PDM system functions and utilizations analysis to improve efficiency of sheet metal product design and manufacturing

This study will concentrate on Product Data Management (PDM) systems, and sheet metal design features and classification. In this thesis, PDM is seen as an individual system which handles all product-related data and information. The meaning of relevant data is to take the manufacturing process further with fewer errors. The features of sheet metals are giving more information and value to the designed models. The possibility of implementing PDM and sheet metal features recognition are the core of this study. Their integration should make the design process faster and manufacturing-friendly products easier to design. The triangulation method is the basis for this research. The sections of this triangle are: scientific literature review, interview using the Delphi method and the author’s experience and observations. The main key findings of this study are: (1) the area of focus in triangle (the triangle of three different point of views: business, information exchange and technical) depends on the person’s background and their role in the company, (2) the classification in the PDM system (and also in the CAD system) should be done using the materials, tools and machines that are in use in the company and (3) the design process has to be more effective because of the increase of industrial production, sheet metal blank production and the designer’s time spent on actual design and (4) because Design For Manufacture (DFM) integration can be done with CAD-programs, DFM integration with the PDM system should also be possible.

A support system for evaluating a suitable joining method in the production of sheet metal goods

This report illustrates a comparative study of various joining methods involved in sheet metal production. In this report it shows the selection of joining methods, which includes comparing the advantages and disadvantages of a method over the other ones and choosing the best method for joining. On the basis of various joining process from references, a table is generated containing set of criterion that helps in evaluation of various sheet metal joining processes and in selecting the most suitable process for a particular product. Three products are selected and a comprehensive study of the joining methods is analyzed with the help of various parameters. The table thus is the main part of the analysis process of this study and can be advanced with the beneficial results. It helps in a better and easy understanding and comparing the various methods, which provides the foundation of this study and analysis. The suitability of the joining method for various types of cases of different sheet metal products can be tested with the help of this table. The sections of the created table display the requirements of manufacturing. The important factor has been considered and given focus in the table, as how the usage of these parameters is important in percentages according to particular or individual case. The analysis of the methods can be extended or altered by changing the parameters according to the constraint. The use of this table is demonstrated by pertaining the cases from sheet metal production.

Origins of production errors and significance of employee empowerment in reducing production error amount in sheet metal fabricating industry

The market place of the twenty-first century will demand that manufacturing assumes a crucial role in a new competitive field. Two potential resources in the area of manufacturing are advanced manufacturing technology (AMT) and empowered employees. Surveys in Finland have shown the need to invest in the new AMT in the Finnish sheet metal industry in the 1990's. In this run the focus has been on hard technology and less attention is paid to the utilization of human resources. In manymanufacturing companies an appreciable portion of the profit within reach is wasted due to poor quality of planning and workmanship. The production flow production error distribution of the sheet metal part based constructions is inspectedin this thesis. The objective of the thesis is to analyze the origins of production errors in the production flow of sheet metal based constructions. Also the employee empowerment is investigated in theory and the meaning of the employee empowerment in reducing the overall production error amount is discussed in this thesis. This study is most relevant to the sheet metal part fabricating industrywhich produces sheet metal part based constructions for electronics and telecommunication industry. This study concentrates on the manufacturing function of a company and is based on a field study carried out in five Finnish case factories. In each studied case factory the most delicate work phases for production errors were detected. It can be assumed that most of the production errors are caused in manually operated work phases and in mass production work phases. However, no common theme in collected production error data for production error distribution in the production flow can be found. Most important finding was still that most of the production errors in each case factory studied belong to the 'human activity based errors-category'. This result indicates that most of the problemsin the production flow are related to employees or work organization. Development activities must therefore be focused to the development of employee skills orto the development of work organization. Employee empowerment gives the right tools and methods to achieve this.

Designing of statically loaded sheet metal structures

The goal of this thesis is to give information to machine designers about how to design and size sheet metal structures and joints. Generally, the designing object is to lighten structures. To design structures that are light and can carry loads more effectively, designers have to be updated of new manufacturing techniques and new designing methods and criterions. With knowledge of this thesis, a designer can recognize objects and methods plus how and where it is possible to apply these new more effectively load carrying structures. The thesis gives answers to questions of corrosion and material planning, goes into joint types and manufacturing techniques of sheet metal structures. One of the main issues is to develop designers world of ideas to design right kind of products with new lasertechniques.

