Characterisation of Laser Beam and Paper Material Interaction

It is known already from 1970´s that laser beam is suitable for processing paper materials. In this thesis, term paper materials mean all wood-fibre based materials, like dried pulp, copy paper, newspaper, cardboard, corrugated board, tissue paper etc. Accordingly, laser processing in this thesis means all laser treatments resulting material removal, like cutting, partial cutting, marking, creasing, perforation etc. that can be used to process paper materials. Laser technology provides many advantages for processing of paper materials: non-contact method, freedom of processing geometry, reliable technology for non-stop production etc. Especially packaging industry is very promising area for laser processing applications. However, there are only few industrial laser processing applications worldwide even in beginning of 2010´s. One reason for small-scale use of lasers in paper material manufacturing is that there is a shortage of published research and scientific articles. Another problem, restraining the use of laser for processing of paper materials, is colouration of paper material i.e. the yellowish and/or greyish colour of cut edge appearing during cutting or after cutting. These are the main reasons for selecting the topic of this thesis to concern characterization of interaction of laser beam and paper materials. This study was carried out in Laboratory of Laser Processing at Lappeenranta University of Technology (Finland). Laser equipment used in this study was TRUMPF TLF 2700 carbon dioxide laser that produces a beam with wavelength of 10.6 μm with power range of 190-2500 W (laser power on work piece). Study of laser beam and paper material interaction was carried out by treating dried kraft pulp (grammage of 67 g m-2) with different laser power levels, focal plane postion settings and interaction times. Interaction between laser beam and dried kraft pulp was detected with different monitoring devices, i.e. spectrometer, pyrometer and active illumination imaging system. This way it was possible to create an input and output parameter diagram and to study the effects of input and output parameters in this thesis. When interaction phenomena are understood also process development can be carried out and even new innovations developed. Fulfilling the lack of information on interaction phenomena can assist in the way of lasers for wider use of technology in paper making and converting industry. It was concluded in this thesis that interaction of laser beam and paper material has two mechanisms that are dependent on focal plane position range. Assumed interaction mechanism B appears in range of average focal plane position of 3.4 mm and 2.4 mm and assumed interaction mechanism A in range of average focal plane position of 0.4 mm and -0.6 mm both in used experimental set up. Focal plane position 1.4 mm represents midzone of these two mechanisms. Holes during laser beam and paper material interaction are formed gradually: first small hole is formed to interaction area in the centre of laser beam cross-section and after that, as function of interaction time, hole expands, until interaction between laser beam and dried kraft pulp is ended. By the image analysis it can be seen that in beginning of laser beam and dried kraft pulp material interaction small holes off very good quality are formed. It is obvious that black colour and heat affected zone appear as function of interaction time. This reveals that there still are different interaction phases within interaction mechanisms A and B. These interaction phases appear as function of time and also as function of peak intensity of laser beam. Limit peak intensity is the value that divides interaction mechanism A and B from one-phase interaction into dual-phase interaction. So all peak intensity values under limit peak intensity belong to MAOM (interaction mechanism A one-phase mode) or to MBOM (interaction mechanism B onephase mode) and values over that belong to MADM (interaction mechanism A dual-phase mode) or to MBDM (interaction mechanism B dual-phase mode). Decomposition process of cellulose is evolution of hydrocarbons when temperature is between 380- 500°C. This means that long cellulose molecule is split into smaller volatile hydrocarbons in this temperature range. As temperature increases, decomposition process of cellulose molecule changes. In range of 700-900°C, cellulose molecule is mainly decomposed into H2 gas; this is why this range is called evolution of hydrogen. Interaction in this range starts (as in range of MAOM and MBOM), when a small good quality hole is formed. This is due to “direct evaporation” of pulp via decomposition process of evolution of hydrogen. And this can be seen can be seen in spectrometer as high intensity peak of yellow light (in range of 588-589 nm) which refers to temperature of ~1750ºC. Pyrometer does not detect this high intensity peak since it is not able to detect physical phase change from solid kraft pulp to gaseous compounds. As interaction time between laser beam and dried kraft pulp continues, hypothesis is that three auto ignition processes occurs. Auto ignition of substance is the lowest temperature in which it will spontaneously ignite in a normal atmosphere without an external source of ignition, such as a flame or spark. Three auto ignition processes appears in range of MADM and MBDM, namely: 1. temperature of auto ignition of hydrogen atom (H2) is 500ºC, 2. temperature of auto ignition of carbon monoxide molecule (CO) is 609ºC and 3. temperature of auto ignition of carbon atom (C) is 700ºC. These three auto ignition processes leads to formation of plasma plume which has strong emission of radiation in range of visible light. Formation of this plasma plume can be seen as increase of intensity in wavelength range of ~475-652 nm. Pyrometer shows maximum temperature just after this ignition. This plasma plume is assumed to scatter laser beam so that it interacts with larger area of dried kraft pulp than what is actual area of beam cross-section. This assumed scattering reduces also peak intensity. So result shows that assumably scattered light with low peak intensity is interacting with large area of hole edges and due to low peak intensity this interaction happens in low temperature. So interaction between laser beam and dried kraft pulp turns from evolution of hydrogen to evolution of hydrocarbons. This leads to black colour of hole edges.

