Lineaarisen hammashihnaservokäytön tilasäätö

Tuotantotehokkuus näyttelee yhä suurempaa roolia teollisuudessa, minkä vuoksi myös pakkauslinjas­toille joudutaan asettamaan suuria vaatimuksia. Usein leik­kaus- ja kappaleensiirtosovelluksissa käyte­tään lineaarisia ruuvikäyttöjä, jotka voitaisiin tietyin edellytyksin korvata halvemmilla ja osittain suori­tuskykyisimmillä hammashihnavetoisilla johteilla. Yleensä paikkasäädetty työsolu muodostuu kahden tai kolmen eri koordinaatisto­akselin suuntaan asen­netuista johteista. Tällaisen työsolun paikoitustarkkuuteen vaikuttavat muun muassa käytetty säätöra­kenne, moottorisäätöketjun viiveet, sekä laitteiston eri epälineaarisuudet, kuten kitka. Tässä työssä esitetään lineaarisen hammashihnaservokäytön dynaamista käytöstä kuvaava matemaatti­nen malli ja laaditaan mallin pohjalta laitteen simulointimalli. Mallin toimivuus varmistetaan käytän­nön identifiointitesteillä. Lisäksi työssä tut­kitaan, kuinka hyvään suorituskykyyn lineaarinen hammas­hihnaservokäyttö kyke­nee, jos teollisuudessa paikoitussäätörakenteena tyypillisesti käytetty kaskadira­kenne tai PID-rakenne korvataan kehittyneemmällä mallipohjaisella tilasäädinra­kenteella. Säädön toi­mintaa arvioidaan simulointien ja koelaitteistolla suoritetta­vien mittaus­ten perusteella.

Röntgenillä mitattujen tukin laatutietojen analysointi metsäjärjestelmän erätietojen suhteen

Röntgentekniikkaa hyödyntävä tukkien laaduttaminen on mandollistanut raaka-aineen tehokkaamman hyötykäytön. Puun viat ja ominaisuudet voidaan havaita röntgentekniikkaa käyttäen ennen raaka-aineen jatkojalostamista., näin raaka-aine voidaan hyödyntää mandollisimman hyvin sen ominaisuuksien perusteella. Diplomityö on tehty Stora Enso -konserniin kuuluvalle Stora Enso Timberille. Tutkimuksen ensisijaisena tavoitteena on ollut analysoida Honkalanden sahan röntgenin mittaamia laatutietoja. Tavoitteena oli selvittää, voiko laatutietojen perusteella määrittää leimikkokohtaisia laatueroja eri maantieteellisille alueille tai kasvupaikkatyypeille.

Pienpuun hyödyntäminen havuvanerin valmistuksessa

Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää pienpuun käytön vaikutuksia Pellos 1 ja Pellos 2 -havuvaneritehtaiden kannattavuuteen. Työssä tutkitaan myös sitä, miten suuria määriä pienpuuta Pellos 1:llä on mahdollista hyödyntää, ja millaisilla keinoilla sekä investoinneilla pienpuun sorvausta voidaan tehostaa. Tutkimuksessa esitettävät laskelmat perustuvat Pekka Hyttisen vuonna 2000 valmistuneen diplomityön koeajojen tuloksiin. Pienpuulla tarkoitetaan tässä yhteydessä latvaläpimitaltaan 170–220 millimetriä paksua tukkia. Kannattavuuslaskelmien tuloksena esitetään Pellos 1:n ja Pellos 2:n tuotantokapasiteetin, hyötysuhteen, muuttuvien kustannusten ja myyntikatteen muuttuminen puun latvaläpimittaluokan funktiona. Lisäksi vertaillaan Pellos 1:n ja Pellos 2:n tunnuslukujen välisiä suhteita ja selvitetään, kummalla tehtaalla pienpuun käyttö vanerin valmistuksen raaka-aineena on järkevämpää. Diplomityön toinen tutkimusosa koskee Pellos 1:llä käsiteltävän pienpuun maksimimäärää sekä tehtaan katkaisu- ja sorviosaston toimintaa. Pellos 1:n suurimpaan mahdolliseen pienpuun käsittelymäärään vaikuttaa teknisten ja tuotannollisten rajoitusten lisäksi myös tukkijakauman rakenne sekä pienpuun käytön lisäämisestä aiheutuva puuraaka-aineen lisätarve. Pienpuun käyttö nostaa katkaisu- ja sorviosastolla käsiteltävää puun kappalemäärää, minkä seurauksena koneiden prosessointinopeus joutuu koetukselle. Tutkimuksen lopussa käsitellään modernisointikohteita, joilla sorvauksen saantoa pystyttäisiin parantamaan ja sorvien toimintaa nopeuttamaan.

