Modulaarinen kiinnitintekniikka alumiiniveneiden robottihitsauksessa

Tällä hetkellä hitsauksen automatisointiaste on hyvin pieni alumiinivenevalmistuksessa. Automatisointiasteen kasvattaminen on ensiarvoisen tärkeää kilpailukyvyn säilyttämiseksi, sekä edelleen nostamiseksi. Automatisointiasteen kasvattamisen esteenä ei ole teknologian puute, vaan suunnitellut tuotteet soveltuvat huonosti robotisoituun hitsaukseen. Lisäksi liitettävien osien tarkkuus on monissa tapauksissa puutteellinen, joten robottihitsaus on monessa tapauksessa mahdotonta. Robottihitsauksessa vaaditaan osien hyvää paikoittamista ja siihen tarvitaan kiinnittimiä. Kuitenkin alumiinivenevalmistuksessa valmistusmäärät ovat sen verran pieniä, että tuotekohtaisia kiinnittimiä ei kannata hankkia tai valmistaa. Siksi kiinnittimiltä vaaditaan joustavuutta ja modulaarisuutta, jotta samalla kiinnittimellä voi hitsata useita vastaavia piirteitä omaavia tuotteita. Tässä työssä tutkittiin modulaarisia kiinnittimiä, edistyneitä kiinnitinsuunnitteluprosesseja, osavalmistustarkkuuksia, tuotemoduloinnin hyödyntämistä ja alumiinin robottihitsauksen erityispiirteitä. Työssä suunniteltiin ja simuloitiin modulaarinen hitsauskiinnitin, jota käytetään tietyn alumiinivenemallin erillisenä osakokoonpanona valmistettavan jäykisterakennekonseptin hitsaamiseen. Suunnittelu ja simulointi tehtiin Delmia V5R20 -ohjelmistolla. Jäykisterakenne on modulaarinen tuoterakenne, jossa käytetään itsepaikoittavia liitoksia helpottamaan osien asettelua ja yksinkertaistamaan kiinnitintä. Kiinnitin soveltuu joustavasti erikokoisten jäykisterakenneosakokoonpanojen valmistukseen. Lisäksi suunniteltua kiinnitintä verrattiin kaupalliseen modulaariseen Demmeler -kiinnitinjärjestelmään. Jäykisterakenteen osakokoonpanon hitsaaminen robotilla lyhentää valmistusaikaa verrattuna nykytilaan, kun osat voidaan asettaa kiinnittimeen nopeasti ja luotettavasti. Samalla jäykisterakenteen tekeminen erillisenä osakokoonpanona lyhentää veneen rungon loppukokoonpanoaikaa ja mahdollistaa hitsausrobotin käytön myös veneen muiden hitsien hitsaamisessa. Modulaarisilla hitsauskiinnittimillä saavutetaan alumiiniveneiden nykyisillä valmistusmäärillä skaalaetuja, joita tuotekohtaisella kiinnittimellä ei voi saavuttaa.

Alumiiniveneen rungon modulointi robottihitsauksen tehostamiseksi

Alumiiniveneiden valmistuksessa hitsauksen automatisointiaste on hyvin matala. Kilpailukyvyn säilyttämiseksi on tärkeää saada automatisointiastetta nostettua ja tätä kautta hitsauskustannuksia alennettua. Automatisoinnin esteenä ei ole teknologian puute, vaan ongelmana on alumiiniveneiden rakenteen huono soveltuvuus automatisoituun tuotantoon. Rakenteen kehittäminen modulaariseksi on yksi mahdollisuus tehostaa robottihitsausta venerunkojen valmistuksessa. Tässä diplomityössä tutkittiin modulaarisuutta, modulointiin johtavia tekijöitä sekä modulaarisuudella mahdollisesti saavutettavia etuja valmistavassa teollisuudessa ja erityisesti robottihitsauksessa. Lisäksi käsiteltiin modulointiin läheisesti liittyvää valmistus- ja kokoonpanoystävällistä suunnittelua. Työssä tehtiin modulointiesimerkki huviveneen rungon robottihitsauksen tehostamiseksi. Veneen runko ja siihen suunniteltu jäykisterakennemoduuli mallinnettiin käyttäen SolidWorks-ohjelmistoa sekä Delmia V5-ohjelmistoon sisällytettyä Catia V5-suunnitteluympäristöä. Suunnitellun modulaarisen rakenteen hitsattavuutta ja hitsaukseen kuluvaa aikaa simuloitiin Delmia V5-ohjelmistolla. Modulaarisen rakenteen avulla robottihitsattavuutta on mahdollista tehostaa erityisesti rungon sisäisen jäykisterakenteen osalta. Kun tuotteesta on suurempi osa hitsattavissa robotin avulla, on myös robotisointi-investoinnit kannattavampia. Modulaarisuuden avulla voidaan päästä myös pienillä tuotantomäärillä sarjatuotannon etuihin, kun samaa moduulia voidaan käyttää vähäisillä muutoksilla useammassa eri venemallissa.

