Toimintasuunnitelman laatiminen ohutlevytuotteita ja hitsauskokoonpanoja valmistavalle yritykselle

Tämän diplomityön tavoitteena oli luoda ohutlevytuotteita ja hitsauskokoonpanoja valmistavalle yritykselle kokonaisvaltainen toimintasuunnitelma ja esitellä erilaisia tuotantomalleja case-esimerkkien avulla. Työn aikana kartoitettiin yrityksennykytilannetta ja ongelmakohtia, pohdittiin nykyistä konekantaa ja löytyneitä pullonkauloja. Lisäksi suunniteltiin korjaustoimenpiteitä ja mitä tulisi tehdä, kun tulevaisuudessa yrityksen liikevaihto tulee kasvamaan ja yritystä tullaan laajentamaan. Pääpaino oli myös laskelmilla, joissa selvitettiinmahdollisten investointien tuntihintaa. Tuntihinnan avulla laadittiin taulukoita, joiden avulla ulosmyyntihinta on helppo määrittää. Tuntihinta kytkettiin sijoitetulle pääomalle haluttuun tuottoprosenttiin.

Kokoonpanon kehittäminen tuulivoimalakoneikkojen valmistuksessa

Tämä diplomityö on tehty Hollming Works Oy:n Loviisan yksikölle. Työn tekovaiheessa yrityksessä oltiin aloittamassa tuulivoimalakoneikkojen sarjatyönä tapahtuvaa kokoonpanoa. Työn tavoitteena oli kehittää koneikkojen kokoonpanoverstaan toimintaa. Ennen työn alkua yritykseen oli perustettu tuulivoimalakoneikkojen kokoonpanoon tuoteverstas. Verstaalla kootaan raskaita osakokoonpanoja, jotka lopulta yhdistetään koneikoksi, jota kutsutaan myös naselliksi. Tämän jälkeen varusteluvaiheessa koneikkoon asennetaan mm. erilaisia sähköisiä ja hydraulisia järjestelmiä. Varusteluvaiheen päätteeksi koneikon toiminta testataan. Viimeisenä vaiheenakoneikon päälle asennetaan lasikuitukuori. Työn alkuosassa on käyty läpi tuotannon- ja materiaalinohjauksen perusteita, kokoonpanon kehittämistä ja layout-suunnittelua, jonka pohjalta tuulivoimalaverstaalle tehtiin kokoonpanosoluihin perustuva layoutsuunnitelma. Tuotannonohjaus suunnitelmassa perustuu kapeikko-ohjaukseen. Tuotannon kapeikon muodostava varusteluvaihe imee aiemmista vaiheista osakokoonpanot. Varusteluvaiheen ja testauksen jälkeen koneikko siirtyytyöntöohjatusti lasikuitukuoren asennukseen. Järjestelmässä pyritään tehokkaaseen tilankäyttöön, lyhyeen läpäisyaikaan ja vähäiseen keskeneräisen tuotannon määrään.

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.

Welding time models for cost calculations in the early stages of the design process

It is generally accepted that between 70 and 80% of manufacturing costs can be attributed to design. Nevertheless, it is difficult for the designer to estimate manufacturing costs accurately, especially when alternative constructions are compared at the conceptual design phase, because of the lack of cost information and appropriate tools. In general, previous reports concerning optimisation of a welded structure have used the mass of the product as the basis for the cost comparison. However, it can easily be shown using a simple example that the use of product mass as the sole manufacturing cost estimator is unsatisfactory. This study describes a method of formulating welding time models for cost calculation, and presents the results of the models for particular sections, based on typical costs in Finland. This was achieved by collecting information concerning welded products from different companies. The data included 71 different welded assemblies taken from the mechanical engineering and construction industries. The welded assemblies contained in total 1 589 welded parts, 4 257 separate welds, and a total welded length of 3 188 metres. The data were modelled for statistical calculations, and models of welding time were derived by using linear regression analysis. Themodels were tested by using appropriate statistical methods, and were found to be accurate. General welding time models have been developed, valid for welding in Finland, as well as specific, more accurate models for particular companies. The models are presented in such a form that they can be used easily by a designer, enabling the cost calculation to be automated.