Ruostumattomien terästen kuitulaserleikkaus

Työ jakaantuu kirjalliseen tutkimukseen sekä kokeelliseen osaan. Työn kirjallisuustutkimus käsittelee laserleikkausta yleisesti ja kartoittaa tämän hetken tilannetta kuitulaserin mahdollisuuksista ruostumattomien terästen leikkauksessa. Työn kokeellinen osuus käsittelee ruostumattomien terästen kuitulaserleikkauksesta levypaksuuksilla 3 mm ja 6 mm. Kokeissa tutkitaan leikkauspään leikkaussuunnan mukaisen kulman muutoksen vaikutusta leikkausnopeuteen. Leikkauksissa määritetään neljälle eri leikkauspään kulmalle suurin mahdollinen leikkausnopeus.

Lastuttavuuskokeiden kartoitus ja suunnitelma m-terästen laadun testaamiseen soveltuvasta uudesta lastuttavuuspikakokeesta

Teräksen hyvällä lastuttavuudella tarkoitetaan useita eri tekijöitä, joita ovat esimerkiksi terän pitkä kestoikä, prosessin kannalta edullinen lastun muoto sekä lastuttavan kappaleen hyvä mittatarkkuus ja pinnan laatu. Materiaalin lastuttavuuden mittaamisella teräksen valmistaja pyrkii varmistumaan siitä, että asiakkaan teräkselle asettamat lastuttavuusvaatimukset täyttyisivät mahdollisimman hyvin. Tämä diplomityö on tehty Ovako Bar Oy Ab:lle Imatran terästehtaalle. Diplomityön tavoitteena oli kartoittaa olemassa olevat lastuttavuuskokeet ja laatia suunnitelma M-teräksen laadun testaamiseen soveltuvasta uudesta lastuttavuuskokeesta Ovakon yli 20 vuotta vanhan lastuttavuuskokeen eli Mq-kokeen tilalle. Mq-kokeen toimivuus on erittäin riippuvainen käytettävästä teräpalasta. Kyseisten teräpalojen valmistus on lopetettu eikä vastaavaa teräpalaa ole saatavilla. Tämän vuoksi oli tarve selvittää mahdollisuuksia korvata Mq-koe. Uuden lastuttavuuskokeen suunnittelua ohjaavat lastuttavuuskokeelle asetettavat vaatimukset, joita ovat luotettavuus, nopeus, helppokäyttöisyys ja pieni koemateriaalimäärän tarve. Tämän työn kirjallisuusosuudessa esitetyistä poraamalla, sorvaamalla ja jyrsimällä tehtävistä lastuttavuuskokeista ei löydy suoraa ratkaisua M-teräksen testaamiseen. Työn soveltavassa osuudessa esitetään kolme koevariaatiota uudeksi lastuttavuuskokeeksi. Ensimmäinen on Mq-koe täydennettynä sitä tukevilla lastuttavuuskokeilla ja siihen liittyvien ongelmien poistaminen. Toinen koevariaatio on pistosorvauskoe, ja kolmantena koekappaleen ja teräpalan väliseen resistanssiin perustuva koe. Kokeiden toimivuudesta M-teräksen testaukseen ei tarkalleen tiedetä, joten työssä on laadittu koejärjestely kokeiden toimivuuden testaamiseksi. Työn keskeisimpiä havaintoja on, että M-teräksen ja normaalin teräksen välinen ero terän kestoiässä mitattuna on kaventunut nykyaikaisten pinnoitettujen teräpalojen vuoksi. Tämä asettaa suuren haasteen uuden kokeen laadinnalle. Lyhyessä kokeellisessa osuudessa testattu pistosorvauskoe kuitenkin antoi myönteisiä tuloksia sen kehityspotentiaalista toimia M-teräksen lastuttavuuskokeena. Diplomityö antaa Ovakolle näkemyksiä erilaisista lastuttavuuskoe vaihtoehdoista ja niiden mahdollisista hyödyistä, haitoista ja mahdollisuuksista. Työssä esitettyjen vaihtoehtojen pohjalta pystytään laatimaan uusi lastuttavuuspikakoe.

