DFM/DFMA(A) – analysis and aspects of applying systematic engineering for a microwave testfixture design

In this paper, manufacturability analysis and collection of design aspects is made for a microwave test-fixture. Aspects of applying systematic design for a microwave test-fixture design and manufacturing are also analysed. Special questionnaires for the component and machining are made in order to enable necessary information to ensure DFM(A) – aspects of the component. The aspects of easy manufacturing for machining the microwave test-fixture are collected. Material selection is discussed and manufacturing stages of prototype manufacturing are presented.

Developing sustainable value proposition: A case study from manufacturing industry

Increasing pressures to reduce costs, inprove productivity, and lower the environmental impact are forcing suppliers to present evidences of the monetary and societal value they create for the customers and society around. The extant academic literature on the practical activities related to topic is still sparse and this study addresses the gap by developing sustainable customer value proposition for Valmet’s recycled fibre line solution for the Chinese market. The research is based on literature review and single case study method. Theoretically the study is connected to the emerging literature of customer value and life cycle engineering, and to the research of sustainable development in the field of marketing. For exloiting empirical evidences, in-depth supplier interviews and customer survey were conducted. The results suggest that selling of recycled fibre line solution requires tangible and credible evidence of the value and utility which is delivered for the customer. In addition to the economic benefits also societal benefits should be included in the value proposition that are the focus of attention in China. Still, the role of discovered benefits may be contradictory until they are communicated to appropriate decision makers. Managerially the study contributes to the customer value management and quantification knowledge and practices in Valmet’s organization.

Toward including the effect of manufacturing processes in the pre-estimated losses of the switched reluctance motor

The estimation of losses plays a key role in the process of building any electrical machine. How to estimate those losses while designing any machine; by obtaining the characteristic of the electrical steel from the catalogue and calculate the losses. However, this way is inaccurate since the electrical steel performs several manufacturing processes during the process of building any machine, which affects directly the magnetic property of the electrical steel and accordingly the characteristic of the electrical steel will be affected. That means the B–H curve of the steel that was obtained from the catalogue will be changed. Moreover, during loading and rotating the machine, some important changes occur to the B–H characteristic of the electrical steel such as the stress on the laminated iron. Accordingly, the pre-estimated losses are completely far from the actual losses because they were estimated based on the data of the electrical steel obtained from the catalogue. So in order to estimate the losses precisely significant factors of the manufacturing processes must be included. The paper introduces the systematic estimation of the losses including the effect of one of the manufacturing factors. Similarly, any other manufacturing factor can be included in the pre-designed losses estimations.

3D-tulostustekniikan hyödyntäminen diagnostisten pikatestien tuotekehityksessä

Pikamallinnustekniikat ovat kehittyneet viime vuosina nopeasti. Tämä antaa jo lähes rajat-tomat mahdollisuudet tuottaa 3D-tulostamalla erilaisia tuotteita. 3D-tulostuksen hyödyntä-minen on yleistynyt erityisesti teollisuuden ja teknologian aloilla. Tässä työssä tutkittiin miten 3D-tulostamista voidaan hyödyntää diagnostisten pikatestien tuotekehityksessä. Immunologinen lateral flow-testi on vasta-aineisiin perustuva, nopea ja helppokäyttöinen mittausmenetelmä pienten ainemäärien havaitsemiseen. Tässä työssä kehitettiin lateral flow-testikotelo, jonka suunnitteluun ja rakenteen mallintamiseen käytettiin 3D-tulostustekniikkaa. Testikotelon toimivuus lateral flow- testissä varmistettiin kehittämällä testikoteloon sopiva pikatesti, jonka suorituskykyä analysoitiin sekä visuaalisesti että Actim 1ngeni-lukulaitteella. Työ aloitettiin tutkimalla eri pikavalmistustekniikoita, joista testikotelon tulostamiseen valittiin SLA-tekniikka sen tulostustarkkuuden ja tuotteen pinnan laadun perusteella. Testikotelon suunnittelu aloitettiin määrittämällä millaisia ominaisuuksia testikotelolta haluttiin. Näitä ominaisuuksia olivat lateral flow-testin suojaaminen sekä testissä kulkevan näytteen virtauksen varmistamien. Lateral flow- testin kehityksessä hyödynnettiin osin aiemmin kehitetystä pikatestistä saatuja tietoja. Lateral flow- kasettitestin valmistusprosessi koostui seitsemästä eri prosessivaiheesta jotka olivat: Vasta-aineen/kontrollireagenssin konjugointi, näytetyynyn käsittely, konjugointityynyn käsittely, konjugointityynylle annostelu, membraanille annostelu, tikkujen laminointi ja leikkaus sekä kasettitestin kokoonpano. Kehitetyn lateral flow- kasettitestin toimivuus varmistettiin tutkimalla testin reaktiokinetiikkaa ja analyyttistä herkkyyttä sekä visuaalisesti että lukulaitteen avulla. Tutkimustulosten perusteella 3D-tulostus on erittäin hyödyllinen menetelmä pikatestien tuotekehityksessä suunniteltaessa testikotelorakenteita, näytteen annosteluvälineitä ja näiden yhdistelmiä.