Pakkaustoimintojen kehittäminen painesuodattimien toimitusprosessissa

Tutkimuksen tavoitteena oli löytää kustannustehokkaat paketointiratkaisut painesuodattimien vientitoimituksiin ja laatia näiden edellyttämä ohjeistus suunnittelijoiden käyttöön. Laaja markkina-alue ja kuljetuksen kannalta haastavat toimituskohteet tekevät painesuodattimien toimituslogistiikan ja pakkauskäytännön yhtenäistämisestä vaikean tehtävän. Lisäksi pakkauksia ja rahdin kuljetusta säätelevät monet lait, joiden välillä on suuria eroja maittain. Pakkaamiskustannuksista suurin osa sidotaan suunnitteluvaiheessa. Tästä syystä ohjeistus pakkaamisen tuotteille asettamista vaatimuksista on saatava kaikkien suunnittelutyötä tekevien käyttöön ja pakattavuus on otettava yhdeksi suunnittelukriteeriksi jo "tuotteen ideointivaiheessa. Kuljetuskokoonpanojen mittojen suunnittelussa on huomioitava kaikki kuljetusketjun vaiheet tehtaan lattialta asennuspaikalle. Tuotesuunnittelussa on syytä varautua useampiin erilaisiin purkuasteisiin. Toimituksissa pyritään kuitenkin yleensä kuljettamaan suodattimet mahdollisimman kokonaisina. Kuljetuspakkausten tulee täyttää niille asetetut vaatimukset, jotta vältytään vahingonkorvausseuraamuksilta ja saavutetaan haluttu toimitusvarmuus. Tämä tarkoittaa riittävää rakenteellista kestävyyttä ja tarvittavaa suojausta esimerkiksi korroosiota vastaan. Oikeaoppinen pakkausten merkintä ja dokumentointi pienentävät kuljetushävikkiä ja mahdollistavat oikea-aikaiset kuljetukset.

Teräspalkkirakenteiden palomitoitus hiilivetypalossa

Työn tavoitteena oli kehittää teräspalkkirakenteiden palosuunnittelua ja palosuojauksen toteutusta öljynjalostamolla käytettävien kantavien teräspalkkirakenteiden osalta. Lisäksi tavoitteena oli luoda suunnitteluohjeen runko palomitoituksen toteuttamiseksi Neste Engineering Oy:ssä. Ongelmakohtia työssä olivat rakenteiden kapasiteettien tarkka määritys, toimivien toteutusratkaisujen etsiminen, sekä öljynjalostamolla mitoituspalona käytettävän hiilivetypalon SFS-ENV-1992-1-2 käyttö yleisemmin mitoituspalona käytettävän standardipalo ISO-834 sijaan. Työssä perehdyttiin kirjallisuuden perusteella eri palosuojausmenetelmiin. Tarkemman jatkotutkimuksen kohteeksi otettiin jo käytössä hyväksi havaittu teräsputkipalkkien sisäpuoleinen betonitäyttö. Menetelmässä teräsputkipalkin oletetaan kantavan kuormat normaalitilassa ja sisällä olevan raudoitetun betonin palossa. Palkkirakenteiden kapasiteettimitoitus määritettiin laskennallisesti poikkileikkauksille. Mitoitus perustuu palkissa tapahtuvien sisäisten venymien ja puristumien tarkasteluun, sekä poikkileikkauksen tarkan lämpötilajakauman huomioimiseen. Raudoitustankojen ankkurointia palkki-pilari-liitoksessa kehitettiin valmistuksen kannalta yksioikoisemmaksi ja helpommin toteutettavaksi. Palkkien raudoituksiin suunniteltiin kierremuhvijatkoksella toteutettava ankkurointimenetelmä, jolla palkkien raudoitustangot saadaan ankkuroitua täydestä kapasiteetistaan tapauskohtaisesti pilarin vastakkaisella puolella olevaan palkkiin tai ankkurointikappaleella pilariin. Teräsputkipilarin betonivalun vaihtoehtoisiin menetelmiin tutustuttiin. Pilarin alapäähän asennettavan venttiilin läpi tapahtuva täyttö helpottaa betonointityövaihetta. Tutkimuksen tuloksena luotiin suunnitteluohjeen runko, jonka pohjalta voidaan tehdä lopullinen ohje. Myös työn tuloksena saatu laskentaohjelma palkkien momentti-kapasiteetin ja pilarin nurjahduskuorman laskemiseksi helpottaa suunnittelua. Raudoituksen ankkurointiin ja betonointiin esitettyjen menetelmien toimivuus on syytä kokeilla käytännössä ja tehdä jatkokehitys näistä saatavien kokemusten pohjalta.