Welding of additively manufactured stainless steel parts: Comparative study between sheet metal and selective laser melted parts

Additive manufacturing is a fast growing manufacturing technology capable of producing complex objects without the need for conventional manufacturing process planning. During the process the work piece is built by adding material one layer at a time according to a digital 3D CAD model. At first additive manufacturing was mainly used to make prototypes but the development of the technology has made it possible to also make final products. Welding is the most common joining method for metallic materials. As the maximum part size of additive manufacturing is often limited, it may sometimes be required to join two or more additively manufactured parts together. However there has been almost no research on the welding of additively manufactured parts so far, which means that there has been very little information available on the possible differences compared to the welding of sheet metal parts. The aim of this study was to compare the weld joint properties of additively manufactured parts to those of sheet metal parts. The welding process that was used was TIG welding and the test material was 316L austenitic stainless steel. Weld joint properties were studied by making tensile, bend and hardness tests and by studying the weld microstructures with a microscope. Results show that there are certain characteristics in the welds of additively manufactured parts. The building direction of the test pieces has some impact on the mechanical properties of the weld. Nevertheless all the welds exhibited higher yield strength than the sheet metal welds but at the same time elongation at break was lower. It was concluded that TIG welding is a feasible process for welding additively manufactured parts.

Weldability of powder bed fusion fabricated stainless steel 316L sheets to cold rolled sheet metal

Weldability of powder bed fusion (PBF) fabricated components has come to discussion in past two years due to resent developments in the PBF technology and limited size of the machines used in the fabrication process. This study concentrated on effects of energy input of welding on mechanical properties and microstructural features of welds between PBF fabricated stainless steel 316L sheets and cold rolled sheet metal of same composition by the means of destructive testing and microscopic analysis. Optical fiber diameter, laser power and welding speed were varied during the experiments that were executed following one variable at a time (OVAT) method. One of the problems of welded PBF fabricated components has been lower elongations at break comparing to conventionally manufactured components. Decreasing energy input of the laser keyhole welding decreased elongations at break of the welded specimens. Ultimate tensile strengths were not affected significantly by the energy input of the welding, but fracturing of the specimens welded using high energy input occurred from the weld metal. Fracturing of the lower energy input welds occurred from the PBF fabricated base metal. Energy input was found to be critical factor for mechanical properties of the welds. Multioriented grain growth and formation of neck at fusion zone boundary on the cold rolled side of the weld was detected and suspected to be result from weld pool flows caused by differences in molten weld pool behaviour between the PBF fabricated and cold rolled sides of the welds.

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.

Aihiovalmistustoiminnan kehittäminen ohutlevytuotetehtaassa

Työ käsittelee aihiovalmistustoiminnan kehittämistä ohutlevytuotetehtaassa. Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää aihiovalmistustiimin toiminnan edellytyksiä uudistuvan laitekannan tuomien mahdollisuuksien avulla muuttuvassa johtamiskulttuurissa. Kirjallisuusosassa tarkastellaan konepajatoiminnan tunnuslukuja ja ohutlevytekniikoiden teoriaa. Konepajatekniikan ohella käsitellään mm. johtamismenetelmien kehitystä yleisesti sekä erityisesti prosessijohtamista. Kokeellisessa osassa tarkastellaan eri raaka-ainevaihtoehtojen soveltuvuutta ohutlevytuotteille ja –rakenteille sekä materiaalikäytön kehittämisen kustannusvaikutuksia. Laiteinvestoinnin vaikutuksia tarkastellaan käytössä olevan konekapasiteetin hyödyntämisen kannalta. Aihiovalmistustoiminnan kehittämistä tarkastellaan kahden vuoden aikajänteellä, jona aikana kohdeyrityksessä ollaan implementoimassa prosessijohtamiseen perustuvaa prosessiorganisaatiomallia. Tutkimustuloksia tullaan hyödyntämään kohdeyrityksen operatiivisessa työskentelyssä.

On the development of object functions and restrictions for shapes made with a turret punch press