3D-tulostettu tuuliturbiinin vaihteen pienoismalli

Työn aiheena on vaihteen pienoismallin suunnittelu ja toteutus 3d-tulostusta hyväksi käyttäen. Pienoismalli tehdään Moventas Gears Oy:n suunnittelemasta tuuliturbiinin vaihteesta. Vaihteen pienentämisestä johtuen malliin on suunniteltava uudet laakeripesät ja hammaspyörät. 3D-tulostuksen ja pienoismallin pienen koon ansiosta vaihdetta voidaan yksinkertaistaa suuresti ja näin vähentää tulostettavien osien määrää. Lisäksi työssä selvitetään, mitä ongelmia 3D-tulostus tuo valmistukseen ja suunnitteluun. Työn kirjallisessa osassa selvennetään planeettavaihteen toimintaa yleisesti sekä esitellään Exceed Series 3+ vaihdetta. Lisäksi kerrotaan 3D-tulostuksesta, sen periaatteesta, erilaisista tulostusmenetelmistä, tulostinlaitteesta ja mahdollisista ongelmista tulostuksessa. Kokeellinen osa koostuu pienoismallin suunnittelusta ja valmistuksesta. Valmistuksessa olleiden virheiden takia muutama osa jouduttiin tulostamaan uudelleen. Muutamia osia jouduttiin myös hieman jälkikäsittelemään tulostuksen jälkeen, jotta malli saatiin kasattua. Ongelmakohdaksi muodostui tulostimen ohjelmisto ja tulostustiedostot. Tulostusprosessi sujui kuitenkin hyvin. Lopputuloksena saatiin toimiva pienoismalli. 3D-tulostus toimii hyvin monimutkaisten kappaleiden tulostuksessa. Tulostuksen hinta nousi kuitenkin varsin korkeaksi. Tulostuslaitteistosta riippuen tulostuksen voisi mahdollisesti suorittaa myös halvemmallakin.

Virtuaalinen käyttöönottoympäristö automaatiojärjestelmälle

Valmistavan teollisuuden kiristyvät vaatimukset suunnittelusta markkinoille -ajassa (engl. time-to-market), laadussa, kustannustehokkuudessa ja turvallisuudessa luovat paineita uusien toimintatapojen etsimisessä. Usein laitteiston ohjausalgoritmeja ei ole mahdollista testata todellisen laitteiston kanssa, vaan ainoaksi ennakoivaksi vaihtoehdoksi jää todellisen laitteiston virtuaalinen mallintaminen. Eräs uusista toimintavoista on virtuaalinen käyttöönotto, jossa tuotantolinja tai laitteisto mallinnetaan ja sen käyttäytymistä simuloidaan ohjausalgoritmien parantamista ja todentamista varten. Tämän diplomityön tavoitteena oli toteuttaa virtuaalinen käyttöönottoympäristö, jolla laitteiston 3D-mallinnettua virtuaalista mallia voidaan ohjata reaaliajassa todellisen laitteiston ohjauslaitteistolla. Käyttöönottoympäristön toteuttamisen lopullisena tavoitteena on tutkia, millaisia hyötyjä sillä voidaan saavuttaa Outotec (Finland) Oy:n automaatiojärjestelmien suunnittelussa ja käyttöönotossa kiristyvien vaatimusten täyttämiseksi. Työssä toteutetulla käyttöönottoympäristöllä pystytään simuloimaan 3D-mallinnetun laitteiston osan toimintaa reaaliajassa. Todellisen laitteiston ominaisuuksista määritettyjä vaatimuksia ei kustannussyistä täytetty, sillä ennen sitä haluttiin varmistua valitun alustan ominaisuuksista, toimivuudesta ja soveltuvuudesta. Toteutuksen katsotaan kuitenkin täyttävän pehmeän reaaliaikaisuuden kriteerin noin 40 ms aikatasolla ja 80 ms reaktioajalla. Toteutettu virtuaalinen käyttöönottoympäristö osoittautui toimivaksi ja soveltuvaksi, sekä sen todettiin tuovan potentiaalisia hyötyjä Outotec (Finland) Oy:lle, esimerkiksi kosketusnäyttöjen visualisoinnin parannus, hybridikäyttöönottomahdollisuus sekä automaatio-ohjauksien kehittäminen. Työn perusteella arvioidaan onko Outotec:lla tarvetta jatkaa valitulla alustalla todellisen laitteiston aikavaatimukset täyttävään reaaliaika-toteutukseen, jota työssä esitellään.

