Nanoparticle Labels in Bioaffinity Assays

Nanoparticles offer adjustable and expandable reactive surface area compared to the more traditional solid phase forms utilized in bioaffinity assays due to the high surface to-volume ratio. The versatility of nanoparticles is further improved by the ability to incorporate various molecular complexes such as luminophores into the core. Nanoparticle labels composed of polystyrene, silica, inorganic crystals doped with high number of luminophores, preferably lanthanide(III) complexes, are employed in bioaffinity assays. Other label species such as semiconductor crystals (quantum dots) or colloidal gold clusters are also utilized. The surface derivatization of such particles with biomolecules is crucial for the applicability to bioaffinity assays. The effectiveness of a coating is reliant on the biomolecule and particle surface characteristics and the selected coupling technique. The most critical aspects of the particle labels in bioaffinity assays are their size-dependent features. For polystyrene, silica and inorganic phosphor particles, these include the kinetics, specific activity and colloidal stability. For quantum dots and gold colloids, the spectral properties are also dependent on particle size. This study reports the utilization of europium(III)-chelate-embedded nanoparticle labels in the development of bioaffinity assays. The experimental covers both the heterogeneous and homogeneous assay formats elucidating the wide applicability of the nanoparticles. It was revealed that the employment of europium(III) nanoparticles in heterogeneous assays for viral antigens, adenovirus hexon and hepatitis B surface antigen (HBsAg), resulted in sensitivity improvement of 10-1000 fold compared to the reference methods. This improvement was attributed to the extreme specific activity and enhanced monovalent affinity of the nanoparticles conjugates. The applicability of europium(III)-chelate-doped nanoparticles to homogeneous assay formats were proved in two completely different experimental settings; assays based on immunological recognition or proteolytic activity. It was shown that in addition to small molecule acceptors, particulate acceptors may also be employed due to the high specific activity of the particles promoting proximity-induced reabsorptive energy transfer in addition to non-radiative energy transfer. The principle of proteolytic activity assay relied on a novel dual-step FRET concept, wherein the streptavidin-derivatized europium(III)-chelate-doped nanoparticles were used as donors for peptide substrates modified with biotin and terminal europium emission compliant primary acceptor and a secondary quencher acceptor. The recorded sensitized emission was proportional to the enzyme activity, and the assay response to various inhibitor doses was in agreement with those found in literature showing the feasibility of the technique. Experiments regarding the impact of donor particle size on the extent of direct donor fluorescence and reabsorptive excitation interference in a FRET-based application was conducted with differently sized europium(III)-chelate-doped nanoparticles. It was shown that the size effect was minimal

