Gelatin as an additive in bio-based barrier films

The main objective of the present study was to verify the approach on starch-gelatin blending for the paperboard coating formulations with enhanced barrier and mechanical properties. Based on that, another objective was to find out, how the approach will function with wood-based polysaccharides (CMC, EHEC and HPC) by analyzing their barrier properties and convertibility. The last objective was to find out, if pigments can be used in the composition of polysaccharide-protein blends without causing any negative effect on stated properties. The whole process chain of the barrier coating development was studied in the research. The methodology applied included pilot-scale coating and converting trials for the evaluation of mechanical properties of obtained coatings, namely their exposure to cracking with the loss of barrier properties. The results obtained indicated that the combination of starch with gelatin, in fact, improves the grease barrier properties and flexibility of starch-based coatings, thereby confirming the offered approach. The similar results were obtained for CMC, exhibited elevated barrier properties and surface coverage, proving that the approach also functions with wood-based polysaccharides. The introduction of equal amounts of talc gave various effects at different gelatin dosages on barrier properties of wood-based polysaccharides. Mainly, the elevation of grease barrier properties was observed. The convertibility of talc-filled coatings was not sufficient.

Combinatorics on Words. New Aspects on Avoidability, Defect Effect, Equations and Palindromes

In this thesis we examine four well-known and traditional concepts of combinatorics on words. However the contexts in which these topics are treated are not the traditional ones. More precisely, the question of avoidability is asked, for example, in terms of k-abelian squares. Two words are said to be k-abelian equivalent if they have the same number of occurrences of each factor up to length k. Consequently, k-abelian equivalence can be seen as a sharpening of abelian equivalence. This fairly new concept is discussed broader than the other topics of this thesis. The second main subject concerns the defect property. The defect theorem is a well-known result for words. We will analyze the property, for example, among the sets of 2-dimensional words, i.e., polyominoes composed of labelled unit squares. From the defect effect we move to equations. We will use a special way to define a product operation for words and then solve a few basic equations over constructed partial semigroup. We will also consider the satisfiability question and the compactness property with respect to this kind of equations. The final topic of the thesis deals with palindromes. Some finite words, including all binary words, are uniquely determined up to word isomorphism by the position and length of some of its palindromic factors. The famous Thue-Morse word has the property that for each positive integer n, there exists a factor which cannot be generated by fewer than n palindromes. We prove that in general, every non ultimately periodic word contains a factor which cannot be generated by fewer than 3 palindromes, and we obtain a classification of those binary words each of whose factors are generated by at most 3 palindromes. Surprisingly these words are related to another much studied set of words, Sturmian words.

Characterization Of Process Efficiency Improvement In Laser Additive Manufacturing

Laser additive manufacturing (LAM), known also as 3D printing, has gained a lot of interest in past recent years within various industries, such as medical and aerospace industries. LAM enables fabrication of complex 3D geometries by melting metal powder layer by layer with laser beam. Research in laser additive manufacturing has been focused in development of new materials and new applications in past 10 years. Since this technology is on cutting edge, efficiency of manufacturing process is in center role of research of this industry. Aim of this thesis is to characterize methods for process efficiency improvements in laser additive manufacturing. The aim is also to clarify the effect of process parameters to the stability of the process and in microstructure of manufactured pieces. Experimental tests of this thesis were made with various process parameters and their effect on build pieces has been studied, when additive manufacturing was performed with a modified research machine representing EOSINT M-series and with EOS EOSINT M280. Material used was stainless steel 17-4 PH. Also, some of the methods for process efficiency improvements were tested. Literature review of this thesis presents basics of laser additive manufacturing, methods for improve the process efficiency and laser beam – material- interaction. It was observed that there are only few public studies about process efficiency of laser additive manufacturing of stainless steel. According to literature, it is possible to improve process efficiency with higher power lasers and thicker layer thicknesses. The process efficiency improvement is possible if the effect of process parameter changes in manufactured pieces is known. According to experiments carried out in this thesis, it was concluded that process parameters have major role in single track formation in laser additive manufacturing. Rough estimation equations were created to describe the effect of input parameters to output parameters. The experimental results showed that the WDA (width-depth-area of cross-sections of single track) is correlating exponentially with energy density input. The energy density input is combination of the input parameters of laser power, laser beam spot diameter and scan speed. The use of skin-core technique enables improvement of process efficiency as the core of the part is manufactured with higher laser power and thicker layer thickness and the skin with lower laser power and thinner layer thickness in order to maintain high resolution. In this technique the interface between skin and core must have overlapping in order to achieve full dense parts. It was also noticed in this thesis that keyhole can be formed in LAM process. It was noticed that the threshold intensity value of 106 W/cm2 was exceeded during the tests. This means that in these tests the keyhole formation was possible.