Pituusleikkureiden 3D-suunnittelun kehittäminen

Tämä diplomityö tehtiin Valmet Technologies Oy:n Järvenpään toimipisteelle. Työn tavoitteena oli tutkia miten pituusleikkureiden 3D-suunnittelua voidaan tehostaa hyödyntämällä uuden 3D-CAD -järjestelmän ominaisuuksia optimaalisesti. Työ koostuu teoriaosuudesta, haastattelututkimuksesta sekä käytännön osuudesta. Teoriaosuudessa perehdytään pituusleikkurin toimintaan ja rakenteeseen, 3D-suunnittelun teoriaan sekä CATIA-järjestelmään. Teoriaosuudessa etsitään myös uusia näkökulmia 3D-suunnitteluun. Haastattelututkimuksessa kartoitetaan nykyinen suunnitteluprosessi, suunnittelun kehitettäviä kohteita, sekä käytössä olevia suunnittelumenetelmiä, jotka ovat todettu toimiviksi. Haastattelututkimuksessa haastatellaan Valmet Technologies Oy:n Järvenpään toimipisteessä työskenteleviä pituusleikkureiden pääsuunnittelijoita sekä heidän esimiehiään. Lisäksi erillisten haastattelujen avulla kerätään kokemuksia CATIA V6 -ohjelmiston käytöstä sekä suunnitteluohjelmiston vaihtumisesta. Käytännön osuuden tavoitteena on arvioida pituusleikkurin parametroitujen mallirakenteiden siirtämiseen sekä korjauksiin kuluvia aikamääriä kyseisiin toimenpiteisiin tarvittavien resurssien määrittämiseksi. Käytännön osuudessa siirretään kaksi Valmet OptiWin Drum Compact -pituusleikkurin parametroitua osakokonaisuutta uuteen CAD-järjestelmään ja niille suoritetaan tarvittavat korjaustoimenpiteet Tutkimuksen tulosten perusteella yhteisen mallinnusmetodologian puuttuminen on merkittävin kehityskohde suunnittelun kehittämisessä. Lopuksi luotiin kehitysehdotukset sekä implementointisuunnitelma, joiden avulla pituusleikkureiden 3D-suunnittelua voidaan kehittää ja CATIA V6 -ohjelmisto voidaan ottaa käyttöön tehokkaasti.

Sähkömekaanisen turvalaakerirakenteen suunnittelu

Turvalaakereita käytetään suojaamaan aktiivisia magneettilaakereita vikatilanteiden tapahtuessa. Tässä kandidaatintyössä suunniteltiin erilaisia ratkaisuja toteuttaa turvalaakerin toiminta sähkömekaanisella toimilaitteella. Työn tarkoituksena oli löytää uusia tapoja toteuttaa turvalaakerin rakenne. Uusilla ratkaisuilla poistettiin turvalaakereille ominaisia ongelmia. Suunnittelussa käytettiin perinteisiä koneensuunnittelun menetelmiä. Menetelmien tarkoitus oli mahdollistaa järjestelmällinen suunnittelu. Tässä työssä myös kirjallisuuskatsaus toimi yhtenä suunnittelun vaiheena. Tuloksiksi saatiin hahmotelmia ja 3D-malleja. Tulokset poikkesivat tavanomaisista turvalaakereiden rakenteista. Tuloksissa huomioitiin, että tässä työssä ei suunnitella valmista tuotetta. Suunniteltujen turvalaakereiden toiminta perustui mekanismeihin, jotka toivat mukanaan uusia ominaisuuksia. Sähkömekaanisen toimilaitteen sijoittaminen mekanismeihin oli kuitenkin vaikeaa. Työn tulokset avasivat uusia näkökulmia turvalaakerirakenteiden jatkokehittämiseen.