Physico-chemical characterization of nanoparticle coated paper

Förståelse av olika ytors vätningsegenskaper är viktig i många pappers-relaterade industriella processer eftersom vätningen påverkar materialbeteendet, t.ex. vid bestrykning, tryckning och laminering. Förmågan att kontrollera vätningen är av intresse, därför att den ger nya möjligheter till modifikation av ytor. Vätningen styrs av ytans struktur och kemi. Kunskap om dessa egenskaper krävs både i fundamentala studier och för industriella applikationer. Nanopartiklar används ofta för att skapa funktionella ytor med mångsidiga egenskaper. Detta arbete strävar till att förstå de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos papper och kartong som är bestrukna med nanopartiklar, för att sedan kunna förklara de observerade förändringarna i ytornas vätningsförmåga. Funktionella ytor med justerbar vätningsförmåga tillverkades genom att deponera nanopartiklar i en rulle-till-rulle vätskeflammasprutningprocess (LFS). TiO2 -nanopartikelbeläggningen skapar en superhydrofob yta som har över 160° kontaktvinkelmed vatten, medan SiO2-nanopartikelbeläggningar skapar mycket hydrofila ytor med kontaktvinklar så låga som 21° med vatten. Superhydrofobiciteten eller hydrofiliteten är ett resultat av den kombinerade effekten hos ytstrukturen och ytkemin, såsom nanopartiklarnas oxidationsnivå eller karbonatiseringsnivå. Kartongytor som är bestrukna med TiO2-nanopartiklar kan vara såväl superhydrofoba som hydrofila. Hydrofilitet kan induceras genom UVA-strålning, medan behandling i hög temperatur i ugn resulterar i en superhydrofob yta. Ett mål med arbetet var att förstå mekanismerna hos de kemiska för ändringar som sker under UVA-bestrålning och värmebehandling av ytor, bestrukna med TiO2-nanopartiklar. Ytornas abrasions- och kompressionsmotstånd samt relaterade förändringar i funktionella egenskaper undersöktes. Resultaten skapar en bättre förståelse för potentiell användning av LFS-nanopartikelbeläggningar i pappersrelaterade applikationer. En förståelse för stabiliteten hos nanopartikelbeläggningarna när de exponeras för externa krafter är viktig för att försäkra deras funktionalitet i industriella applikationer och för att garantera beläggningarnas miljö-, hälso- och säkerhetsaspekter. ------------------------------------------ Pinnan kastumisominaisuuksien hallinta on tärkeää monissa paperiteollisuuden prosesseissa, sillä pinnan kastuminen vaikuttaa esimerkiksi päällystämiseen, painamiseen ja laminointiin. Pinnan kastuvuuden säätäminen avaa mielenkiintoisia uusia mahdollisuuksia pintojen ominaisuuksien hallintaan. Pinnan kastuvuus määräytyy pinnan rakenteesta ja kemiasta, ja näiden ominaisuuksien ymmärtäminen on tärkeää sekä perustutkimuksessa että teollisissa sovelluksissa. Nanopartikkeleita käytetään usein toiminnallisten ja hallitusti kastuvien pintojen aikaansaamiseksi. Tässä työssä on tarkasteltu nanopartikkelipinnoitetun paperin ja kartongin fysikaalis-kemiallisia pintaominaisuuksia, jotka selittävät havaittuja muutoksia pinnan kastuvuudessa. Toiminnalliset pinnat säädettävillä kastuvuusominaisuuksilla valmistettiin nesteliekkiruiskutus (LFS) nanopartikkelipinnoituksella rullalta rullalle-menetelmällä. TiO2-nanopartikkelipäällystys saa aikaan superhydrofobisen pinnan, jonka veden kontaktikulma on suurempi kuin 160°. Toisaalta SiO2-nanopartikkelipäällystys muuttaa pinnan hyvin hydrofiiliseksi, veden kontaktikulman ollessa vain 21°. Pinnan superhydrofobisuus tai hydrofiilisyys riippuu nanopartikkelipinnan rakenteesta ja pintakemiasta kuten pinnan hapettumisasteesta ja hiilipitoisuudesta. TiO2-nanopartikkelipinnoitetun kartonkipinnan kastumista voidaan säätää superhydrofobisen ja hydrofiilisen välillä. Pinnan hydrofiilisyys saadaan aikaan UVA-valolla, kun taas superhydrofobinen pinta voidaan palauttaa korkeassa lämpötilassa uunissa. Tämän työn tavoitteena oli selvittää, millaisia muutoksia TiO2-nanopartikkelipäällystetyn pinnan kemiassa tapahtuu UVA-valon ja lämpökäsittelyn vaikutuksesta. Työssä tarkasteltiin myös pinnan mekaanisen hankauksen ja kokoonpuristuksen vaikutusta toiminnallisiin ominaisuuksiin. Työssä saavutetut tulokset auttavat ymmärtämään LFS-nanopartikkelipäällystettyjen pintojen soveltuvuutta paperiin liittyvissä sovelluksissa. Nanopartikkelipäällystettyjen pintojen stabiilius ulkoisten voimien alaisena on tärkeää toiminnallisten päällystysten ympäristö-, terveys- ja turvallisuusnäkökulmia tarkasteltaessa.

Nanoparticle-Assisted Immunoassays for Point-of-Care Testing - With Specific Interest in Minimally Interference-Prone Assays for Cardiac Troponin I