Fabrication additive ou Impression 3D. Aperçus sur une variation terminographique

Materiaalia lisäävä valmistus eli 3D-tulostus on valmistusmenetelmä, jossa kappale tehdään 3D-mallin pohjalta materiaalikerroksia lisäämällä, käyttäen useita tekniikoita ja materiaaleja. Menetelmää sovelletaan useilla teollisuuden aloilla. Lisääviä valmistustekniikoita on kehitetty 1990-luvun alkupuolelta lähtien, ja ne monipuolistuvat jatkuvasti. Tässä pro gradu -tutkielmassa tutkitaan sovellusalan terminologian kehitystä vertailevilla menetelmillä ja luodaan kolmikielinen sanasto alan asiantuntijoille, joita edustaa Suomessa FIRPA ry. Sanaston kielet ovat englanti, ranska ja suomi. Terminologian tutkimus on perinteisesti keskittynyt sanastotyöhön ja käsiteanalyysiin, sen sijaan termihistorian tutkimus on ollut vähäisempää. Tässä työssä on tehty vertailevaa termitutkimusta sekä sanastotyön että termihistorian näkökulmista. Vertailutasoja ovat termien merkityksen muuttuminen, vertailu pivot-kielen suhteen ja kielikohtaisten ominaisuuksien tarkastelu termien muotoutumisessa. Tutkittavia asioita ovat sanastokäsitteiden väliset suhteet, synonyymien, varianttien ja uudissanojen moninaisuus, ja termien yleiskielistyminen. Samalla pohditaan muita termien muuttumiseen vaikuttavia syita. Tärkeimpänä lähteenä käytetään Wohlersin vuosiraportteja, jotka kuvaavat kattavasti koko teollisuudenalaa. Koska englannin pivot-vaikutus on voimakasta teknisillä aloilla, omankielisen terminologian kehittyminen vaatii tietoista terminologiatyötä ja aktiivista omankielisten termien käyttöä. Terminologian vakiintumista voidaan arvioida termivarianttien ja uudissanojen määristä, sekä termien yleiskielistymisestä. Terminologia muuttuu jatkuvasti toimialan kehittyessä ja vaatii säännöllistä päivittämistä. Termihistorian tunteminen tukee sanastotyön termivalintoja. Alan asiantuntijat ovat vastuussa omasta terminologiastaan, ja heidän aktiivisuutensa on tärkeää sen kehittämisessä. Toteutettu sanasto on tämän pro gradu -tutkielman liitteenä ja se julkaistaan myös FIRPA ry:n Internet-sivustolla. Suomenkielinen osio sanastosta on ensimmäinen laaja suomeksi julkaistu materiaalia lisäävän valmistuksen sanasto.

