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).

Cloud computing contribution to manufacturing industry

Manufacturing industry has been always facing challenge to improve the production efficiency, product quality, innovation ability and struggling to adopt cost-effective manufacturing system. In recent years cloud computing is emerging as one of the major enablers for the manufacturing industry. Combining the emerged cloud computing and other advanced manufacturing technologies such as Internet of Things, service-oriented architecture (SOA), networked manufacturing (NM) and manufacturing grid (MGrid), with existing manufacturing models and enterprise information technologies, a new paradigm called cloud manufacturing is proposed by the recent literature. This study presents concepts and ideas of cloud computing and cloud manufacturing. The concept, architecture, core enabling technologies, and typical characteristics of cloud manufacturing are discussed, as well as the difference and relationship between cloud computing and cloud manufacturing. The research is based on mixed qualitative and quantitative methods, and a case study. The case is a prototype of cloud manufacturing solution, which is software platform cooperated by ATR Soft Oy and SW Company China office. This study tries to understand the practical impacts and challenges that are derived from cloud manufacturing. The main conclusion of this study is that cloud manufacturing is an approach to achieve the transformation from traditional production-oriented manufacturing to next generation service-oriented manufacturing. Many manufacturing enterprises are already using a form of cloud computing in their existing network infrastructure to increase flexibility of its supply chain, reduce resources consumption, the study finds out the shift from cloud computing to cloud manufacturing is feasible. Meanwhile, the study points out the related theory, methodology and application of cloud manufacturing system are far from maturity, it is still an open field where many new technologies need to be studied.

THE ROLE OF DYNAMIC CAPABILITIES IN THE INTERNATIONALIZATION OF MEDIUM SIZED FINNISH MANUFACTURING FIRMS - A case for Sormat Oy

A rapidly changing business environment has necessitated most small and medium sized enterprises with international ambitions to reconsider their sources of competitive advantage. To survive in the face of a changing business environment, firms should utilize their dynamic organizational capabilities as well as their internationalization capabilities. Firms develop a competitive advantage if they can exploit their unique organizational competences in a new or foreign market and also if they can acquire new capabilities as a result of engaging in foreign markets. The acquired capabilities from foreign locations enhance the existing capability portfolio of a firm with a desire to internationalize. The study combined the research streams of SME organizational dynamic capability and internationalization capability to build a complete picture on the existing knowledge. An intensive case study was used for empirically testing the theoretical framework of the study and compared with the literature on various organizational capability factors and internationalization capabilities. Sormay Oy was selected because it is a successful medium sized company operating in Finland in the manufacturing industry which has a high international profile. In addition, it has sufficient rate of growth in sales that warrants it to engage internationally in matters such as, acquisitions, joint ventures and partnerships. The key findings of the study suggests that, medium sized manufacturing firms have a set of core competences arising from their organizational capabilities which were identified to be employee know how and relationship with stakeholders which aid the firm in its quest for attaining competitive advantage, ensuring production flexibility and gaining benefits present in a network. In addition, internationalization capabilities were identified under both the RAT test and CAT test whereby the primary findings suggests that, firms that outperform their competitors produce products that meet specific customer and country requirements, foresee the pitfalls of imitation brought about by the foreign local companies and members of a particular network through joint ventures, acquisitions or partnerships as well as those firms that are capable to acquire new capabilities in the foreign markets and successfully use these acquired capabilities to enhance or renew their capability portfolio for their competitive advantage. Additional significant findings under internationalization capabilities were discovered whereby, Sormay Oy was able to develop a new market space for its products despite the difficult institutional environment present in Russia.

Building Environmental Management System for Laboratory Products Manufacturing Company according ISO 14001-standard