Cardiac troponins (cTn) I and T are the current golden standard biochemical markers in the diagnosis and risk stratification of patients with suspected acute coronary syndrome. During the past few years, novel assays capable of detecting cTn‐concentrations in >50% of apparently healthy individuals have become readily available. With the emerging of these high sensitivity cTn assays, reductions in the assay specificity have caused elevations in the measured cTn levels that do not correlate with the clinical picture of the patient. The increased assay sensitivity may reveal that various analytical interference mechanisms exist. This doctoral thesis focused on developing nanoparticle‐assisted immunometric assays that could possibly be applied to an automated point‐of‐care system. The main objective was to develop minimally interference‐prone assays for cTnI by employing recombinant antibody fragments. Fast 5‐ and 15‐minute assays for cTnI and D‐dimer, a degradation product of fibrin, based on intrinsically fluorescent nanoparticles were introduced, thus highlighting the versatility of nanoparticles as universally applicable labels. The utilization of antibody fragments in different versions of the developed cTnI‐assay enabled decreases in the used antibody amounts without sacrificing assay sensitivity. In addition, the utilization of recombinant antibody fragments was shown to significantly decrease the measured cTnI concentrations in an apparently healthy population, as well as in samples containing known amounts of potentially interfering factors: triglycerides, bilirubin, rheumatoid factors, or human anti‐mouse antibodies. When determining the specificity of four commercially available antibodies for cTnI, two out of the four cross‐reacted with skeletal troponin I, but caused crossreactivity issues in patient samples only when paired together. In conclusion, the results of this thesis emphasize the importance of careful antibody selection when developing cTnI assays. The results with different recombinant antibody fragments suggest that the utilization of antibody fragments should strongly be encouraged in the immunoassay field, especially with analytes such as cTnI that require highly sensitive assay approaches.

Nd:YAG Laser Welding of 5083 Aluminium Alloy using Filler Wire

High reflectivity and high thermal conductivity, high vapour pressure of alloyingelements as well as low liquid surface tension and low ionisation potential, make laser welding of aluminium and its alloys a demanding task.Problems that occur during welding are mainly process instabilities of the keyhole and the melt pool, increased plasma formation above the melt pool and loss of alloying elements. These problems lead to unwanted metallurgical defects like hot cracks and porosity in the weld bead andother problems concerning the shape and appearance of the weld bead. In order to minimise the defects and improve the weld quality, the process and beam parameters need to be carefully adjusted along with a consideration concerning the use of filler wire for the welding process. In this work the welding of 3,0 mm thick grade 5083 aluminium alloy plates using a 3,0 kW Nd:YAG laser with grade 5183 filler wire addition is investigated. The plates were welded as butt joints with air gap sizes 0,5 mm, 0,7mm and 1,0 mm. The analysis of the weld beads obtained from the weldedsamples showed that the least imperfections were produced with 0,7 mm air gaps at moderate welding speeds. The analysis also covered the calculation of the melting efficiency and the study of the shape of the weld bead. The melting efficiency was on average around 20 % for the melting process of the welded plates. The weld beads showed the characteristic V-shape of a laser weld and retained this shape during the whole series of experiments.

Raaka-aine- ja energiatehokkuuden parantaminen Oras Oy:n valimossa

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia toimintatapoja ja edellytyksiä parantaa Oras Oy:n valimon raaka-aine- ja energiatehokkuutta. Tarkastelu suoritettiin ekotehokkuusajattelun näkökulmasta. Valimon ekotehokkuutta mitattiin metallin saannon sekä valu-uunien energiatehokkuuden avulla. Tutkimustyö suoritettiin valitsemalla tarkastelun kohteeksi 20 valutuotetta. Metallin saantoa selvitettäessä punnittiin tuotteita eri työvaiheissa,jolloin saatiin selville valukanavien sekä koneistus- ja hiontavarojen osuudet valutuotteisiin panostetusta messingistä. Saantoa laskettaessa tuli myös huomioida vuosittain hylättävien tuotteiden määrät sekä messingin raaka-ainekierto kokonaisuudessaan. Valu-uunien osalta selvitettiin toiminta-ajan ja energiankulutuksen jakautuminen messingin sulattamisen ja sulan kuumanapidon kesken. Työssä tarkasteltiin, kuinka paljon metallin saantoa voitaisiin parantaa pienentämällä valukanavien ja työvarojen osuutta valoksissa sekä vähentämällähylkyjen määrää. Lisäksi tarkasteltiin muutosten vaikutuksia raaka-ainekustannuksiin sekä jätteiden määrään. Valu-uunien energiatehokkuuden parantamisen osaltatarkasteltiin käyttöasteen nostamisen eli viikoittaisen käyntiajan lisäämisen vaikutuksia energiankulutukseen ja -kustannuksiin sekä edellytyksiä pitää osa uuneista kylmänä.