Energy and raw material consumption analysis of powder bed fusion: case study: CNC machining and laser additive manufacturing

Laser additive manufacturing (LAM), known also as 3D printing, is a powder bed fusion (PBF) type of additive manufacturing (AM) technology used to manufacture metal parts layer by layer by assist of laser beam. The development of the technology from building just prototype parts to functional parts is due to design flexibility. And also possibility to manufacture tailored and optimised components in terms of performance and strength to weight ratio of final parts. The study of energy and raw material consumption in LAM is essential as it might facilitate the adoption and usage of the technique in manufacturing industries. The objective this thesis was find the impact of LAM on environmental and economic aspects and to conduct life cycle inventory of CNC machining and LAM in terms of energy and raw material consumption at production phases. Literature overview in this thesis include sustainability issues in manufacturing industries with focus on environmental and economic aspects. Also life cycle assessment and its applicability in manufacturing industry were studied. UPLCI-CO2PE! Initiative was identified as mostly applied exiting methodology to conduct LCI analysis in discrete manufacturing process like LAM. Many of the reviewed literature had focused to PBF of polymeric material and only few had considered metallic materials. The studies that had included metallic materials had only measured input and output energy or materials of the process and compared to different AM systems without comparing to any competitive process. Neither did any include effect of process variation when building metallic parts with LAM. Experimental testing were carried out to make dissimilar samples with CNC machining and LAM in this thesis. Test samples were designed to include part complexity and weight reductions. PUMA 2500Y lathe machine was used in the CNC machining whereas a modified research machine representing EOSINT M-series was used for the LAM. The raw material used for making the test pieces were stainless steel 316L bar (CNC machined parts) and stainless steel 316L powder (LAM built parts). An analysis of power, time, and the energy consumed in each of the manufacturing processes on production phase showed that LAM utilises more energy than CNC machining. The high energy consumption was as result of duration of production. Energy consumption profiles in CNC machining showed fluctuations with high and low power ranges. LAM energy usage within specific mode (standby, heating, process, sawing) remained relatively constant through the production. CNC machining was limited in terms of manufacturing freedom as it was not possible to manufacture all the designed sample by machining. And the one which was possible was aided with large amount of material removed as waste. Planning phase in LAM was shorter than in CNC machining as the latter required many preparation steps. Specific energy consumption (SEC) were estimated in LAM based on the practical results and assumed platform utilisation. The estimated platform utilisation showed SEC could reduce when more parts were placed in one build than it was in with the empirical results in this thesis (six parts).

Metal additive manufacturing of internal flow channels with powder bed fusion processes

This thesis studies the advantages, disadvantages and possibilities of additive manufacturing in making components with internal flow channels. These include hydraulic components, components with cooling channels and heat exchangers. Processes studied in this work are selective laser sintering and selective laser melting of metallic materials. The basic principles of processes and parameters involved in the process are presented and different possibilities of internal channel manufacturing and flow improvement are introduced

Characterization of design of a product for additive manufacturing

The purpose of conducting this thesis is to gather around information about additive manufacturing and to design a product to be additively manufactured. The specific manufacturing method dealt with in this thesis, is powder bed fusion of metals. Therefore when mentioning additive manufacturing in this thesis, it is referred to powder bed fusion of metals. The literature review focuses on the principle of powder bed fusion, the general process chain in additive manufacturing, design rules for additive manufacturing. Examples of success stories in additive manufacturing and reasons for selecting parts to be manufactured with additive manufacturing are also explained in literature review. This knowledge is demanded to understand the experimental part of the thesis. The experimental part of the thesis is divided into two parts. Part A concentrates on finding proper geometry for building self-supporting pipes and proper parameters for support structures of them. Part B of the experimental part concentrates on a case study of designing a product for additive manufacturing. As a result of experimental part A, the design process of self-supporting pipes, results of visual analysis and results of 3D scanning are presented. As a result of experimental part B the design process of the product is presented and compared to the original model.