Hitsatun alumiinikappaleen anodisointi

Tämän työn tarkoituksena oli selvittää, mitä on alumiinin pintakäsittelymenetelmä anodisointi ja kuinka se tapahtuu. Esille otettu esimerkkitapaus liittyy hitsatun alumiinin anodisointiin ja siinä ilmenneisiin ongelmiin.

Sähkögeneraattorin runkokappaleen valmistustekninen tarkastelu

Työssä tarkastellaan sähkögeneraattorin runkokappaleen valmistettavuutta. Työ on tehty eräälle yritykselle, joka jätetään mainitsematta. Työhön liittyvät valmistuskuvat ovat salaisia ja niiden yleinen esittely ei ole mahdollista. Yritys kehittää uutta sähkögeneraattorituoteperhettä ja generaattorin runkokappale halutaan mahdollisimman helpoksi ja kustannustehokkaaksi valmistaa. Sähkögeneraattoreita on tarkoitus valmistaa vuositasolla kymmeniä tai jopa pari sataa kappaletta. Mahdolliset valmistusmenetelmät on rajattu ennen työn aloittamista MAG-hitsaukseen ja valamiseen, niiden ollessa todennäköisimmät valmistusmenetelmät. MAG-hitsauksessa huomioidaan prosessin tehostamiskeinot ja robotisoidun hitsauksen mahdollisuus. Valaminen rajattiin hiekkavaluun, joka on kertamuottimenetelmä ja soveltuu yksittäiskappaletuotannosta aina sarjatuotantoon. Materiaaliksi hitsaukseen valittiin rakenneteräs S355 ja valettaviksi materiaalivaihtoehdoiksi pallografiittivaluraudat EN-GJS-400-15U ja EN-GJS-500. Teoriaosuudessa on esitelty teettäjän pyytämä valmistusmenetelmien perusteoria ja sen jälkeen on tarkemmin tarkasteltu hitsattavan ja valettavan runkokappaleen muotoiluun liittyvää teoriaa. Hitsattavan kappaleen robotisoituun hitsaukseen liittyy myös vahvasti kappaleenkäsittely ja hitsauskiinnittimet, jotka välillisesti vaikuttavat myös kappaleen muotoiluun. Tätä työtä kirjoitettaessa generaattori on suunnitteluvaiheessa. Runkokappale on suunniteltu valmistettavaksi levyosista hitsaamalla. Tämä kehitysversio analysoidaan Design for manufacturing and assembly -menetelmän keinoin, ja runkokappaleelle esitetään rakennemuutosehdotuksia, jotka parantavat kappaleen valmistettavuutta. Runkokappaleen valmistaminen valamalla vaatii tuotteen muodon valuteknisen tarkastelun. Lopuksi hitsausta ja valamista verrataan toisiinsa ja arvioidaan niiden ominaisuuksia keskenään. Työssä ei päädytä lopulliseen valmistusmenetelmän valintaan, koska ei ole tiedossa käytössä olevia laitteistoja. Laitteistot määräävät käytetyt rakenneratkaisut ja valmistusmenetelmät.

Hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset ja niiden hallinta alumiiniveneiden rakenteissa

Alumiiniveneissä hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset ovat usein erittäin haitallisia, koska niiden aiheuttamat mittamuutokset ja ulkonäölliset haitat alentavat tuotteen laatua sekä arvoa. Monissa tapauksissa myös hitsausliitoksen suorituskyky heikentyy ja lisäksi hitsausmuodonmuutokset voivat aiheuttaa toiminnallisia ongelmia alumiiniveneiden runkorakenteisiin. Tästä johtuen hitsausmuodonmuutosten hallinta ja minimointi ovat erityisen tärkeitä tekijöitä pyrittäessä parantamaan alumiiniveneiden laatua ja kustannustehokkuutta sekä kasvattamaan alumiinivenealan kilpailukykyä. Tässä diplomityössä tutkittiin robotisoidun kaasukaarihitsauksen aiheuttamia muodonmuutoksia sekä niiden hallintaa alumiinista valmistettujen työ- ja huviveneiden runkorakenteissa. Työssä perehdyttiin nykyaikaiseen alumiinivenevalmistukseen sekä hitsattujen rakenteiden yleisiin lujuusopin teorioihin ja käyttäytymismalleihin. Alumiinin hitsausmuodonmuutosten tutkimuksissa suoritettiin käytännön hitsauskokeita, joiden kohteina olivat alumiiniveneissä käytetyt rakenneratkaisut ja liitostyypit. Työn tavoitteena oli määrittää alumiinin hitsauksessa syntyviin muodonmuutoksiin keskeisesti vaikuttavia tekijöitä ja parametreja. Tutkimustulosten perusteella pyrittiin esittämään ratkaisuja alumiiniveneiden rakenteisiin aiheutuvien hitsausmuodonmuutosten vähentämiseksi ja hallitsemiseksi. Alumiinirakenteissa hitsausmuodonmuutokset ovat hyvin tapauskohtaisia, koska usein niiden syntyminen määräytyy monen tekijän yhteisvaikutuksesta. Teräsrakenteille käytetyt yleiset analyyttiset laskentakaavat ja käyttäytymismallit eivät sovellu suoraan alumiinirakenteille, mikä johtuu alumiinin erilaisista materiaaliominaisuuksista ja käyttäytymisestä hitsauksen aikana. Tulevaisuudessa empiiristen koejärjestelyiden ja analyyttisten mallien lisäksi sovellettavan numeerisen elementtimenetelmän avulla voidaan parantaa alumiinin hitsauksessa aiheutuvien muodonmuutosten kokonaisvaltaista hallintaa.

Hitsauksen tehostaminen robotisoinnin käyttöönotolla

Kansainvälisen kilpailun kiristyessä yritysten on tehostettava tuotantoaan kustannusten alentamiseksi. Eräs tehostamisen keino on tuotannon automatisointi. Tässä diplomityössä käsitellään hitsauksen tehostamista robottiaseman käyttöönotolla GaV Group Oy:ssä. Työn tarkoituksena on tuoda esille oleellisimmat uuden valmistusteknologian tehokkaaseen käyttöönottoon kuuluvat asiat. Teoriaosassa käsitellään robottisolun investoinnin jälkeisiä toimenpiteitä esivalmistelusta, käyttöönotosta ja tuotannon stabiloinnista. Pääpaino teoriaosuudessa on esivalmistelulla, jolla on suurin vaikutus uuden teknologian käyttöönotossa. Lisäksi teoriaosuudessa käydään läpi laadunvarmistuksen pääperiaatteet, turvallisuusnäkökulmat ja muutoksen mittareiden määrittäminen. Käytännön osiossa on esitelty robottisolun käyttöönotto kohdeyrityksessä. Työn alussa valittiin robotisoidusti hitsattavat kappaleet, parannettiin mahdollisuuksien mukaan konstruktioita paremmin robotisoituun hitsaukseen soveltuviksi ja rakennettiin niille hitsauskiinnittimet. Robotilla tuotteille etsittiin sopivat parametrit ja tehtiin hitsausohjelmat tämän työn puitteissa. Työssä esitellään myös tuotannon käynnistyminen laatuongelmineen ja tuotannon tunnusluvut. Hitsauksen lisäksi robottiin liitettiin esivalmistuksen laadun takaamiseksi hienosädeplasma, jolla aukotetaan robotilla hitsattavia tuotteita. Hienosädeplasmalla saadaan entistä tarkemmat ja railopinnoiltaan siistit reiät yhteille, joka on välttämätöntä robotisoidussa hitsauksessa.