Heat Transfer Analysis of the EPR Core Catcher Test Facility Volley

Uusi EPR-reaktorikonsepti on suunniteltu selviytymään tapauksista, joissa reaktorinsydän sulaa ja sula puhkaisee paineastian. Suojarakennuksen sisälle on suunniteltu alue, jolle sula passiivisesti kerätään, pidätetään ja jäähdytetään. Alueelle laaditaan valurautaelementeistä ns.sydänsieppari, joka tulvitetaan vedellä. Sydänsulan tuottama jälkilämpö siirtyyveteen, mistä se poistetaan suojarakennuksen jälkilämmönpoistojärjestelmän kautta. Suuri osa lämmöstä poistuu sydänsulasta sen yläpuolella olevaan veteen, mutta lämmönsiirron tehostamiseksi myös sydänsiepparin alapuolelle on sijoitettu vedellä täytettävät jäähdytyskanavat. Jotta sydänsiepparin toiminta voitaisiin todentaa, on Lappeenrannan Teknillisellä Yliopistolla rakennettu Volley-koelaitteisto tätä tarkoitusta varten. Koelaitteisto koostuu kahdesta täysimittaisesta valuraudasta tehdystä jäähdytyskanavasta. Sydänsulan tuottamaa jälkilämpöä simuloidaan koelaitteistossa sähkövastuksilla. Tässä työssä kuvataan simulaatioiden suorittaminen ja vertaillaan saatuja arvoja mittaustuloksiin. Työ keskittyy sydänsiepparista jäähdytyskanaviin tapahtuvan lämmönsiirron teoriaan jamekanismeihin. Työssä esitetään kolme erilaista korrelaatiota lämmönsiirtokertoimille allaskiehumisen tapauksessa. Nämä korrelaatiot soveltuvat erityisesti tapauksiin, joissa vain muutamia mittausparametreja on tiedossa. Työn toinen osa onVolley 04 -kokeiden simulointi. Ensin käytettyä simulointitapaa on kelpoistettuvertaamalla tuloksia Volley 04 ja 05 -kokeisiin, joissa koetta voitiin jatkaa tasapainotilaan ja joissa jäähdytteen käyttäytyminen jäähdytyskanavassa on tallennettu myös videokameralla. Näiden simulaatioiden tulokset ovat hyvin samanlaisiakuin mittaustulokset. Korkeammilla lämmitystehoilla kokeissa esiintyi vesi-iskuja, jotka rikkoivat videoinnin mahdollistavia ikkunoita. Tämän johdosta osassa Volley 04 -kokeita ikkunat peitettiin metallilevyillä. Joitakin kokeita jouduttiin keskeyttämään laitteiston suurten lämpöjännitysten johdosta. Tällaisten testien simulaatiot eivät ole yksinkertaisia suorittaa. Veden pinnan korkeudesta ei ole visuaalista havaintoa. Myöskään jäähdytteen tasapainotilanlämpötiloista ei ole tarkkaa tietoa, mutta joitakin oletuksia voidaan tehdä samoilla parametreilla tehtyjen Volley 05 -kokeiden perusteella. Mittaustulokset Volley 04 ja 05 -kokeista, jotka on videoitu ja voitu ajaa tasapainotilaan saakka, antoivat simulaatioiden kanssa hyvin samankaltaisia lämpötilojen arvoja. Keskeytettyjen kokeiden ekstrapolointi tasapainotilaan ei onnistunut kovin hyvin. Kokeet jouduttiin keskeyttämään niin paljon ennen termohydraulista tasapainoa, ettei tasapainotilan reunaehtoja voitu ennustaa. Videonauhoituksen puuttuessa ei veden pinnan korkeudesta saatu lisätietoa. Tuloksista voidaan lähinnä esittää arvioita siitä, mitä suuruusluokkaa mittapisteiden lämpötilat tulevat olemaan. Nämä lämpötilat ovat kuitenkin selvästi alle sydänsiepparissa käytettävän valuraudan sulamislämpötilan. Joten simulaatioiden perusteella voidaan sanoa, etteivät jäähdytyskanavien rakenteet sula, mikäli niissä on pienikin jäähdytevirtaus, eikä useampia kuin muutama vierekkäinen kanava ole täysin kuivana.