Liiketoimintaprosessien analysointi ja kehityskohteiden tunnistaminen

Organisaatiot ovat viime vuosikymmeninä havainneet perinteisen, funktionaalisen, organisaatiorakenteen riittämättömäksi vastaamaan alati muuttuvan toimintaympäristön tuomiin haasteisiin. Ratkaisuna organisaatiot ovat alkaneet ajatella toimintaansa prosessikeskeisesti, jolloin toiminnot nähdään organisaation osastojen läpileikkaavina prosesseina. Tulevaisuuden menestyksen turvaamiseksi organisaatioiden tulee parantaa prosessien suorituskykyä jatkuvasti. Työn tutkimuskohteena on yksi case-yrityksen liiketoimintaprosesseista. Työn tavoitteena on analysoida valittua prosessia, tunnistaa mahdolliset kehityskohteet ja antaa tunnistetuille kohteille toimenpidesuositukset. Prosessianalyysia varten valittu liiketoimintaprosessi mallinnettiin. Tehtyjen prosessikuvausten, haastattelujen ja keskustelujen perusteella tunnistettiin prosessin kriittinen vaihe ja sen nykytilassa ilmenevät ongelmat. Tehdyn analyysin perusteella tunnistettiin prosessin ydinongelma sekä muita pienempiä kehityskohteita. Kaikille kehityskohteille annettiin lopuksi toimenpidesuositukset.

Hitsaustuotannon tehostaminen robotisoinnin avulla

Tuotannon tehostaminen ja tätä kautta saavutettava lisäkapasiteetti ja yksikkökustannusten aleneminen ovat seikkoja, joita täytyy jatkuvasti miettiä, jotta yrityksen kilpailukyky markkinoilla pysyy hyvänä ja liiketoiminta kannattavana. Keinoja tuotannon tehostamiseen on useita, mutta tässä työssä on keskitytty hitsaavan yrityksen hitsaustuotannon kehittämiseen ja keinoina on käytetty lähinnä hitsauksen ja leikkauksen robotisointia. Myös tehokkaampien hitsausprosessien hyödyntämistä on käsitelty teoreettisella tasolla. Työn teoriaosuudessa on pyritty käsittelemään robotisointia kokonaisvaltaisesti hankintapäätökseen vaikuttavista tekijöistä aina robotin käyttöönottoon ja robotin toiminnan tehostamiseen asti. Robotisoinnilla saavutettavia hyötyjä ja robotisoinnin aiheuttamia vaatimuksia on käyty läpi, ja myös robotisoinnin taloudellisen kannattavuuden arviointikeinoja on esitelty. Työn käytännön osuudessa on käsitelty robotisointia GaV Group Oy:n tuotannon kannalta. Tuotteiden robotisoitua hitsattavuutta on arvioitu, ja robotisoituun hitsaukseen sekä tekniseltä että vuosivolyymiltään sopivia tuotteita on esitelty ja robotille kertyviä vuosittaisia käyttötunteja arvioitu. Näiden seikkojen pohjalta on arvioitu myös robotti-investoinnin kannattavuutta. Työn viimeisenä vaiheena on määritetty yrityksen tarpeisiin parhaiten sopivan robottisolun sisältö ja konkreettinen sijainti tehtaassa.