Tutkielman tavoitteena on rakentaa toimiva ympäristöjärjestelmä Thermo Fisher Scientific Oy:lle. Tutkimuksen tarkoituksena on myös löytää kahdelle täysin erilaiselle toiminnalle yhtenäinen ympäristöjärjestelmä, jonka avulla pystytään ottamaan huomioon molempien toimipaikkojen hieman erilaiset vaatimukset. Lisäksi tavoitteena on muodostaa ympäristöjärjestelmälle oma organisaatio, jonka avulla ympäristöjärjestelmän integrointi yrityksen prosesseihin voidaan suorittaa sujuvasti. Aluksi tutkimusongelmaa lähestytään teoreettisesta näkökulmasta,jossa tarkastellaan ympäristöjärjestelmän historiaa, rakennetta, etuja sekä ISO 14001–standardin rakennetta ja sen etenemistä ympäristöjärjestelmän rakentamisen yhteydessä aina kolmannen osapuolen sertifiointiin asti. Empiria osa alkaa alustavalla ympäristökatselmuksella, jossa selvitetään ympäristöasioiden hoidon nykytaso ja luodaan pohja koko ympäristöjärjestelmän luomiselle, jonka vankimpana perustana on ympäristöpolitiikka. Johdon hyväksymä ympäristöpolitiikka varmistaa johdon sitoutumisen järjestelmään. Ympäristöjärjestelmän toimintarakenteen muodostaminen kahdelle erilaiselle toiminnalle onnistui tutkimuksessa kiitettävästi. Se miten ympäristöjärjestelmä toimii todellisuudessa, tullaan näkemään käytännön kokemuksien yhteydessä.

Outsourcing and Subcontracting Strategy Creation in a Global Manufacturing Company

Työn tavoitteena oli tutkia lähestymistapoja ostaa-valmistaa - päätöksentekotilanteessa. Näillä päätöksillä voi olla lopputulemana joko oma valmistus tai ulkopuolisen toimittajan käyttäminen, jolloin puhutaanjoko ulkoistetusta tai alihankitusta valmistuksesta. Päätökseen vaikuttavista tekijöistä merkittävimmät on koottu viitekehykseen, joka opastaa huomioimaan eri tekijät, jotka toistuvat olosuhteista riippumatta. . Toimittajakentän mahdollisuuksilla on vaikutusta päätöksentekotilanteessa. Olennainen osa ulkoistamis- ja alihankintastrategiaa liittyy toimittajavalintaan, sekä valittavaan yhteistyömalliin.

Evaluation of existing technologies in manufacturing of decorative solutions

Matkapuhelinvalmistajien välinen kilpailu kiristyy jatkuvasti. Tuotteiden ollessa teknisiltä ominaisuuksiltaan lähes samanvertaisia, asiakkaat alkavat kiinnittää huomiota myös puhelimen muihin ominaisuuksiin.Puhelimen koristeellisuudesta ja mandollisuudesta personoida matkapuhelin, on muodostumassa entistä tärkeämpiä tekijöitä puhelinvalmistajien välisessä kilpailussa. Asiakas ei myöskään ole valmis odottamaan puhelintaan, vaan haluaa puhelimensa nopesti. Lyhyt läpimenoaika on puhelinvalmistajille elintärkeä kilpailutekijä. Tämän työn tehtävänä on tutkija puhelinvalmistajien alihankkijan teknologisiamandollisuuksia laajentaa tuotevalikoimaansa vastaamaan tämän päivän tarpeita koristella matkaviestimiä. Teknologioioden sovellukset, Tuotantokustannukset, läpimenoajat ja teknologoiden riskit ovat tutkimuksen pääkohteet. Tavoitteena on saavuttaa käsitys kohdeyrityksen mandollisuuksista vastata asiakkaansa tarpeisiin olemassa olevilla teknologioilla ja niiden kombinaatioililla.

Virtuaalitodellisuuslaboratorion laiteympäristön kehittäminen - ohjaimet ja ohjelmistot

Tämä diplomityö on tehty osana HumanICT-projektia, jonka tavoitteena on kehittää uusi, virtuaalitekniikoita hyödyntävä, työkoneiden käyttäjäliityntöjen suunnittelumenetelmä. Työn tarkoituksena oli kehittää VTT:n Tuotteet ja tuotanto tutkimusyksikköön kuluvan Ihminen-kone-turvallisuus ryhmän nykyistä virtuaalitodellisuuslaboratoriota siten, että sitä voidaan käyttää työkoneiden suunnittelussa sekä monipuolisissa ergonomiatarkasteluissa. Itse ympäristön kehittäminen pitää sisällään uuden ohjainjärjestelmän suunnittelun sekä sen implementoinnin nykyisin käytössä olevaan virtuaaliympäristöön. Perinteisesti ohjaamosimulaattorit ovat olleet sovelluskohteisiin räätälöityjä, joten ne ovat kalliita ja niiden konfiguroinnin muuttaminen on vaikeaa, joskus jopa mahdotonta. Tämän työntarkoituksena oli kehittää PC-tietokoneeseen ja yleiseen käyttöjärjestelmään perustuva ohjainjärjestelmä, joka on nopeasti kytkettävissä erilaisiin virtuaaliympäristön sovelluksiin, kuten ohjaamomalleihin. Työssä tarkasteltiin myös tapoja mallintaa fysikaalisia ilmiöitä reaaliaikasovelluksissa, eli on-line simuloinnissa. Tämän tarkastelun perusteella etsittiin ja valittiin jatkokäsittelyyn ohjelmistoja, joiden reaaliaikaisen dynamiikan simulointialgoritmitolivat kaikkein kehittyneimpiä ja monipuolisia.