The use of branched ketenedimers in solving the deposit problems related to the internal sizing of uncoated fine paper

Alkyl ketene dimers (AKD) are effective and highly hydrophobic sizing agents for the internal sizing of alkaline papers, but in some cases they may form deposits on paper machines and copiers. In addition, alkenyl succinic anhydrides (ASA)- based sizing agents are highly reactive, producing on-machine sizing, but under uncontrolled wet end conditions the hydrolysis of ASA may cause problems. This thesis aims at developing an improved ketene dimer based sizing agent that would have a lower deposit formation tendency on paper machines and copiers than a traditional type of AKD. The aim is also to improve the ink jet printability of a AKD sized paper. The sizing characteristics ofketene dimers have been compared to those of ASA. A lower tendency of ketene dimer deposit formation was shown in paper machine trials and in printability tests when branched fatty acids were used in the manufacture of a ketene dimer basedsizing agent. Fitting the melting and solidification temperature of a ketene dimer size to the process temperature of a paper machine or a copier contributes to machine cleanliness. A lower hydrophobicity of the paper sized with branched ketene dimer compared to the paper sized with traditional AKD was discovered. However, the ink jet print quality could be improved by the use of a branched ketene dimer. The branched ketene dimer helps in balancing the paper hydrophobicity for both black and color printing. The use of a high amount of protective colloidin the emulsification was considered to be useful for the sizing performance ofthe liquid type of sizing agents. Similar findings were indicated for both the branched ketene dimer and ASA.

Seospellettien pienpoltto

This work is a part of Vapos research over mixed pellets. In this work combustion of ten different mixed pellets are examined. This is done by two kinds of tests, burning tests and ash melting tests. First there is a short review how different bio fuels burn and what kind of problems they cause. After this burning characteristics and flue gas calculation methods are acquainted. In test part burning tests and ash melting tests and their results are reported. Lastly conclusions and considerations over further study are done.

Fluoriditasetarkastelu ja päästöjen hallinta ferrokromi- ja terästeollisuudessa

Työn alkuosassa kartoitettiin AvestaPolarit –yhtiöiden Tornion tehtaiden keskeiset fluoridilähteet kuten fluspaatti, valukuonat, valupulverit ja fluorivetyhappo. Valupulverien ja kuonien haihtumis- ja liukoisuuskäyttäytymistä valaistiin kotimaisten ja kansainvälisten tutkimusten avulla. Tutkimustuloksia sovellettiin pääpiirteittäin Tornion tehtaiden tilanteeseen ottamalla huomioon tekijät, jotka saattoivat lieventää tai vahvistaa fluoridien vaikutusta ympäristöön. Yleisesti fluoridien ympäristö- ja terveysvaikutukset arvioitiin vähäisiksi. Työn kokeellisessa osassa määritettiin Tornion tehtaiden ferrokromitehtaan, terässulaton, kuumavalssaamon ja kylmävalssaamon fluoriditaseet. Jokaisen osastojen syötteiden fluoridipitoisuudet selvitettiin tuottajien ilmoittamien tuotekoostumuksien, spesifikaatioiden ja fluoridianalyysien perusteella. Fluoridien kokonaismäärät laskettiin jokaiselle syötteelle ja ne suhteutettiin kunkin osaston vuoden 2001 tuotantotasoon. Tasetarkastelussa suurimpina fluoridisyötteinä nousivat odotetusti esiin terässulaton käyttämä kuonanmuodostaja-aine fluspaatti (CaF2) ja kylmävalssaamon peittaushappo, 70 prosenttinen fluorivetyhappo (HF). Lisäksi muita merkittäviä syötteitä olivat kylmävalssaamon käyttämä kalkkipitoinen sekakuona ja ferrokromitehtaan sulatuskoksi. Tuotoksien eli päästöjen fluoridipitoisuudet saatiin selville päästömittauksin. Jätevesistä otettiin pääosin viikoittaisia kokoomanäytteitä, jotka analysoitiin tehtaan laboratoriossa. Kaasumaiset tuotokset oli määritetty kertamittauksien perusteella. Kiinteiden tuotoksien eli sakkojen ja kuonien fluoridimittaukset suoritettiin 3 sulatuksen kuonanäytteistä ja sakan vuosinäytteestä. Tuotoksista suurimmat ominaispäästökertoimet olivat juuri terässulaton AOD-konvertterin ja senkkauunin kuonilla ja kylmävalssaamon neutraloidulla regenerointisakalla ja neutralointisakoilla. Näistä ei aiheutunut varsinaista päästöä lähiympäristöön, koska sakat ja kuonat loppusijoitetaan tehtaan kaatopaikalle tai niitä käytetään liukenemattomassa muodossa. Tornion tehtaiden fluoridisyötteiden ja -tuotoksien mittausepätarkkuudet vaikuttivat fluoriditaseeseen. Ferrokromitehtaan fluoridisyötteet olivat kokonaismäärältään selvästi suurempia kuin tuotokset. Terässulaton fluoriditaseen tuotokset olivat suurempia kuin syötteet ja kylmävalssaamon syötteet sekä tuotokset olivat karkeasti arvioiden samaa suuruusluokkaa. Kuumavalssaamon fluoridisyötteet ja -tuotokset olivat mitättömiä. Fluoriditaseen epävarmuustekijöitä voidaan vähentää suorittamalla esimerkiksi useita fluoridimittauksia kaasumaisista päästöistä.