Railonvalmistusmenetelmät alumiinin hitsauksessa

Tämä kandidaatintyö liittyy Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa 2008-2011 käynnissä olevaan Tekesin tutkimushankkeeseen ”Alumiiniveneen hitsauksen automatisointi”. Tällä hetkellä Suomessa pienemmät veneenrungot hitsataan käsin, sillä robottihitsauksessa tulee ongelmaksi hitsin luokse pääseminen, etenkin kokoonpanohitsauksessa. Automaatiohitsauksessa myös tarvitaan huomattavasti tarkemmat railotoleranssit kuin käsinhitsauksessa, koska hitsausrobotti on sokea hitsausliitosten poikkeamille. Hitsauksen automatisoinnilla pyritään nostamaan nykyistä tuotantokapasiteettia ja yleisesti parantamaan alumiinirakenteiden hitsien laatua. Työn tarkoituksena on tutkia erilaisia railonvalmistusmenetelmiä alumiinin hitsausta varten, sekä casena pohtia railonvalmistusmenetelmien soveltuvuutta robotisoituun MIG-hitsaukseen alumiinisessa veneenrungossa. Työssä pohditaan hitsauksen, sekä robotisoidun hitsauksen railonvalmistukseen soveltuvia leikkausmenetelmiä, railonvalmistusta yleisesti, toleransseja, alumiinin työstöominaisuuksia, sekä leikkausmenetelmien taloudellisuutta. Työssä käsitellään railovaatimuksia mm. MIG-, TIG-, plasma-, sekä laserhitsaukselle.

WiseRoot-prosessilla hitsatun päittäisliitoksen väsymislujuus

Työssä tutkittiin Kempin WiseRoot-prosessilla hitsattujen päittäisliitosten väsymiskestävyyttä laboratoriokokein ja väsymiskestävyyden mitoitusmenetelmillä. WiseRoot-hitsausprosessi on räätälöity lyhytkaariprosessi juuripalkojen hitsaukseen yhdeltä puolelta. Väsytyskoekappaleissa käytettiin eri lujuusluokan rakenneteräksiä sekä materiaalipaksuuksia. Mantsinen Group Ltd Oy hitsasi lisäksi yhdeltä ja kahdelta puolelta hitsattuja vertailukappaleita normaalilla MAG-hitsausprosessilla. Väsymismitoitus tehdään yleisesti perustuen väsymisluokkiin, joten väsytyskokeilla ja mitoitusmenetelmillä saatuja tuloksia tarkasteltiin näiden luokitusten avulla. Tuloksia vertailtiin sekä keskenään että standardeista löytyviin väsymisluokkasuosituksiin. Väsymiskestävyyden mitoitusmenetelmistä työssä käytettiin nimelliseen jännitykseen, teholliseen lovijännitykseen ja paikalliseen venymään perustuvaa menetelmää sekä murtumismekaniikkaa. Laboratoriokokeiden perusteella voidaan todeta, että WiseRoot-hitsausprosessilla on mahdollista tuottaa yhdeltä puolelta päittäisliitos, jonka väsymiskestävyys on verrattavissa kahdelta puolelta hitsattuun päittäisliitokseen. Mitoitusmenetelmillä saadut tulokset olivat pääsääntöisesti konservatiivisia verrattuna koetuloksiin. Ainoastaan paikalliseen venymään perustuvalla menetelmällä saadut väsymisluokat olivat suurempia kuin väsytyskoetulosten perusteella lasketut väsymisluokat.