Assessment of meshing techniques for fatigue analysis of load carrying welded joints using the effective notch approach

The effective notch stress approach for the fatigue strength assessment of welded structures as included in the Fatigue Design Recommendation of the IIW requires the numerical analysis of the elastic notch stress in the weld toe and weld root which is fictitiously rounded with a radius of 1mm. The goal of this thesis work was to consider alternate meshing strategies when using the effective notch stress approach to assess the fatigue strength of load carrying partial penetration fillet-welded cruciform joints. In order to establish guidelines for modeling the joint and evaluating the results, various two-dimensional (2D) finite element analyses were carried out by systematically varying the thickness of the plates, the weld throat thickness, the degree of bending, and the shape and location of the modeled effective notch. To extend the scope of this work, studies were also carried out on the influence of

Eristekourujen ponttauslaitteen suunnittelu

Diplomityössä suunnitellaan eristekourujen ponttauslaite, jolla pystytään ponttaamaan eristekouruja. Pontattavien eristekourujen pituus ja halkaisija muuttuvat. Suunnittelun lähtökohtana on nykyisin käytössä olevien ponttauslaitteiden ergonomia- ja työturvallisuusongelmat. Työssä käydään läpi erilaisia mahdollisuuksia ponttauslaitteen toteutukseen ja kehitellään kaksi periaatteellista ratkaisua toimiviksi kokoonpanoiksi. Kokoonpanoista valitaan perustellusti parempi vaihtoehto jatkokehitykseen ja se kehitellään valmiiksi ponttauslaitteeksi. Työ käsittää laitteen mekaniikkasuunnittelun, automaatiosuunnittelu rajataan työn ulkopuolelle. Työn eteneminen seuraa järjestelmällisen koneensuunnitteluprosessin vaiheita. Lopputuloksena suunniteltiin laite, joka toteuttaa sille asetetut suoritusvaatimukset. Suunniteltu laite on turvallinen ja ergonomiset vaatimukset täyttävä. Lisäksi laitteen rungolle tehtiin värähtelytarkasteluja, joiden perusteella analysoitiin ominais- ja herätetaajuuksien suhteita sekä rungon jäykistämisen vaikutuksia.

Kolmiulotteisen konenakojärjestelmän soveltuminen matkapuhelimen alikokoonpanojen testaukseen massatuotannossa

Tässä diplomityössä tutkitaan kolmiulotteisen konenak6järjestelmän soveltuvuutta matkapuhelimien alikokoonpanojen testaukseen massatuotannossa. Tavoitteena oli saada tietoa 3D järjestelmän käytettävyydestä suorituskyvyn ja kapasiteetin suhteen sekä selvittää järjestelmän joustavuutta testattavia tuotteita vaihdettaessa. Haluttiin myös selvittää, että ratkaiseeko 3D järjestelmä käytössä olevan 2D järjestelmän kanssa ilmenneitä ongelmia Järjestelmän suorituskykyä tutkittiin tekemällä testiajoja, joista saatuja tuloksia analysoitiin tilastollisella laadunvalvontaohjelmistolla. Varsinaisen kehitystyön teki konenäköjärjestelmiin erikoistunut alihankkija, jolla on kokemusta 3D testauksesta muilta teollisuuden aloilta. Matkapuhelimien alikokoonpanojen testauksessa laatukriteerit ja tarkkuusvaatimukset ovat kuitenkin liian kovia saavutettaviksi 3D lasertriangulaatioon perustuvaa testausjärjestelmää käytettäessä

Assembly Methods of Permanent Magnets for Synchronous Generators

This thesis examines and explains the procedure used to redesign the attachment of permanent magnets to the surface of the rotor of a synchronous generator. The methodology followed to go from the actual assembly to converge to the final purposed innovation was based on the systematic approach design. This meant that first a series of steps had to be predefined as a frame of reference later to be used to compare and select proposals, and finally to obtain the innovation that was sought. Firstly, a series of patents was used as the background for the upcoming ideas. To this end, several different patented assemblies had been found and categorized according the main element onto which this thesis if focused, meaning the attachment element or method. After establishing the technological frame of reference, a brainstorm was performed to obtain as many ideas as possible. Then these ideas were classified, regardless of their degree of complexity or usability, since at this time the quantity of the ideas was the important issue. Subsequently, they were compared and evaluated from different points of view. The comparison and evaluation in this case was based on the use of a requirement list, which established the main needs that the design had to fulfill. Then the selection could be done by grading each idea in accordance with these requirements. In this way, one was able to obtain the idea or ideas that best fulfilled these requirements. Once all of the ideas were compared and evaluated, the best or most suitable idea or ideas were separated. Finally, the selected idea or ideas was/were analyzed in extension and a number of improvements were made. Consequently, a final idea was refined and made more suitable at its performance, manufacture, and life cycle assessment. Therefore, in the end, the design process gave a solution to the problem pointed out at the beginning.