Paperboard cup with a window

Packaging has to fulfill a lot of demands and the main purpose is to be able to protect the foodstuff packed inside. Typically requirements set on packaging materials reflect the consumer needs. Based on the consumer studies the importance of product visibility is considered as an important property among consumers. However, making the package more transparent the actual shelf life of the product might be reduced. It might have an effect on sensitive foods which contain ingredients vulnerable to light and start to deteriorate more rapidly. The aim for this Masters of Science Thesis was to develop a paperboard cup with a plastic window where different kind of fatty/dry foodstuffs could be stored. The main target was to be able to create an instruction manual how this kind of cup with a window had to be produced without decreasing air tightness and other barrier properties of cupboard material used as a base board. The focus in this work was on designing a shape of the window and finding critical limits for the size, shape and location of the window in the final paperboard cup. Windows were made by cutting holes with different sizes and shapes to different places in the cup blank by using a model cutter. For the windows one plastic film type was selected due to its low oxygen and water vapour transmission properties. The window film was attached to the cup blank by using hot bar and laser seaming methods. Cup manufacturing was done at Stora Enso InnoCentre, Imatra. As a result critical limits for the place, size and shape of the window could be found. The sealing method had a significant effect on the tightness of the cups. Windows didn’t decrease the grip stiffness of the cup. The cup itself gave better light protection than the plastic film used in the windows. The bigger the window, the less the cup could protect the possible foodstuff. Bursting strength was lower in the windows compared to the cup material itself. From environmental point of view DSD licence fees have to be paid due to the amount of used plastic.When using bigger windows the ratio of plastic to fibres increase. This would raise the DSD fee. However, the amount of material is overall reduced which lowers the fee.

Kuntouttavan työn kehitysmahdollisuudet ja taloudelliset vaikutukset metsäteollisuusyrityksessä

Metsäteollisuudessa henkilöstön keski-ikä on monen muun toimialan tavoin noussut merkittävästi viime vuosina. Samaan aikaan työt ovat monipuolistuneet, ja henkilöstöä on vähennetty kustannustehokkuuden nimissä. Osittain näiden tekijöiden seurauksena sairauspoissaolot ovat nousseet, ja niiden aiheuttamat kustannukset ovat vuosittain hyvin merkittävät. Lisäksi työkyvyttömyys- ja tapaturmaeläköitymisten kustannukset ovat keskimäärin nousseet uuden maksuluokkajärjestelmän käyttöönoton myötä. Sairauspoissaolojen alentamisen ja eläköitymisten ehkäisemiseksi on vuosien varrella hyödynnetty erilaisia käytäntöjä ja toimintamalleja, joiden vaikutusalueet vaihtelevat työturvallisuudesta työhönpaluun tukemiseen. Erilaisia uudelleensijoituksia ja työtehtävien räätälöintejä on mahdollisuuksien mukaan pyritty toteuttamaan, mutta näiden esteenä on pääosin ollut yhteistyön ja tiedon puute, haastava ajankohta, sekä erilaiset negatiiviset asenteet. Kuntouttavalla työllä tarkoitetaan eri osapuolten kanssa yhdessä sovittua, määräaikaista ja normaalista poikkeavaa toimintaa, jolla pyritään vähentämään osatyökykyisen työntekijän pitkiä poissaoloja sekä poistamaan mahdollinen varhaisen eläköitymisen uhka. Tämän tutkimuksen aikana kehitetyn kuntouttavan työn uuden toimintamallin tavoitteena on edelleen lisätä tietoisuutta ja yhteistyötä eri osapuolten välillä sekä vaikuttaa omalta osaltaan työnantajan sairauspoissaolojen ja eläköitymisten aiheuttamiin kustannuksiin.