Design of adjustable packaging line

Diplomityön tavoite oli tutkia, mitä toimintoja ja tekniikoita uusi, joustava kartonkipakkauslinja sisältää ja mitkä suuntaukset pakkausteollisuudessa tulevat olemaan tärkeitä tulevaisuudessa. Pakkauslinjan päätoimintoja tarkasteltiin nykyisten jatulevaisuuden tekniikoiden pohjalta. Erityisesti tarkasteltiin laser-sovellusten käytön mahdollisuutta pakkauslinjan eri osatoiminnoissa. Katsaus pakkausteollisuuden tulevaisuuden näkymiin luotiin kirjallisuuden ja aikaisempien tutkimusten pohjalta, minkä perusteella työssä oletetaan, että yksilölliset ja monitoimipakkaukset tulevat lisääntymään tulevaisuudessa. Eri tuotantoerien välillä olevat asetusajat tulee saada minimoitua, mutta millä keinoin joustavuus on saavutettavissa? Yksi ratkaisu pakkausten valmistamisessa on käyttää robottisolua, mikä on mahdollista luultavasti ainakin kuppimuotoisten pakkausten kohdalla. Muutenkin robotiikka on lisääntymässä pakkausteollisuudessa. Digitaalisten painotekniikoiden kehitys on mahdollistanut yksilölliset painatukset. Tulevaisuudessa painatus on mahdollista tehdä pakkauslinjan loppupäässä, jopa vasta täytön ja suljennan jälkeen. Laserleikkaus on jo nyt käytössä, mutta tulevaisuudessa myös saumaus ja perinteinen nuuttaus on mahdollista tehdä lasersovelluksia käyttäen. Kehittynyt, väyläpohjainen ohjausjärjestelmä on tulevaisuudessa välttämätön joustavassa pakkauslinjassa. Internetin välityksellä toimiva etäohjattu virheenkorjausdiagnostiikka tulee myös olemaan itsestäänselvyys tulevaisuudessa. Kustannussäästöjä voidaan saavuttaa käyttämälläpakkauslinjassa modulaarista rakennetta. Standardiosien ja standardiosajärjestelmien käyttäminen pienentää myös käyttö- ja huoltokustannuksia. Tärkeää on kuitenkin muistaa, ettei joustavuutta voida saavuttaa pelkästään yhtä ominaisuutta tai tekniikkaa hyödyntäen vaan monia menetelmiä yhdistäen. Suunniteltavan pakkauslinjan toiminta on myös hyvä varmistaa käyttäen apuna mallinnusta ja simulointia.

Implementing theLean Manufacturing System

Tuottavuuden ja tehokkuuden parantaminen on keskeisimpiä menestystekijöitä glo-baaleilla markkinoilla. Yksi kehittämisen toimintamalli on lean manufacturing -ajattelutapa, joka perustuu imuohjaukseen. Sen lähtökohtana on asiakasarvo ja keskit-tyminen arvoa lisäävien toimintojen maksimointiin. Tutkimuksen tavoitteena oli parantaa Strömfors Electric Oy:n materiaalivirtauksia yhdellä tuotantolinjalla. Projektin oli tarkoitus olla pilotti lean-implementointiin koko tehtaalla. Projektissa otettiin käyttöön kanban-imuohjausjärjestelmä, jota varten teh-tiin analyysejä ja laskelmia arvovirtoihin, varastoihin ja ohjaukseen. Lean-ajattelutapaan ja -työkaluihin perustuvaa kirjallisuutta käytettiin pohjatietona pilotti-projektissa sekätulevien kehitysprojektien suunnittelussa. Pilottiprojektin tuloksena materiaalinohjaus tehostui ja keskeneräisen tuotannon va-rasto tasoittui käyttötarpeen mukaiseksi. Työntekijät ja työnjohtajat tutustuivat leanin perusteisiin osallistuessaan pilottiprojektiin. Pidemmän aikavälin suunnitelmissa ontoimitusvarmuuden ja laadun parantuminen ensin pilottiprojektia koskevalla linjalla ja myöhemmin koko tehtaalla imuohjauksen kokonaisvaltaisen käyttöönoton myötä.