Hitsauskoneen kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen

Teollisuuden kasvavien laatuvaatimusten johdosta valmistava teollisuus joutuu tiukentamaan laatuvaatimuksiaan täyttääkseen asiakasvaatimukset. Laatujärjestelmät asettavat valmistajille erilaisia vaatimuksia, kuten valmistuksessa käytettävien laitteistojen huoltodokumentaatioiden tuottaminen. Standardi SFS-EN ISO 3834-2 Metallien sulahitsauksen laatuvaatimukset: Kattavat laatuvaatimukset tuo edellä mainitut vaatimukset myös hitsaustuotantoon. Ennakoivaa kunnossapitoa käytetään monilla teollisuuden aloilla, koska tuotannon yllättävät keskeytymiset halutaan ennaltaehkäistä. Käsinhitsaukseen ei ole ollut toistaiseksi työkaluja, jotka mahdollistaisivat ennakoivan kunnossapidon hitsauskoneille. Kemppi Oy kehittää hitsauksen monitorointiratkaisua, jonka yhtenä päämääränä on kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen hitsauslaitteistolle. Järjestelmä ottaa huomioon myös laatujärjestelmien asettamat vaatimukset hitsauskoneiden huoltodokumentaation tuottamisesta. Diplomityön tavoitteena oli tehdä vaatimusmäärittely hitsauskoneiden kunnonvalvontajärjestelmälle. Tässä diplomityössä perehdyttiin kunnossapidon ja vikaantumisen lajeihin, laatujärjestelmiin sekä hitsauslaitteistoon. Tutkimuksessa syvennyttiin hitsauskoneiden kunnossapidon ja vikaantumistapauksien kautta suunnitteilla olevan järjestelmän tarpeisiin. Haastatteluiden avulla kartoitettiin hitsauslaitteiden kunnonvalvontajärjestelmältä vaadittavia piirteitä, järjestelmälle asetettavia vaatimuksia sekä järjestelmän monitorointikohteita. Tutkimuksen pohjalta laadittuun vaatimusmäärittelyyn saatiin muodostettua toiminnalliset vaatimukset, joista muodostetaan tuotekehityksen aikana tuotteen ominaisuudet. Lisäksi vaatimusmäärittelyyn luotiin käyttäjäryhmät, käyttötapaukset sekä alustavat monitorointikohteet. Vaatimusten täyttämiseksi kunnonvalvontajärjestelmään on suunnitteilla myös laitetietokanta, johon sisällytetään hitsauslaitteille suoritettujen huoltojen ja validointien tiedot. Varsinaisen tuotekehitystyön alkaessa nyt laadittua vaatimusmäärittelyä tullaan käyttämään suuntaviivojen näyttäjänä projektissa.

Hitsausvirtalähteen ohjaus lämmöntuonnin ja jatkuvan jäähtymisen S-käyrän perusteella

Lämmöntuonnilla on oleellinen vaikutus hitsausliitoksen ominaisuuksiin, koska se vaikuttaa liitoksen jäähtymisnopeuteen, jolla on puolestaan suuri vaikutus jäähtymisessä syntyviin mikrorakenteisiin. Jatkuvan jäähtymisen S-käyrältä voidaan ennustaa hitsausliitokseen syntyvät mikrorakenteet. S-käyrät voidaan laatia hitsausolosuhteiden mukaisesti, jolloin faasimuutoskäyttäytyminen sularajalla saadaan selvitettyä. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää hitsausvirtalähteen ohjaustapaa lämmöntuontiin ja jatkuvan jäähtymisen S-käyriin perustuen. Jatkuvan jäähtymisen S-käyrillä ja lämmöntuontiin perustuvalla hitsausparametrien säädöllä on yhteys. Työssä tutkittiin, miten haluttuun jäähtymisnopeuteen johtava lämmöntuonti voidaan määrittää S-käyrälle luotettavasti. Työssä perehdyttiin jatkuvan jäähtymisen S-käyriin ja eri jäähtymisnopeuksilla hitsausliitokseen syntyviin mikrorakenteisiin sekä hitsaus-inverttereiden ohjaus- ja säätötekniikkaan. Teoriaosuuden jälkeen tarkasteltiin eri vaihtoehtoja, miten hitsattavan materiaalin koostumusvaihtelut sekä lämmöntuontiin vaikuttavat tekijät voidaan ottaa huomioon virtalähteen ohjauksessa lämmöntuonnin perusteella. S-käyrältä määritettyjen lämmöntuonnin arvojen perusteella tehtiin kahdet koehitsaukset, joissa käytettiin kolmea eri aineenpaksuutta. Tulosten perusteella arvioitiin lämmöntuonnin arvojen toimivuutta käytännössä ja tutkittiin liitokseen syntyviä mikrorakenteita. Tutkimuksen pohjalta esitettiin jatkokehitystoimenpiteitä, joiden mukaan voidaan edetä lämmöntuontiin perustuvan säätöjärjestelmän kehitysprojektissa.