Design and manufacture of a microdistillation column

Aim of this thesis was to design and manufacture a microdistillation column. The literature review part of this thesis covers stainless steels, material processing and basics about engineering design and distillation. The main focus, however, is on the experimental part. Experimental part is divided into five distinct sections: First part is where the device is introduced and separated into three parts. Secondly the device is designed part by part. It consists mostly of detail problem solving, since the first drawings had already been drawn and the critical dimensions decided. Third part is the manufacture, which was not fully completed since the final assembly was left out of this thesis. Fourth part is the test welding for the device, and its analysis. Finally some ideas for further studies are presented. The main goal of this thesis was accomplished. The device only lacks some final assembly but otherwise it is complete. One thing that became clear during the process was how difficult it is to produce small and precise steel parts with conventional manufacturing methods. Internal stresses within steel plates and thermal distortions can easily ruin small steel structures. Designing appropriate welding jigs is an important task for even simple devices. Laser material processing is a promising tool for this kind of steel processing because of the flexibility, good cutting quality and also precise and low heat input when welding. Next step in this project is the final assembly and the actual distillation tests. The tests will be carried out at Helsinki University of Technology.

Environmental policy instruments concerning industrial end-use energy efficiency

Energy efficiency and saving energy are the main question marks when thinking of reducing carbon dioxide emissions or cutting costs. The objective of thesis is to evaluate policy instruments concerning end-use energy efficiency of heavy industry in European Union. These policy instruments may be divided in various ways, but in this thesis the division is to administrative, financial, informative and voluntary instruments. Administrative instruments introduced in this thesis are Directive on Integrated Pollution Prevention and Control, Directive on Energy End-use Efficiency and Energy Services, and Climate and Energy Package. Financial means include energy and emission taxation, EU Emission Trading Scheme and diverse support systems. Informative instruments consist of horizontal BAT Reference Document for Energy Efficiency, as well as substantial EU documents including Green Paper on Energy Efficiency, Action Plan for Energy Efficiency and An Energy Policy for Europe. And finally, voluntary instruments include environmental managements systems like ISO 14001 and EMAS, energy auditing and benchmarking. The efficiency of different policy instruments vary quite a lot. Informative instruments lack the commitment from industry and are thus almost ineffective, contrary to EU Emission Trading Scheme, which is said to be the solution to climate problems. The efficiency of administrative means can be placed between those mentioned and voluntary instruments are still quite fresh to be examined fruitfully. However, each instrument has their potential and challenges. Cases from corporate world strengthen the results from theoretical part. Cases were written mainly on the basis of interviews. The interviewees praised the energy efficiency contract of Finnish industry, but the EU ETS takes the leading role of policy instruments. However, for industry the reductions do not come easily.

Treatment of oily wastewater by ultrafiltration: The effect of different operating and solution conditions