A reaction engineering approach to homogeneously catalyzed glycerol hydrochlorination

The production of biodiesel through transesterification has created a surplus of glycerol on the international market. In few years, glycerol has become an inexpensive and abundant raw material, subject to numerous plausible valorisation strategies. Glycerol hydrochlorination stands out as an economically attractive alternative to the production of biobased epichlorohydrin, an important raw material for the manufacturing of epoxy resins and plasticizers. Glycerol hydrochlorination using gaseous hydrogen chloride (HCl) was studied from a reaction engineering viewpoint. Firstly, a more general and rigorous kinetic model was derived based on a consistent reaction mechanism proposed in the literature. The model was validated with experimental data reported in the literature as well as with new data of our own. Semi-batch experiments were conducted in which the influence of the stirring speed, HCl partial pressure, catalyst concentration and temperature were thoroughly analysed and discussed. Acetic acid was used as a homogeneous catalyst for the experiments. For the first time, it was demonstrated that the liquid-phase volume undergoes a significant increase due to the accumulation of HCl in the liquid phase. Novel and relevant features concerning hydrochlorination kinetics, HCl solubility and mass transfer were investigated. An extended reaction mechanism was proposed and a new kinetic model was derived. The model was tested with the experimental data by means of regression analysis, in which kinetic and mass transfer parameters were successfully estimated. A dimensionless number, called Catalyst Modulus, was proposed as a tool for corroborating the kinetic model. Reactive flash distillation experiments were conducted to check the commonly accepted hypothesis that removal of water should enhance the glycerol hydrochlorination kinetics. The performance of the reactive flash distillation experiments were compared to the semi-batch data previously obtained. An unforeseen effect was observed once the water was let to be stripped out from the liquid phase, exposing a strong correlation between the HCl liquid uptake and the presence of water in the system. Water has revealed to play an important role also in the HCl dissociation: as water was removed, the dissociation of HCl was diminished, which had a retarding effect on the reaction kinetics. In order to obtain a further insight on the influence of water on the hydrochlorination reaction, extra semi-batch experiments were conducted in which initial amounts of water and the desired product were added. This study revealed the possibility to use the desired product as an ideal “solvent” for the glycerol hydrochlorination process. A co-current bubble column was used to investigate the glycerol hydrochlorination process under continuous operation. The influence of liquid flow rate, gas flow rate, temperature and catalyst concentration on the glycerol conversion and product distribution was studied. The fluid dynamics of the system showed a remarkable behaviour, which was carefully investigated and described. Highspeed camera images and residence time distribution experiments were conducted to collect relevant information about the flow conditions inside the tube. A model based on the axial dispersion concept was proposed and confronted with the experimental data. The kinetic and solubility parameters estimated from the semi-batch experiments were successfully used in the description of mass transfer and fluid dynamics of the bubble column reactor. In light of the results brought by the present work, the glycerol hydrochlorination reaction mechanism has been finally clarified. It has been demonstrated that the reactive distillation technology may cause drawbacks to the glycerol hydrochlorination reaction rate under certain conditions. Furthermore, continuous reactor technology showed a high selectivity towards monochlorohydrins, whilst semibatch technology was demonstrated to be more efficient towards the production of dichlorohydrins. Based on the novel and revealing discoveries brought by the present work, many insightful suggestions are made towards the improvement of the production of αγ-dichlorohydrin on an industrial scale.

Developing smart services by Internet of Things in manufacturing business

Manufacturing companies have passed from selling uniquely tangible products to adopting a service-oriented approach to generate steady and continuous revenue streams. Nowadays, equipment and machine manufacturers possess technologies to track and analyze product-related data for obtaining relevant information from customers’ use towards the product after it is sold. The Internet of Things on Industrial environments will allow manufacturers to leverage lifecycle product traceability for innovating towards an information-driven services approach, commonly referred as “Smart Services”, for achieving improvements in support, maintenance and usage processes. The aim of this study is to conduct a literature review and empirical analysis to present a framework that describes a customer-oriented approach for developing information-driven services leveraged by the Internet of Things in manufacturing companies. The empirical study employed tools for the assessment of customer needs for analyzing the case company in terms of information requirements and digital needs. The literature review supported the empirical analysis with a deep research on product lifecycle traceability and digitalization of product-related services within manufacturing value chains. As well as the role of simulation-based technologies on supporting the “Smart Service” development process. The results obtained from the case company analysis show that the customers mainly demand information that allow them to monitor machine conditions, machine behavior on different geographical conditions, machine-implement interactions, and resource and energy consumption. Put simply, information outputs that allow them to increase machine productivity for maximizing yields, save time and optimize resources in the most sustainable way. Based on customer needs assessment, this study presents a framework to describe the initial phases of a “Smart Service” development process, considering the requirements of Smart Engineering methodologies.