennettiin laserhitsatun T-palkin hitsausmuodonmuutosten olevan huomattavasti Twin-jauhekaarihitsauksella hitsattua T-palkkia pienemmät.