Valmistuskustannusten arviointi ja kustannustiedon käyttö valmistusystävällisyyteen tähtäävässä tuotekehityksessä

Työn tarkoituksena oli tutkia menetelmiä koneiden valmistuskustannusten arvioimiseksi ja hyödyntää kustannustietoa tuotekehitysprosessissa. Taloudellisen suunnittelun menetelmäksi valittiin DFMA -menetelmä. DFMA -menetelmä on suunnittelustrategia, jonka tarkoituksena on ottaa huomioon suunniteltavan tuotteen valmistuskustannukset ja valmistettavuus mahdollisimman aikaisessa tuotekehitysprosessin vaiheessa. Työn soveltavassa osassa käsiteltiin Rauten uutta puristinlinjaa, jolle arvioitiin valmistuskustannukset. Jatkokehitys kohdennettiin kustannusten painopistealueisiin kokoonpanossa ja valituille kokoonpanoille tehtiin muutoksia valmistuskustannusten pienentämiseksi. Kehitetyille kokoonpanoille arvioitiin uudet valmistuskustannukset ja puristimen mekaanisissa osissa saatiin valmistuskustannuksia pienennetyksi n. 22,6 %, joka oli n. 8,5 % koko puristinlinjan yhteenlasketuista kokonaiskustannuksista. Valmistuskustannusten arvioiminen koneen jokaista komponenttia kohden todettiin olevan liian työlästä. Arviointityön helpottamiseksi alettiin kehittää kustannusten arviointijärjestelmää, jonka avulla koneen muuttuvat materiaali- ja osto-osista aiheutuvat kustannukset saataisiin arvioiduksi. Materiaali ja osto-osien kustannukset aiheuttavat yleensä suurimman osan koko koneen valmistuskustannuksista, joten muista valmistusvaiheista kuten kokoonpanosta, koneistuksesta jne. aiheutuvat kustannukset voidaan arvioida karkeammin.

Reducing Manufacturing Costs of the Screen Dryer’s Hot Section by Design

In this thesis, the purpose was to find the cost distribution of the screen dryer and the largest cost factors. The hot section of the screen dryer was revealed as the biggest cost factor, so composing new cost efficient solutions were directed to it. DFMA (Design for Manufacture and Assembly) was chosen to help the design process. DFMA is a product design strategy developed for taking manufacturing and assembly costs into account at the early stages of the design process. In the theory part of the thesis, other methods of economical design and tools needed for estimating manufacturing costs are introduced. In the empirical part, the hot section of the screen dryer was divided into sub-assemblies and their manufacturing costs were estimated. The design propositions were directed to the self-manufactured assemblies and parts. The new manufacturing costs were calculated for the developed propositions. Lastly, the most cost efficient solutions were summarized. The savings on the self-manufactured assemblies were about 40 %, which was about 13 % of the combined total costs of the hot section.

Happidispersion karakterisointi laboratoriosekoittimessa

Työn tarkoituksena oli tarkastella uutta kuvantamistekniikkaa käyttäen happikaasun dispergointia keskisakeuksisen massasuspension joukkoon laboratoriosekoittimessa. Työssä pyrittiin tarkastelemaan muodostuvan dispersion homogeenisuutta neljästä eri kuvauspisteestä sekoittimen kannesta ja kyljestä. Samalla tarkasteltiin myös sekoittimen tehonkulutusta sekä tehonkulutuksen ja aikaansaadun dispersion välistä yhteyttä. Työn yhtenä tarkoituksena oli myös tarkastella uuden kuvantamistekniikan mahdollisuuksia tämäntyyppisissä sovellutuksissa, sillä työ kuuluu PulpVision-projektiin, jossa kehitetään massa- ja paperiteollisuuden uusia konenäkösovellutuksia. Työn kokeellinen osuus koostui sekoituskokeista, joissa tarkasteltiin neljästä kuvauspisteestä kahdella sekoittimen nopeudella mänty- ja koivususpensioihin muodostuvaa kuplakokojakaumaa. Sekoituskokeiden lisäksi tehtiin tehonkulutuskokeita, joissa tarkasteltiin sekoittimen tehonkulutusta sekoittimen täyttöasteen funktiona koivu- ja mäntysuspensioilla sekä vedellä. Työn tuloksien perusteella todettiin, että koivususpensiosta havaittujen kuplien pinta-ala oli noin puolet mäntysuspensiosta havaittujen kuplien pinta-alasta. Sekoittimen roottorin pyörimisnopeuden puolittuessa suspensioon dispergoidun hapen kuplakoko kasvoi huomattavasti. Neljästä kuvausyhteestä tarkasteltuna havaittiin pienimpien kuplien esiintyvän sekoittimen alaosassa. Mäntysuspension tehonkulutuksen havaittiin kasvavan viidenneksellä, kun sekoittimen täyttöaste kasvoi 10 %, kun taas koivususpension tehonkulutuksen kasvu oli tästä vain puolet. Kuvantamislaitteiston todettiin olevan tämänkaltaiseen sovellutukseen riittävä, varsinkin kun valonlähteenä käytetään pulssilaseria.