Uuttoprosessin suunnittelu

Teknologian kehitys ja prosessien tiukempi valvonta ovat alentaneet selluteollisuuden häviöitä tehden prosesseista suljetumpia. Valitettavasti nämä edistysaskeleet teknologiassa ovat lisänneet prosessiin kuulumattomien yhdisteiden määrää kemikaalien talteenottokierrossa. Näistä kemikaaleista haitallisimpia ovat kloridi- ja kaliumyhdisteet, jotka tulevat prosessiin raaka-aineiden ja prosessikemikaalien mukana. Kloridi ja kalium muodostavat emäksisissä liuoksissa epäorgaanisia liukoisia yhdisteitä, jotka rikastuvat lipeäkiertoon. Soodakattilassa kloridien läsnäolo alentaa tuhkan sulamislämpötilaa sekä tarttumispistettä, lisää korroosiota ja saostumien muodostumista kattilan pinnalle. Nämä seuraukset voivat vähentää vuosituotantoa ja nostaa korjauskustannuksia. Kaliumin ja kloridin rikastumista talteenottokiertoon voidaan estää poistamalla ne prosessista. Prosessiin kuulumattomat yhdisteet tulisi poistaa talteenottoprosessista ja säilyttää samalla korkea kemikaalien talteenottoprosentti. Koska kaliumin ja kloridin rikastumiskertoimet soodakattilan tuhkassa ovat korkeita, on tuhkan käsittely tehokasta. Kloridin ja kaliumin poistoon on kehitetty menetelmiä, joilla voidaan vähentää hyödyllisten kemikaalien häviöitä. Näitä menetelmiä ovat uutto, ioninvaihto, elektrodialyysi, jäähdytyskiteytys ja haihdutuskiteytys. Menetelmissä tuhka jaetaan kloridi- ja kaliumpitoiseen osaan ja natriumsulfaattipitoiseen osaan. Kloridi ja kalium poistetaan prosessista ja loput palautetaan lipeäkiertoon. Kloridin ja kaliumin poistoa tuhkasta tutkittiin uuttamalla tuhkaa vedellä. Parhaissa käyttöolosuhteissa natriumsulfaatin liukoisuus veteen on huomattavasti alhaisempi kuin kaliumkloridin liukoisuus veteen. Optimaalinen uuttolämpötila ja tuhka-vesisuhde määritettiin siten, että kloridi- ja kaliumpitoisuudet suodoksessa olivat mahdollisimman korkeat sekä natriumin ja muiden anioneiden pitoisuudet suodoksessa mahdollisimman alhaiset. Saatuja tuloksia käytettiin jatkuvatoimisen uuttoprosessin suunnittelussa.