Seostamattoman hitsausteräksen leimuhitsaus

Valssilangan valmistuksessa päättymättömällä valssausprosessilla voidaan parantaa tuotannon tuottavuutta ja joustavuutta. Menetelmän ansiosta myös valssilankakieppien kokoa voidaan vaihdella asiakkaan tarpeiden mukaan. Prosessin joustavuus ja tuottavuus perustuvat liikkuvaan leimuhitsauslaitteistoon, jolla austeniittialueelle kuumennetut teelmät hitsataan toisiinsa ennen valssausta. Koska leimuhitsausliitoksen hyvä laatu on valmistusprosessin kannalta erityisen tärkeää, tutkittiin tässä työssä hitsausparametrien vaikutusta liitoksen laatuun. Hitsausparametreista tärkeimpiä ovat leimutusaika ja -jännite sekä tyssäyksen voima ja määrä. Parametrien ollessa liian suuria muodostuvat liitospinnat liian plastisiksi ja sopivan tyssäysvoiman ylläpitäminen on vaikeaa. Liian pienillä parametreilla liitospintojen plastisoituminen jää kesken ja tyssäys jää puutteelliseksi. Leimuhitsauksen laatuun vaikuttaa myös liitospinta-alan koko. Kaikki nämä tekijät heikentävät liitoksia, joten parametrien optimaalisuus on liitoksen hyvän laadun kannalta välttämätön. Parametrikokeina hitsattujen koekappaleiden rakennetta ja ominaisuuksiatutkittiin ainetta rikkovilla kokeilla. Lyhyemmillä leimutusajoilla hitsatuistakoekappaleista löytyi virheitä, jotka heikensivät huomattavasti liitoksien laatua. Menetelmäkokeiden perusteella koekappaleet eivät kaikilta osin täyttäneet liitosten laatuvaatimuksia.

Toimittajaverkoston luominen projektiohjautuvassa tuotannossa

Tämän diplomityön tavoitteena on luoda Vaahto Group -konsernin projektiohjautuvalle sekoitinvalmistukselle verkostoitunut valmistusympäristö. Tutkimuksen alussa valmistus siirrettiin Vaahto Group -konsernin tytäryhtiöstä Japrotek Oy:stä Pietarsaaresta Vaahto Oy:n Componets-tehtaalle Hollolaan. Valmistusfilosofia muutettiin omasta osavalmistuksesta verkostoituneeseen valmistukseen. Tutkimuksen päätavoitteet olivat toimittajaverkoston luominen, tuotannon läpimenoaikojen lyhentäminen, toimitusvarmuuden nostaminen, kustannustehokkuuden kasvattaminen sekä joustavuuden parantaminen. Tutkimuksen tuloksena syntyi uusi verkostovetoinen sekoitinvalmistus, missä oman valmistuksen osuus on vain kokoonpanoa. Uuden valmistuskonseptin avulla lyhennettiin läpimenoaikoja, parannettiin merkittävästi toimitusvarmuutta sekä lisättiin valmistuksen joustavuutta. Kustannustehokkuus parani. Lisäksi asiakasreklamaatiot vähenivät.

Development of Paperboard Forming Tools with a Focus on Intelligent Manufacturing