Syntyykö Suomeen puulaaksoja - Suomen puutuoteteollisuuden pk-yritysten tila ja tulevaisuus

Metsäteollisuus on tullut Suomeen ulkomaisen pääoman ja tietotaidon avulla vajaat kaksisataa vuotta sitten. Se on toiminut melkein koko jatkosodan jälkeisen ajan suojatussa ympäristössä ja ulkomaisesta kilpailusta riippumattomassa toimintaympäristössä. Kuten Porter ja muut ovat todistaneet, tällainen toimintaympäristö ei kehitä kansainvälisesti kilpailukykyistä teollisuutta globaaleilla markkinoilla. Liittyminen Euroopan unioniin ja sittemmin Euroopan rahaliittoon saattoi puunjalostusteollisuuden täysin uudenlaiseen kilpailutilanteeseen. Sama tapahtui myös alan pk-yrityksille, jotka olivat joutuneet toimimaan heikosti kilpailluilla raaka-ainemarkkinoilla. Tutkimus on tulevaisuudentutkimus, jossa tutkimusongelmia lähestytään kolmen teorian avulla. Porterin klusteriteoria tarjoaa mahdollisuuden arvioida metsäteollisuutta sekä kokonaisuutena että toimivana monimuotoisena organisaationa, jossa kustannukset ja hinta muodostuvat arvoketjun toimijoiden osakustannuksista. Bionomiateoria eli darvinistinen talousteoria testaa suomalaisen puunjalostusteollisuuden pk-yritysten kilpailukykyä ja paineita hakeutua edullisemmille toiminta- alueille. Evoluutioteoria tarkastelee sukupolvenvaihdoksen problematiikkaa. Sukupolvenvaihdoksen onnistuminen muodostuu puutoimialan elämän ja kuoleman kysymykseksi. Tämä on etenkin pk-yrityksiä kohtaava ongelma. Asiaa selvitettiin Mauno Rintalan suorittamalla kyselytutkimuksella Puuteollisuusyrittäjien jäsenistön keskuudessa. Ongelma johtuu suurista sodan jälkeen syntyneistä ikäluokista. Nämä vuosina 1945– 50 syntyneet ovat siirtymässä eläkkeelle vuosien 2005 ja 2015 välillä. Kyseisissä ikäluokissa yritystiheys on noin kaksi kertaa suurempi kuin sen jälkeisissä ikäluokissa. Suoritetun kyselyn sekä muiden suomalaisten ja kansainvälisten tutkimusten perusteella näyttää siltä, että eläkkeelle siirryttäessä vain noin 30 %:lla yrityksistä on jatkaja tiedossa suvusta tai lähipiiristä. Tämä merkitsee sitä, että 70 % eläköityvän ikäluokan omistamista yrityksistä poistuu pysyvästi markkinoilta. Suomessa poistuma merkitsee noin 40 % koko yritysvarannosta eli noin 80 000 yritystä. Tilastot toimivien yritysten määrästä ovat kuitenkin hyvin ristiriitaisia, joten todellista määrää on mahdoton arvioida. Noin suuren määrän poistuminen markkinoilta uhkaa jo hyvinvointivaltion perusrakenteita. Tutkimustulos edellyttää nopeita toimenpiteitä teollisten pkyritysten pelastamiseksi ja säilyttämiseksi Suomessa. Sukupolvenvaihdoksen onnistuminen on tässä prosessissa ensiarvoisessa asemassa. Kaikkien edellä mainittujen yritysten poistuminen markkinoilta edellyttäisi noin 400 000 uuden yrityksen perustamista, koska ainoastaan noin 20 % yrityksistä selviää ensimmäiset kolme vuotta. Tutkimukseen perustuen esitetään prosessimalli sukupolvenvaihdoksen suorittamiseksi. Suomen tärkeimmissä kilpailijamaissa valtioiden metsäomistus on määräävässä asemassa. Meillä metsät ovat yksityisessä omistuksessa ja vain pieni osa valtion omistuksessa. Puumarkkinat toimivat markkinatalouden ehdoilla ilman valtion ohjausta. Ongelmaksi on kehittymässä puun saanti. Metsänomistus on sukupolvien myötä hajaantunut hyvin pieniksi metsälöiksi. Nykyiset metsänomistajat asuvat kaupungeissa ja ovat pääosin palkkatyössä. He eivät ole samalla tavoin riippuvaisia puutuloista kuin heidän esi-isänsä. Metsäverotuksen uudistuminen lisää puun saannin epävarmuutta. Se on muuttumassa pinta-alaverotuksesta puun myynnin verotukseen. Puun myynti on vilkasta ennen järjestelmien vaihtumista ja vähäisempää sen jälkeen. Myös näitä ongelmia on pyritty ratkomaan uudenlaisen metsänomistusmallin avulla. Puuteollisuus on hyvin vanha teollisuudenala. Raaka-aine muodostaa määräävän osan kustannuksista. Muutokset ovat hitaita ja todelliset innovaatiot pitkäkestoisia. Uusia innovaatioita tapahtuu harvoin. Kannattavuutta parannetaan tuoteprosessien ja arvoketjujen kehittämisen kautta. Yhteiskunnan osuus alan kehittämisessä ja säilyttämisessä on ratkaiseva. Asioiden moninaisuus tekee tutkimuksen vaikeaksi, mutta sitäkin tärkeämmäksi kansantalouden kannalta. Tällaisissa suurissa murroksissa korostuu kaikkien päättävien tahojen henkinen valmius ja tahto tehdä oikeita ratkaisuja oikeaan aikaan.