Monitoring Directed Energy Deposition Processes in Additive Manufacturing

The purpose of this study is to find out how laser based Directed Energy Deposition processes can benefit from different types of monitoring. DED is a type of additive manufacturing process, where parts are manufactured in layers by using metallic powder or metallic wire. DED processes can be used to manufacture parts that are not possible to manufacture with conventional manufacturing processes, when adding new geometries to existing parts or when wanting to minimize the scrap material that would result from machining the part. The aim of this study is to find out why laser based DED-processes are monitored, how they are monitored and what devices are used for monitoring. This study has been done in the form of a literature review. During the manufacturing process, the DED-process is highly sensitive to different disturbances such as fluctuations in laser absorption, powder feed rate, temperature, humidity or the reflectivity of the melt pool. These fluctuations can cause fluctuations in the size of the melt pool or its temperature. The variations in the size of the melt pool have an effect on the thickness of individual layers, which have a direct impact on the final surface quality and dimensional accuracy of the parts. By collecting data from these fluctuations and adjusting the laser power in real-time, the size of the melt pool and its temperature can be kept within a specified range that leads to significant improvements in the manufacturing quality. The main areas of monitoring can be divided into the monitoring of the powder feed rate, the temperature of the melt pool, the height of the melt pool and the geometry of the melt pool. Monitoring the powder feed rate is important when depositing different material compositions. Monitoring the temperature of the melt pool can give information about the microstructure and mechanical properties of the part. Monitoring the height and the geometry of the melt pool is an important factor in achieving the desired dimensional accuracy of the part. By combining multiple different monitoring devices, the amount of fluctuations that can be controlled will be increased. In addition, by combining additive manufacturing with machining, the benefits of both processes could be utilized.

Mixing performance evaluation of additive manufactured milli-scale reactors

The mixing performance of three passive milli-scale reactors with different geometries was investigated at different Reynolds numbers. The effects of design and operating characteristics such as mixing channel shape and volume flow rate were investigated. The main objective of this work was to demonstrate a process design method that uses on Computational Fluid Dynamics (CFD) for modeling and Additive Manufacturing (AM) technology for manufacture. The reactors were designed and simulated using SolidWorks and Fluent 15.0 software, respectively. Manufacturing of the devices was performed with an EOS M-series AM system. Step response experiments with distilled Millipore water and sodium hydroxide solution provided time-dependent concentration profiles. Villermaux-Dushman reaction experiments were also conducted for additional verification of CFD results and for mixing efficiency evaluation of the different geometries. Time-dependent concentration data and reaction evaluation showed that the performance of the AM-manufactured reactors matched the CFD results reasonably well. The proposed design method allows the implementation of new and innovative solutions, especially in the process design phase, for industrial scale reactor technologies. In addition, rapid implementation is another advantage due to the virtual flow design and due to the fast manufacturing which uses the same geometric file formats.

Jätteenpolton tuhkien käsittelytekniikoiden ympäristövaikutukset

Jätteenpoltossa syntyvät tuhkat sisältävät paljon haitta-aineita, joiden vuoksi niitä ei yleensä voida suoraan sijoittaa kaatopaikoille. Käsittelyllä pyritään parantamaan tuhkien ominaisuuksia ja vähentämään haitta-aineiden liukoisuutta. Samalla kuitenkin käsittely kuluttaa raaka-aineita ja energiaa sekä aiheuttaa päästöjä. Tuhkien käsittelyn kokonaishyötyjä ja -haittoja ympäristön kannalta arvioitaessa tulisikin ottaa huomioon sekä käsiteltävän tuhkan parantuneet ominaisuudet että käsittelystä aiheutuneet ympäristökuormitukset. Tämän diplomityön tavoitteena oliselvittää jätteenpolton tuhkien käsittelystä aiheutuvia ympäristövaikutuksia tarkastelemalla esimerkinomaisesti neljää erilaista käsittelytekniikkaa (pesua, sementtikiinteytystä, Ferrox-prosessia ja vitrifiointia) sekä kahta muuta loppusijoitusvaihtoehtoa (mahdollisuutta sijoittaa tuhkat kaatopaikalle ilman käsittelyä ja kuljettamista Norjassa sijaitsevalle käsittely- ja loppusijoituslaitokselle). Tarkastelussa keskityttiin jätteenpolton ongelmallisimpiin tuhkajakeisiin, lentotuhkaan ja savukaasujen puhdistusjätteisiin eli APC-jätteisiin. Tavoitteena oli selvittää käsittelyvaihtoehdoista syntyvät ympäristökuormitukset ns. koko niiden elinkaaren ajalta, eli huomioiden käsittelyyn tarvittavien lisäaineiden valmistuksesta, itse käsittelyprosessista sekä loppusijoituksesta aiheutuvat kuormitukset. Tarkastelun perusteella eri käsittelyvaihtoehdot aiheuttavat hyvin erilaisia ja erisuuruisia ympäristökuormituksia. Lisäksi käsitellyn materiaalin ominaisuudet vaihtelevat huomattavasti käsittelytavasta riippuen. Tarkastelluista käsittelyvaihtoehdoista suurimmat ympäristökuormitukset ilmapäästöjen osalta aiheutuivat tyypillisesti joko käsittelyyn tarvittavien raaka-aineiden valmistuksesta tai itse käsittelyprosessin energiankulutuksesta. Loppusijoituksesta sen sijaan aiheutui ympäristöhaittoja kaatopaikkarakenteiden muodostamisesta sekä maaperään vapautuvista haitta-aineista, joiden määrä riippuu tuhkan käsittelyn tehokkuudesta.