Fusion weld metal solidification:Continuum from weld interface to centerline

We present a brief résumé of the history of solidification research and key factors affecting the solidification of fusion welds. There is a general agreement of the basic solidification theory, albeit differing - even confusing - nomenclatures do exist, and Cases 2 and 3 (the Chalmers' basic boundary conditions for solidification, categorized by Savage as Cases) are variably emphasized. Model Frame, a tool helping to model the continuum of fusion weld solidification from start to end, is proposed. It incorporates the general solidification models, of which the pertinent ones are selected for the actual modeling. The basic models are the main solidification Cases 1…4. These discrete Cases are joined with Sub-Cases: models of Pfann, Flemings and others, bringing needed Sub-Case variables into the model. Model Frame depicts a grain growing from the weld interface to its centerline. Besides modeling, the Model Frame supports education and academic debate. The new mathematical modeling techniques will extend its use into multi-dimensional modeling, introducing new variables and increasing the modeling accuracy. We propose a model: melting/solidification-model (M/S-model) - predicting the solute profile at the start of the solidification of a fusion weld. This Case 3-based Sub-Case takes into account the melting stage, the solute back-diffusion in the solid, and the growth rate acceleration typical to fusion welds. We propose - based on works of Rutter & Chalmers, David & Vitek and our experimental results on copper - that NEGS-EGS-transition is not associated only with cellular-dendritic-transition. Solidification is studied experimentally on pure and doped copper with welding speed range from 0 to 200 cm/min, with one test at 3000 cm/min. Found were only planar and cellular structures, no dendrites - columnar or equiaxed. Cell sub structures: rows of cubic elements we call "cubelettes", "cell-bands" and "micro-cells", as well as an anomalous crack morphology "crack-eye", were detected, as well as microscopic hot crack nucleus we call "grain-lag cracks", caused by a grain slightly lagging behind its neighbors in arrival to the weld centerline. Varestraint test and R-test revealed a change of crack morphologies from centerline cracks to grainand cell boundary cracks with an increasing welding speed. High speed made the cracks invisible to bare eye and hardly detectable with light microscope, while electron microscope often revealed networks of fine micro-cracks.

Welding of Sheet metal using Modified short arc MIG/MAG welding process

In this research work, the results of an investigation dealing with welding of sheet metals with diverse air gap using FastROOT modified short arc welding method and short circuit MAG welding processes have been presented. Welding runs were made under different conditions and, during each run, the different process parameters were continuously monitored. It was found that maximum welding speed and less HAZ are reached under specific welding conditions with FastROOT method with the emphasis on arc stability. Welding results show that modified short arc exhibits a higher electrode melting coefficient and with virtually spatter free droplet transition. By adjusting the short circuit duration the penetration can be controlled with only a small change in electrode deposition. Furthermore, by mixing pulsed MIG welding with modified arc welding the working envelope of the process is greatly extended allowing thicker material sections to be welded with improved weld bead aesthetics. FastROOT is a modified short arc welding process using mechanized or automated welding process based on dip transfer welding, characterized by controlled material deposition during the short circuit of the wire electrode to the workpiece.

Tuplakuori-rakenne eristettyihin muoviputkiin

Eristettyjen muoviputkien kuljetus- tai asennusvaiheessa on mahdollista, että putken suojakuori rikkoutuu mekaanisen iskun vaikutuksesta ja putken sisään pääsee vettä. Huonoimmassa tapauksessa vesi pääsee etenemään suojakuoren ja eristekerroksen välissä talon sisälle ja aiheuttaa mittavat kosteusvahingot. Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää, onko eristetylle muoviputkelle mahdollista toteuttaa tuotantotaloudellisesti tuplakuori-rakenne. Tuplakuoren tarkoituksena oli tässä työssä estää putken sisärakenteisiin päässeen veden eteneminen putken pitkittäissuunnassa. Diplomityössä käsiteltiin muutamia vaihtoehtoisia ratkaisuja toteuttaa tuplakuori-rakenne joista lopulta päädyttiin keskittymään muovikalvon käyttöön. Muovikalvon käytöllä oli lähinnä kaksi tarkoitusta. Tärkeimpänä oli saada muovikalvo sulamaan eristekerroksen ja suojakuoren väliin. Tällöin sulanut muovikalvo toimisi liiman tavoin ja hitsaisi eristekerroksen ja suojakuoren toisiinsa kiinni. Näin veden eteneminen eristekerroksen ja suojakuoren välissä saataisiin estetyksi. Muovikalvo oli myös tarkoitus kiristää eristepaketin päälle niin kireälle, että eristepaketin halkaisijaa saataisiin pienennettyä. Muovikalvon käyttöön perehdyttiin suorittamalla tuotantolinjalla koeajoja. Koeajoissa kokeiltiin erilaisia ja erikokoisia putkituotteita erilaisilla tuotantoparametreilla. Näin pyrittiin löytämään parhaat parametrit ja arvot, joilla muovikalvoa pystyttäisiin tulevaisuudessa käyttämään jatkuvassa tuotannossa. Koeajojen tuloksista voitiin havaita, että kalvoitetut putkituotteet käyttäytyivät tuotannossa hyvin eri tavoin.