Hitsaustuotannon kehittäminen verkostoyrityksessä

Tässä diplomityössä tarkasteltiin Total Welding Management -menetelmän soveltamista verkostoituneeseen toimintaan. TWM on menetelmä hitsaustuotannon kehittämiseen ja se on tarkoitettu käytettäväksi tilanteessa, jossa yksi yritys vastaa sekä suunnittelusta että hitsauksesta. Verkostoituneessa hitsaustuotannossa tuotteen suunnittelu ja hitsaus eivät välttämättä ole kokonaan saman yrityksen vastuulla. Se tuo oman haasteensa TWM:n implementointiin. Työssä käytiin läpi verkostojen ja TWM:n teoriaa, sekä pohdittiin mahdollisia ongelmia TWM:n soveltamisessa verkostoihin. Käytännön osuudessa TWM:n avulla kehitettiin esimerkkituotteen, jonka suunnittelusta ja hitsauksesta vastaa kaksi eri yritystä, hitsaustuotantoa. Suunnitelluilla kehitystoimenpiteillä arvioitiin olevan mahdollista lyhentää tuotteen valmistusaikaa 11,9 %. Lisäksi todettiin, että TWM soveltuu käytettäväksi myös verkostoissa, vaikkakin se tuo mukanaan lisähaasteita.

Laatu ja tuottavuus hitsaavassa verkostossa

Diplomityössä tarkastellaan laadun ja tuottavuuden parantamisen keinoja hitsaavassa verkostossa MIG/MAG-hitsauksen osalta. Työn taustalla vaikuttaa Total Welding Management -menetelmä, mikä on hitsaustoimintojen kokonaisvaltaiseen johtamiseen ja hallintaan kehitetty toimintamalli. Työn teoriaosassa käsitellään laatuajattelua ja yritysyhteistyötä hitsaavan teollisuuden yrityskentässä sekä hitsauskustannuksiin vaikuttavia tekijöitä. Tutkimusosuus sisältää yritysverkoston nykytilan tarkastelun sekä kehitystoimenpiteitä kohti verkoston yhteistä toimintamallia saavuttaa tehokas ja kannattava yhteistyö. Hitsaustyön kustannukset määritetään suurelta osin suunnittelussa. Laatuun voidaan vaikuttaa merkittävästi hitsaustyötä edeltävissä toiminnoissa sekä hitsaajan työn tukemisella. Kokonaisvaltaisen hyödyn saavuttaminen hitsaustyön tuottavuuden parantamisessa vaatii kaikkien toimintojen tarkastelua sen sijaan, että tehostetaan vain hitsaamon toimintaa. Itse hitsaus voi olla vain pieni osa hitsaustoimintojen kokonaishallintaa. Toimintamallin luominen laadunvarmistukseen, suunnittelun ja valmistuksen yhteistyöhön sekä hitsaustoimintojen hallintaan mahdollistaa hitsaavan verkoston toiminnan tehostamisen sekä laadun paranemisen. Tämä saavutetaan viemällä toimintamalli osaksi jokapäiväistä työtä, lähelle valmistusta, ja ohjeistamalla, että jokainen tietää kuinka toimia. Esimerkiksi työssä tarkastellun yhden tuotteen osalta ohjeistus turhan työn vähentämiseksi tuotti 19 % tuotannon kasvun työvuoron aikana. Tilaus-toimitusketjun tuottavuuteen ja kannattavuuteen voidaan vaikuttaa merkittävästi käymällä läpi konkreettisesti valmistettavat tuotteet ja niihin liittyvät toiminnot. Diplomityössä tehtyjen tarkastelujen ja havaintojen avulla käytännön työ tulee jatkumaan yritysverkostossa tapahtuvassa kehitystyössä.