Enzyme convertedstarch in pigment coating

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää entsyymikonvertoinnin mahdollisuudet vaikuttaa sideainetärkkelyksen toiminnallisiin ominaisuuksiin. Tärkein tehtävä oli etsiä vastaukset kysymykseen, kuinka paljon entsyymikonvertointia optimoimalla voidaan maksimoida tärkkelyksen positiivisia vaikutuksia. Tavoitteena oli myös tutkia, voiko lisäaineita käyttämällä ja tärkkelystä plastisoimalla säilyttää tärkkelyksen vaikutus paperin jäykkyyteen ja saada tärkkelysfilmille joustavuutta. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin tärkkelyksen entsyymikonvertointiin vaikuttavia tekijöitä, eri tärkkelysraaka-aineiden eroja, sekä konvertoinnissa käytettävien entsyymien ominaisuuksia. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin myöstärkkelyksen käyttöä sideaineena pigmenttipäällystyksessä. Kokeellisessa osassakeskityttiin selvittämään entsyymikonvertoinnin olosuhteiden, käytettävän raakatärkkelyksen ja entsyymin vaikutusta konvertoidun tärkkelyksen ominaisuuksiin. Konvertoiduista tärkkelyksistä valmistettiin päällystyspastat, ja tutkittiin niinpastan kuin päällystetyn paperin ominaisuuksia. Myös erilaisten pehmentimien vaikutusta niin päällystyspastaan, kuin paperin pinnalle tutkittiin. Havaittiin, että konvertoimalla tärkkelysketjua entsymaattisesti, voidaan tärkkelysketjun pituutta säädellä. Tarkoituksena oli konvertoida tärkkelystä niin, että tärkkelyksen molekyyliketjujakaumat sisältävät lyhyitä, keskipitkiä sekäpitkiä molekyylejä. Päällystämisen havaittiin olevan vaikeaa Helicoaterilla varsinkin pitkäketjuista tärkkelystä suuren määrän sisältävillä pastoilla. Myös tärkkelys/lateksi-suhde vaihteli eri pastoilla. Päällystyspastojen reologisia ominaisuuksia testattaessa huomattiin, että tärkkelysketjun pituuden kasvaessa pastanviskositeetti lisääntyy ja vesiretentio vähenee. Havaittiin vain muutamia teknisiä paperiominaisuuksia, jotka korreloivat hyvin tärkkelysketjun pituuden kanssa. Näitä olivat kiilto, Gurley-Hill huokoisuus, taivutusvastus, taivutuspituus sekä IGT pintalujuus. Pehmentimien ei havaittu vaikuttavan moneenkaan paperin eri tekniseen ominaisuuteen. Suurimmat erot huomattiin paperin taivutuspituudessa ja taivutusvastuksessa.