Tämä diplomityö käsittelee kartonginmuovaukseen käytettävien puristintyökalujen kehittämistä. Työntavoitteina oli kehittää työkalutekniikan suunnittelua ja valmistusta edullisemmaksi, nopeammaksi ja työkaluja toiminnoiltaan tehokkaammiksi. Työn tuli sisältää myös ohjeet työkalujen suunnittelemiseksi ja valmistamiseksi jatkoa ajatellen. Työn aikana selvitettiin mahdollisia työkalurakennevaihtoehtoja, valmistusmateriaaleja sekä niiden käsittelymenetelmiä ja lastuamista sekä sen tarjoamia mahdollisuuksia valmistusmenetelmänä. Työkalupari suunniteltiin modulaariseksi siten, että uusia työkaluja varten vain osa komponenteista täytyy valmistaa uudelleen, samalla työkalun osien lukumäärää pienennettiin merkittävästi. Valmistusmateriaaliksi valittiin hyvin lastuttava työkaluteräs ja sen koneistaminen tapahtui vaakakaraisessa koneistuskeskuksessa. Työn loppuvaiheessa työkalukokonaisuudelle tehtiin kustannuslaskelma jaoteltuna eri työvaiheille sekä komponenteittain. Työkalu asennettiin puristimeen ja sille suoritettiin käyttötestaus. Työn aikana karttuneen kokemuksen sekä koekäytön perusteella tehtiin jatkokehitysehdotuksia.

Supplier Evaluation on the Standard Material and Component Markets in the Electronic Manufacturing Equipment Industry

Työn tavoitteena oli arvioida ja selvittää toimittajasuhteeseen vaikuttavia tekijöitä JOT Automation Group Oyj.n ja sen alihankkijoiden välisessä yhteistyössä ja muodostaa yrityksen kilpailukykyä parantava toimittaja-arviointiprosessi. Työssä keskityttiin tarkastelemaan yleisillä materiaali- ja komponenttimarkkinoilla toimivia toimittajia elektroniikkateollisuuden tuotantojärjestelmien valmistuksessa. Ensin tutustuttiin toimittajasuhdetta ja sen arviointia käsitelleeseen kirjallisuuteen. Teorian tueksi tehtiin haastatteluja ja kartoitettiin ensisijaisia tarpeita ja tavoitteita arviointiprosessille. Valmis prosessi testattiin käytännössä kahden eri case-esimerkin avulla. Prosessista muodostui kahteen eri työkaluun jakautunut kokonaisuus, joista auditointi arvioi toimittajan kyvykkyyttä vastatta sille asetettuihin vaatimuksiin. Toimittajan suorituskyvyn mittaaminen puolestaan testaa ja vertaa jatkuvasti toiminnan todellista tasoa auditoinnissa saatuihin tuloksiin. Työ sisältää selvityksen ja ohjeistuksen toimittaja-arviointiprosessin käytöstä. Prosessin käyttö alentaa toimittajaan kohdistuvaa materiaalien saatavuuteen ja hankintaan liittyviä riskejä. Esimerkeistä saadut kokemukset osoittivat, että prosessin avulla päästään pureutumaan tärkeisiin ydinalueisiin ja kehittämään niitä sekä toimittajalle, että ostajayritykselle edullisella tavalla. Toimittaja-arviointiprosessista kehittyy toimintatapa yrityksen ja sen toimittajan välisen suhteen ylläpitämiseksi.

Paperin ja kartongin laserleikkauksen teknistaloudellinen kannattavuus

Diplomityö on tehty kuitumateriaalien laserleikkauksen tutkimusprojektissa ILAC/PAPER. Päätavoitteena on selvittää laserleikkauksen kustannukset ja arvioida kahden laserleikkaussovelluksen taloudellista kannattavuutta. Teoriaosassa tavoitteena on etsiä teknologiainvestoinneista piirteitä, jotka tulee ottaa huomioon hanketta suunnitellessa. Työssä esitellään myös menetelmä teknologiainvestointien arviointiin. Työssä on kolme aihepiiriä; teknologiainvestointien arviointi, laserleikkauksen perusteet ja kuitumateriaalien laserleikkauskustannuksia käsittelevä empiriaosa. Teoriaosan lähdemateriaalina on käytetty toimintolaskentaa ja teknologiainvestointeja käsiteleviä julkaisuja. Empiriaosa on koottu teollisuuden tiedonannoista, tutkimusmateriaalista ja myyntitarjouksista. Teknologiainvestointien perusteleminen on vaikeaa perinteisillä investointilaskennan menetelmillä vähäisistä suorista kustannussäästöistä johtuen. Sopiva menetelmä arvioikin hankkeet laajempina kokonaisuuksina. Laserlaitteistojen vuosittaiset kustannukset ovat suuret. Luotettavuus, huoltovapaus ja joustavuus ovat hyötyjä, jotka tekevät laserlaitteistosta kannattavan. Hankintahinta ja tuottavuus ratkaisevat investoinnin kannattavuuden.