Genesis and Emplacement of Carbonatites and Lamprophyres in the Svecofennian Domain

A small carbonatite dyke swarm has been identified at Naantali, southwest Finland. Several swarms of shoshonitic lamprophyres are also known along the Archean-Proterozoic boundary in eastern Finland and northwest Russia. These intrusions, along with the carbonatite intrusion at Halpanen, eastern Finland, represent a stage of widespread low-volume mantle-sourced alkaline magmatism in the Svecofennian Domain. Using trace element and isotope geochemistry coupled with precise geochronology from these rocks, a model is presented for the Proterozoic metasomatic evolution of the Fennoscandian subcontinental lithospheric mantle. At ~2.2-2.06 Ga, increased biological production in shallow seas linked to continental rifting, resulted in increased burial rates of organic carbon. Subduction between ~1.93-1.88 Ga returned organic carbon-enriched sediments of mixed Archean and Proterozoic provenance to the mantle. Dehydration reactions supplied water to the mantle wedge, driving arc volcanism, while mica, amphibole and carbonate were brought deeper into the mantle with the subducting slab. The cold subducted slab was heated conductively from the surrounding warm mantle, while pressures continued to gradually increase as a result of crustal thickening. The sediments began to melt in a two stage process, first producing a hydrous alkaline silicate melt, which infiltrated the mantle wedge and crystallised as metasomatic veins. At higher temperatures, carbonatite melt was produced, which preferentially infiltrated the pre-existing metasomatic vein network. At the onset of post-collisional extension, deep fault structures formed, providing conduits for mantle melts to reach the upper crust. Low-volume partial melting of the enriched mantle at depths of at least 110 km led to the formation of first carbonatitic magma and subsequently lamprophyric magma. Carbonatite was emplaced in the upper crust at Naantali at 1795.7 ± 6.8 Ma; lamprophyres along the Archean-Proterozoic boundary were emplaced between 1790.1 ± 3.3 Ma and 1781 ± 20 Ma.

Performance of high power fibre laser cutting of thick-section steel and mediumsection aluminium

Cutting of thick section stainless steel and mild steel, and medium section aluminium using the high power ytterbium fibre laser has been experimentally investigated in this study. Theoretical models of the laser power requirement for cutting of a metal workpiece and the melt removal rate were also developed. The calculated laser power requirement was correlated to the laser power used for the cutting of 10 mm stainless steel workpiece and 15 mm mild steel workpiece using the ytterbium fibre laser and the CO2 laser. Nitrogen assist gas was used for cutting of stainless steel and oxygen was used for mild steel cutting. It was found that the incident laser power required for cutting at a given cutting speed was lower for fibre laser cutting than for CO2 laser cutting indicating a higher absorptivity of the fibre laser beam by the workpiece and higher melting efficiency for the fibre laser beam than for the CO2 laser beam. The difficulty in achieving an efficient melt removal during high speed cutting of the 15 mmmild steel workpiece with oxygen assist gas using the ytterbium fibre laser can be attributed to the high melting efficiency of the ytterbium fibre laser. The calculated melt flow velocity and melt film thickness correlated well with the location of the boundary layer separation point on the 10 mm stainless steel cut edges. An increase in the melt film thickness caused by deceleration of the melt particles in the boundary layer by the viscous shear forces results in the flow separation. The melt flow velocity increases with an increase in assist gas pressure and cut kerf width resulting in a reduction in the melt film thickness and the boundary layer separation point moves closer to the bottom cut edge. The cut edge quality was examined by visual inspection of the cut samples and measurement of the cut kerf width, boundary layer separation point, cut edge squareness (perpendicularity) deviation, and cut edge surface roughness as output quality factors. Different regions of cut edge quality in 10 mm stainless steel and 4 mm aluminium workpieces were defined for different combinations of cutting speed and laserpower.Optimization of processing parameters for a high cut edge quality in 10 mmstainless steel was demonstrated