Adaptation of TRIZ Method for Problem Solving in Process Engineering

TRIZ is one of the well-known tools, based on analytical methods for creative problem solving. This thesis suggests adapted version of contradiction matrix, a powerful tool of TRIZ and few principles based on concept of original TRIZ. It is believed that the proposed version would aid in problem solving, especially those encountered in chemical process industries with unit operations. In addition, this thesis would help fresh process engineers to recognize importance of various available methods for creative problem solving and learn TRIZ method of creative problem solving. This thesis work mainly provides idea on how to modify TRIZ based method according to ones requirements to fit in particular niche area and solve problems efficiently in creative way. Here in this case, the contradiction matrix developed is based on review of common problems encountered in chemical process industry, particularly in unit operations and resolutions are based on approaches used in past to handle those issues.

Stochastic approximation methods in stochastic optimization

Stochastic approximation methods for stochastic optimization are considered. Reviewed the main methods of stochastic approximation: stochastic quasi-gradient algorithm, Kiefer-Wolfowitz algorithm and adaptive rules for them, simultaneous perturbation stochastic approximation (SPSA) algorithm. Suggested the model and the solution of the retailer's profit optimization problem and considered an application of the SQG-algorithm for the optimization problems with objective functions given in the form of ordinary differential equation.

Some reformulations for the quadratic assignment problem

Kombinatorisk optimering handlar om att hitta en bra eller rent av den bästa möjliga lösningen från ett känt antal lösningar eller kombinationer. Ofta är antalet lösningar så enormt att en genomgång av alla olika lösningar inte är möjlig. En av huvudorsakerna till att det forskas inom kombinatorisk optimering är att liknande frågeställningar eller problem uppkommer inom så många olika områden. Påståendet stämmer speciellt bra för kvadratiska tilldelningsproblem(eng. Quadratic Assignment Problem). Sådana problem uppstår då man försöker beskriva en stor mängd tillämpade frågeställningar. Vilken gate skall väljas för flygen på större flygplatser för att minimera den totala väg människorna behöver gå och bagaget förflyttas? Var skall olika avdelningar på en fabrik placeras för att minimera materialförflyttningar mellan avdelningarna? Hur ser ett optimalt tangentbord ut för olika språk? Var skall komponenterna placeras på ett kretskort? De här är alla frågor som kan besvaras genom att lösa kvadratiska tilldelningsproblem. Kvadratiska tilldelningsproblem är dock mycket svåra att lösa. Det beror på att problemet i den standardform det matematiskt formuleras i huvudsak består av produkter av binära variabler. I denna avhandling har problemet omformulerats till en linjär diskret form som innehåller färre variabler. Med omformuleringen har bland annat flera tidigare olösta kvadratiska tilldelningsproblem kunnat lösas till globalt optimum, den bästa möjliga lösningen, för första gången någonsin.