Toms-ilmiön vaikutuksen mallinnus turbulenssivirtauksessa

Diplomityön tavoitteena oli laatia putkivirtaukselle laskentamalli, joka huomioi turbulenssin vaimentamiseen käytetyn lisäaineen vaikutuksen. Kirjallisuusosassa käsitellään turbulenssiin ja putkiston painehäviön laskentaan liittyviä asioita. Lisäksi käydään läpi virtausvastusta alentavien aineiden (DRA-aineiden) ominaisuuksia, vaikutusmekanismia ja niiden vaikutusta virtausominaisuuksiin sekä laskentamalleihin. Kokeellisessa osassa laadittiin kaksi Excel-pohjaista laskentamallia, joilla huomioitiin lisäaineen vaikutus putkiston virtausmäärien parantumiseen ja painehäviöihin. Malli I laskee ensin virtausvastuksen alenemisen (DR-efektin) annetuista lähtötiedoista. DR-efektien perusteella saadaan laskettua putkiston painehäviötiedot. Malli II laskee ensin virtausvastuskertoimet ilman DRA-ainetta ja DRA-aineen kanssa. Tämän jälkeen malli II laskee DR-efektin. Mallien vaatimat lähtötiedot koostuvat virtausmääristä, fluidin ominaisuuksista, polymeerin ominaisuuksista, lisäaineen annostelutiedoista ja putkiston tiedoista.

Uusien polyuretaanimateriaalien kehittäminen

Polyuretaanielastomeerit ovat jaksottaisia sekapolymeerejä, jotka muodostuvat vuoroittaisista joustavien ketjujen segmenteistä ja hyvin polaarisista kovista segmenteistä. Kemiallinen rakenne ja ominaisuudet riippuvat käytetyistä reaktiokomponenteista. Pehmeän segmentin muodostaa polyoli ja kovan segmentin muodostaa yleensä di-isosyanaatti ja ketjunjatkaja. Polyuretaanielastomeerien valmistus tapahtuu valamalla, jolloin reaktiokomponentit ovat nestemäisiä. Työssä tutkittiin kahta perusmateriaalia ja yhden lisäaineen vaikutusta niiden ominaisuuksiin. Erityisesti kiinnitettiin huomiota dynaamisiin ja mekaanisiin ominaisuuksiin ja verrattiin aineita keskenään. Käytettyjä karakterisointimenetelmiä olivat kontaktikulmamittaukset, DMTA-mittaukset, dynaaminen rasittaminen pyörityslaitteella, elektronimikroskopia, hydrolyysitesti, vetotesti ja kulutustesti. Tutkittujen materiaalien pääasiallinen käyttökohde on pyörä- tai telapinnoitteena. Työn aikana kehitettiin pyörityslaite, jolla voitiin tutkia pinnoitemateriaalin käyttäytymistä halutuissa rasitusolosuhteissa. Lisäaineen vaikutus dynaamisiin ominaisuuksiin oli negatiivinen tai olematon, sillä DMTA-testien perusteella lisäaine kasvatti materiaalien häviötekijää (tan d). Pyöritystestien perusteella lisäaineella ei ollut vaikutusta hystereesiin eli pinnoitemateriaalin lämpenemiseen testin aikana. Uusi tutkittu materiaali osoittautui dynaamisissa kokeissa paremmaksi kuin vanha tuotantomateriaali. Lisäaine kasvatti molempien tutkittujen aineiden pintaenergiaa kontaktikulmamittausten perusteella. Tuotantoaineen vetomurtolujuus kasvoi lisäaineen vaikutuksesta, mutta uuden aineen vetomurtolujuus pieneni. Lisäaineella oli lievä hydrolyysiltä suojaava vaikutus tutkituilla perusaineilla. Uusi tutkittu perusmateriaali sieti hydrolyysiä paremmin kuin tuotantomateriaali, koska sen valmistuksessa käytettiin polyeetteripolyolia ja tuotantomateriaalissa polyesteripolyolia.