Kaasun dispergoituminen tehdasmittakaavaisessa keskisakean massan sekoittimessa

Työn tarkoituksena oli selvittää Proto 10 kemikaalisekoittimen kyky dispergoida kaasua keskisakean valkaistun mäntysellun joukkoon. Työssä käytettiin kuvantamistekniikkaa, jonka avulla pystyttiin näkemään sekoittimen ja putkiston sisälle sekoitustapahtuman aikana. Muodostunutta dispersiota tarkasteltiin kolmesta kuvauspisteestä, joista yksi sijaitsi sekoittimen pesässä ja kaksi putkistossa sekoittimen jälkeen. Työssä verrattiin myös laboratoriosekoittimella saatuja tuloksia teollisen mittakaavan sekoittimella saatuihin tuloksiin, sekä määritettiin tarvittava pinta-aktiivisen aineen konsentraatio, jolla saavutettiin ruskeaa massaa vastaava vaahtoaminen. Työn kokeellinen osuus koostui kolmesta osasta. Ensimmäisessä vaiheessa tutkittiin ruskeasta mänty- ja koivumassasta lingotun suodoksen vaahtoamista ja verrattiin sitä vedellä ja pesuaineella saatavaan vaahtoon. Toisessa vaiheessa suoritettiin referenssiajot laboratoriosekoittimen ja teollisen mittakaavan sekoittimen vertailua varten Quantum Mark IV laboratoriosekoittimella. Kolmannessa vaiheessa tutkittiin Proto 10 sekoittimen kykyä dispergoida kaasua mäntysellun joukkoon eri pyörimisnopeuksilla ja virtaamilla. Työn tuloksien perusteella energiankäytön kannalta paras pyörimisnopeus Proto 10 sekoittimelle on 1500 min-1. Nostamalla kierrosnopeutta yli tämän ei saavutettu merkittävää parannusta dispersion laadussa varsinkaan suuremmilla virtaamilla. Virtaamalla todettiin olevan suuri merkitys sekoitustulokseen. Laboratoriosekoittimella tehtyjen kokeiden todettiin vastaavan parhaiten teollisen mittakaavan tuloksia pyörimisnopeudella 1200 min-1.

Switching components for medium voltage drives

Nowadays power drives are the essential part almost of all technological processes. Improvement of efficiency and reduction of losses require development of semiconductor switches. It has a particular meaning for the constantly growing market of renewable sources, especially for wind turbines, which demand more powerful semiconductor devices for control with growth of power. Also at present semiconductor switches are the key component in energy transmission, optimization of generation and network connection. The aim of this thesis is to make a survey of contemporary semiconductor components, showing difference in structures, advantages, disadvantages and most suitable applications. There is topical information about voltage, frequency and current limits of different switches. Study tries to compare dimensions and price of different components. Main manufacturers of semiconductor components are presented with the review of devices produced by them, and a conclusion about their availability was made. IGBT is selected as a main component in this study, because nowadays it is the most attractive component for usage in power drives, especially at the low levels of medium voltage. History of development of IGBT structure, static and dynamic characteristics are considered. Thesis tells about assemblies and connection of components and problems which can appear. One of key questions about semiconductor materials and their future development was considered. For the purpose of comparison strong and weak sides of different switches, calculation of losses of IGBT and its basic competitor – IGCT is presented. This master’s thesis makes an effort to answer the question if there are at present possibilities of accurate selection of switches for electrical drives of different rates of power and looks at future possible ways of development of semiconductor market.