Mannen som objekt och problem : Heikki Waris och betydelsen av kön i vetenskaplig socialpolitik, ca 1930-1970

I avhandlingen analyseras betydelsen av kön i den vetenskapliga socialpolitiken vid 1900-talets mitt, i synnerhet med fokus på Heikki Waris (1901–1989) produktion. Waris var Finlands första professor i socialpolitik, som efter andra världskriget etablerades som ett akademiskt ämne vid de finländska universiteten, och Waris blev känd som en av tidens främsta auktoriteter på den finländska socialpolitiken. Vid en tid då välfärdsstaten etablerades och samhället genomgick en snabb moderniseringsprocess, fokuserade den socialpolitiska forskningen på problem och frågor som främst ansågs beröra den manliga delen av befolkningen, såsom alkoholkonsumtion och relationer inom det industriella arbetet. Detta trots att de nordiska staterna senare skulle bli kända som så kallade kvinnovänliga välfärdsstater, där frågor om kvinnors position och jämställdhet beaktades. I avhandlingen belyses hur de texter Waris skrev, samt den forskning som han initierade, skapade ideal baserade på sundhet, ekonomiskt ansvarstagande, aktivitet och medvetenhet samt hur dessa ideal var kopplade till män och manlighet. Förutom att visa hur ideal konstruerades, studeras även de olika formerna och funktionerna av kön i den socialpolitiska litteraturen. Behandlades kön endast som demografisk kategori eller fanns det ett djupare intresse för mäns och kvinnors positioner och roller? Vilka förhållanden ville Waris och de andra socialpolitikerna belysa med att lyfta fram frågor om kön i sina texter? Waris var även en auktoritet på den snabba moderniseringsprocess som Finland hade genomgått sedan industrialiseringen vid 1800-talets slut. I avhandlingen argumenteras för att män och kvinnor på varierande sätt blev symboler för samhällelig förändring. ------------------------ Väitöskirjassa tutkitaan sukupuolen merkitystä sosiaalipolitiikan tutkimuksessa 1900-luvun puolivälissä. Lähtökohtana on Heikki Wariksen (1901–1989) tieteellinen tuotanto. Waris toimi Suomen ensimmäisenä sosiaalipolitiikan professorina ja kehitti sosiaalipolitiikkaa akateemisena aiheena Suomessa toisen maailmansodan jälkeen. Waris tunnettiin yhtenä aikansa merkittävimpänä suomalaisen sosiaalipolitiikan asiantuntijana. Hyvinvointivaltion rakentumisaikana sosiaalipolitiikan tutkimus keskittyi miehiin liittyviin ongelmiin ja kysymyksiin, kuten alkoholin kulutukseen. Väitöskirjassa osoitetaan miten Wariksen teksteissä, ja Wariksen ohjaamissa väitöskirjoissa rakennettiin terveellisyydelle, elättäjyydelle, aktiivisuudelle sekä tietoisuudelle pohjautuva ihanne, joka oli kytketty miehiin ja miehuuteen. Lisäksi tutkitaan sukupuolen muotoja ja funktioita sosiaalipoliittisessa kirjallisuudessa. Oliko sukupuoli pelkkä väestöllinen kategoria vai osoittivatko sosiaalipolitiikan tutkijat syvällisempää mielenkiintoa miesten ja naisten asemaa sekä rooleja kohtaan? Mitkä asiat huomioitiin sukupuolen avulla? Waris oli myös industrialismin aiheuttaman yhteiskuntamuutoksen asiantuntija. Väitöskirjassa osoitetaan miten miehiä ja naisia käsiteltiin eri tavalla muutoksen symboleina.