In many industries, such as petroleum production, and the petrochemical, metal, food and cosmetics industries, wastewaters containing an emulsion of oil in water are often produced. The emulsions consist of water (up to 90%), oils (mineral, animal, vegetable and synthetic), surfactants and other contaminates. In view of its toxic nature and its deleterious effects on the surrounding environment (soil, water) such wastewater needs to be treated before release into natural water ways. Membrane-based processes have successfully been applied in industrial applications and are considered as possible candidates for the treatment of oily wastewaters. Easy operation, lower cost, and in some cases, the ability to reduce contaminants below existing pollution limits are the main advantages of these systems. The main drawback of membranes is flux decline due tofouling and concentration polarisation. The complexity of oil-containing systems demands complementary studies on issues related to the mitigation of fouling and concentration polarisation in membranebased ultrafiltration. In this thesis the effect of different operating conditions (factors) on ultrafiltration of oily water is studied. Important factors are normally correlated and, therefore, their effect should be studied simultaneously. This work uses a novel approach to study different operating conditions, like pressure, flow velocity, and temperature, and solution properties, like oil concentration (cutting oil, diesel, kerosene), pH, and salt concentration (CaCl2 and NaCl)) in the ultrafiltration of oily water, simultaneously and in a systematic way using an experimental design approach. A hypothesis is developed to describe the interaction between the oil drops, salt and the membrane surface. The optimum conditions for ultrafiltration and the contribution of each factor in the ultrafiltration of oily water are evaluated. It is found that the effect on permeate flux of the various factors studied strongly depended on the type of oil, the type of membrane and the amount of salts. The thesis demonstrates that a system containing oil is very complex, and that fouling and flux decline can be observed even at very low pressures. This means that only the weak form of the critical flux exists for such systems. The cleaning of the fouled membranes and the influence of different parameters (flow velocity, temperature, time, pressure, and chemical concentration (SDS, NaOH)) were evaluated in this study. It was observed that fouling, and consequently cleaning, behaved differently for the studied membranes. Of the membranes studied, the membrane with the lowest propensity for fouling and the most easily cleaned was the regenerated cellulose membrane (C100H). In order to get more information about the interaction between the membrane and the components of the emulsion, a streaming potential study was performed on the membrane. The experiments were carried out at different pH and oil concentration. It was seen that oily water changed the surface charge of the membrane significantly. The surface charge and the streaming potential during different stages of filtration were measured and analysed being a new method for fouling of oil in this thesis. The surface charge varied in different stages of filtration. It was found that the surface charge of a cleaned membrane was not the same as initially; however, the permeability was equal to that of a virgin membrane. The effect of filtration mode was studied by performing the filtration in both cross-flow and deadend mode. The effect of salt on performance was considered in both studies. It was found that salt decreased the permeate flux even at low concentration. To test the effect of hydrophilicity change, the commercial membranes used in this thesis were modified by grafting (PNIPAAm) on their surfaces. A new technique (corona treatment) was used for this modification. The effect of modification on permeate flux and retention was evaluated. The modified membranes changed their pore size around 33oC resulting in different retention and permeability. The obtained results in this thesis can be applied to optimise the operation of a membrane plant under normal or shock conditions or to modify the process such that it becomes more efficient or effective.

Novel Robot Solutions for Carrying out Field Joint Welding and Machining in the Assembly of the Vacuum Vessel of ITER

It is necessary to use highly specialized robots in ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) both in the manufacturing and maintenance of the reactor due to a demanding environment. The sectors of the ITER vacuum vessel (VV) require more stringent tolerances than normally expected for the size of the structure involved. VV consists of nine sectors that are to be welded together. The vacuum vessel has a toroidal chamber structure. The task of the designed robot is to carry the welding apparatus along a path with a stringent tolerance during the assembly operation. In addition to the initial vacuum vessel assembly, after a limited running period, sectors need to be replaced for repair. Mechanisms with closed-loop kinematic chains are used in the design of robots in this work. One version is a purely parallel manipulator and another is a hybrid manipulator where the parallel and serial structures are combined. Traditional industrial robots that generally have the links actuated in series are inherently not very rigid and have poor dynamic performance in high speed and high dynamic loading conditions. Compared with open chain manipulators, parallel manipulators have high stiffness, high accuracy and a high force/torque capacity in a reduced workspace. Parallel manipulators have a mechanical architecture where all of the links are connected to the base and to the end-effector of the robot. The purpose of this thesis is to develop special parallel robots for the assembly, machining and repairing of the VV of the ITER. The process of the assembly and machining of the vacuum vessel needs a special robot. By studying the structure of the vacuum vessel, two novel parallel robots were designed and built; they have six and ten degrees of freedom driven by hydraulic cylinders and electrical servo motors. Kinematic models for the proposed robots were defined and two prototypes built. Experiments for machine cutting and laser welding with the 6-DOF robot were carried out. It was demonstrated that the parallel robots are capable of holding all necessary machining tools and welding end-effectors in all positions accurately and stably inside the vacuum vessel sector. The kinematic models appeared to be complex especially in the case of the 10-DOF robot because of its redundant structure. Multibody dynamics simulations were carried out, ensuring sufficient stiffness during the robot motion. The entire design and testing processes of the robots appeared to be complex tasks due to the high specialization of the manufacturing technology needed in the ITER reactor, while the results demonstrate the applicability of the proposed solutions quite well. The results offer not only devices but also a methodology for the assembly and repair of ITER by means of parallel robots.