Matrix Mind : on managerial reframing in multidimensional problem solving

Det är inte ovanligt att man i organisationer ställs inför problem som inte kan hanteras inom befintlig organisationsstruktur. Skälen kan vara att frågorna har många – ibland konflikterande – dimensioner och perspektiv som samtidigt måste beaktas. I den här avhandlingen studeras vilka tankemönster och föreställningar som fanns när grupper av chefer försökte lösa komplexa problem, som inte hade en naturlig organisatorisk hemvist och hur de omsatte dessa tankemönster i handling. Vad kännetecknade det ledarskap som utövades under problemlösningsprocessen? Avhandlingens empiri hämtas från ledarutvecklingsprogram i två internationellt verksamma företag i Sverige, och omfattar 14 verkliga affärsproblem i dessa företag och den process varigenom de löstes. De 14 seminarierna utgör exempel på hur mångdimensionella frågeställningar framgångsrikt hanteras utanför den befintliga organisationsstrukturen. Studien ger, genom att adressera frågor kring tankesätt och ledningsprocesser, en djupare förståelse för förutsättningarna för detta, och lyfter särskilt fram betydelsen av ett ledarskap som inbegriper begreppen intervention, förmåga och omtolkning. Som ett samlat begrepp introduceras bilden att utöva ledarskapet utifrån ett matrix mind. Att påverka strukturer (i vid mening) och därigenom de förmågor som utvecklas, är del i detta ledarskap. Det sker genom interventioner (ingrepp som påverkar relationer i t ex en grupp) och baserades i den aktuella empirin på uppfattningar om värdet av problematisering, erfarenhetsutbyte och av ett språk, som både beskriver och anger inriktning för aktiviteter. Interventioner i strukturer (och till dem knutna processer) beskriver dock bara delvis detta ledarskap. Att leda med ett matrix mind innefattar också ett nyfiket och kreativt förhållningssätt, och att utifrån detta leda omtolkning av problem. I empirin finns flera exempel på detta. Avhandlingen avser att ge ett bidrag inom såväl organisations- som ledarskapsteori.

Comprehensive digital preservation repositories: gaps, and what do we mean by “repository” anyway?

Presentation at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

Simulation of the Interaction Mean Free Path between Neutrons and TRISO Particles

The interaction mean free path between neutrons and TRISO particles is simulated using scripts written in MATLAB to solve the increasing error present with an increase in the packing factor in the reactor physics code Serpent. Their movement is tracked both in an unbounded and in a bounded space. Their track is calculated, depending on the program, linearly directly using the position vectors of the neutrons and the surface equations of all the fuel particles; by dividing the space in multiple subspaces, each of which contain a fraction of the total number of particles, and choosing the particles from those subspaces through which the neutron passes through; or by choosing the particles that lie within an infinite cylinder formed on the movement axis of the neutron. The estimate from the current analytical model, based on an exponential distribution, for the mean free path, utilized by Serpent, is used as a reference result. The results from the implicit model in Serpent imply a too long mean free path with high packing factors. The received results support this observation by producing, with a packing factor of 17 %, approximately 2.46 % shorter mean free path compared to the reference model. This is supported by the packing factor experienced by the neutron, the simulation of which resulted in a 17.29 % packing factor. It was also observed that the neutrons leaving from the surfaces of the fuel particles, in contrast to those starting inside the moderator, do not follow the exponential distribution. The current model, as it is, is thus not valid in the determination of the free path lengths of the neutrons.

Situationsfaktorer i sexuellt utnyttjande av barn inverkar på psykosexuella problem : en metaanalys

Pro graduavhanlingens svenska sammanfattning

Modeling a Network of Heat Exchangers

This research work addresses the problem of building a mathematical model for the given system of heat exchangers and to determine the temperatures, pressures and velocities at the intermediate positions. Such model could be used in nding an optimal design for such a superstructure. To limit the size and computing time a reduced network model was used. The method can be generalized to larger network structures. A mathematical model which includes a system of non-linear equations has been built and solved according to the Newton-Raphson algorithm. The results obtained by the proposed mathematical model were compared with the results obtained by the Paterson approximation and Chen's Approximation. Results of this research work in collaboration with a current ongoing research at the department will optimize the valve positions and hence, minimize the pumping cost and maximize the heat transfer of the system of heat exchangers.