This study presents the information required to describe the machine and device resources in the turret punch press environment which are needed for the development of the analysing method for automated production. The description of product and device resources and their interconnectedness is the starting point for method comparison the development of expenses, production planning and the performance of optimisation. The manufacturing method cannot be optimized unless the variables and their interdependence are known. Sheet metal parts in particular may then become remarkably complex, and their automatic manufacture may be difficult or, with some automatic equipment, even impossible if not know manufacturing properties. This thesis consists of three main elements, which constitute the triangulation. In the first phase of triangulation, the manufacture occuring on a turret punch press is examined in order to find the factors that affect the efficiency of production. In the second phase of triangulation, the manufacturability of products on turret punch presses is examined through a set of laboratory tests. The third phase oftriangulation involves an examination of five industry parts. The main key findings of this study are: all possible efficiency in high automation level machining cannot be achieved unless the raw materials used in production and the dependencies of the machine and tools are well known. Machine-specific manufacturability factors for turret punch presses were not taken into account in the industrial case samples. On the grounds of the performed tests and industrial case samples, the designer of a sheet metal product can directly influence the machining time, material loss, energy consumption and the number of tools required on a turret punch press by making decisions in the way presented in the hypothesis of thisstudy. The sheet metal parts to be produced can be optimised to bemanufactured on a turret punch press when the material to be used and the kinds of machine and tool options available are known. This provides in-depth knowledge of the machine and tool properties machine and tool-specifically. None of the optimisation starting points described here is a separate entity; instead, they are all connected to each other.

Ohutlevytuotteenvalmistusteknisten piirteiden tunnistaminen ja käyttö suunnittelun apuna

Suunnittelu- ja valmistustoiminnot ovat eriytymässä myös ohutlevyteollisuudessa. Kilpailukyvyn parantamiseksi, valmistusta siirretään alihankkijoille maihin, jossa työvoima on halpaa ja suuret markkinat lähellä, tuotekehityksen ja suunnittelun jäädessä Suomeen tai muualle Länsi-Eurooppaan. Tällöin vanhan lokaalin toimintamallin synergiaedut eivät ole enää mahdollisia ja tuotteen valmistettavuuden arviointi, laadunhallinta ja komponenttien yhteensopivuuden varmistaminen on erittäin haasteellista. Tässä tutkimuksessa etsittiin uuden toimintamallin tuomiin haasteisiin vastauksia piirrepohjaisesta mallintamisesta. Tavoitteen mukaisesti, tutkimuksessa tunnistettiin ohutlevytuotteen valmistusteknilliset piirteet ja luotiin niiden mukainen piirrekaavio. Piirteiden tunnistus vaati tutkimustyötä sekä nykyaikaisten suunnittelumetodien että valmistusmenetelmien ja ohutlevymateriaalien parissa. Lisäksitarkasteltiin, millaisia vaikutuksia piirteillä on tuotteen valmistettavuuteen ja miten nämä tulee huomioida tuotteen suunnittelussa.

Joustavan robotisoidun särmäyssolun käyttöönotto levytuotetahtaalla

Diplomityön ensimmäisenä tavoitteena on selvittää robotisoidun särmäyssolun tehokkaimmat käyttöalueet särmättävien kappaleiden muotojen ja laitteiston teknisten edellytysten perusteella. Toisena tavoitteena on tuoda esille robotisoidun särmäyssolun käyttöönottoon liittyviä ongelmia ja antaa käytännön ohjeita niiden ratkaisemiseksi. Tuloksia sovelletaan jatkossa kohdeyrityksen markkinoiman särmäyssolun tuotekehitykseen. Särmäyksen automatisoinnin pääpiirteitä tarkastellaan tutkimalla markkinoilla olevien robottisolujen toimintaperiaatteita ja ohjelmointitapoja. Työssä on myös esitetty kohdeyrityksen omat tavoitteet ja lähtökohdat särmäysmenetelmien kehittämiseen, joista tärkeimmät ovat integroitavuus joustavaan valmistusjärjestelmään ja solun kehittäminen myyntiartikkeliksi. Työssä esitellään robotisoidun särmäyssolun toimintaa kuvaamalla työkierron toiminnot pääpiirteissään. Samassa yhteydessä esitellään myös solun konekanta sekä koneiden välillä tapahtuva tiedon siirto. Erityisenä mielenkiinnon kohteena ovat olleet joustavan valmistusjärjestelmän soluohjaimen toiminnot ja särmäyssolun toimivuus FMS:n osana. Analyyttisessä osuudessa tutkitaan kappaleiden särmättävyyttä robotisoidussa tuotantoratkaisussa. Lähtökohdaksi on otettu särmäyspuristimen, robotin, lisälaitteiden ja kappaleen muotojen asettamat rajoitukset sekä toisaalta robotisoinnin tuomat uudet mahdollisuudet. Tulosten perusteella robotisointi soveltuu parhaiten painaville tai monimutkaisille kappaleille, joiden manuaalisärmäys vie paljon aikaa. Taloudellisia käyttöalueita kartoitettiin tutkimalla eräkokoon, ohjelmointiajan, kappaleajan ja särmien määrän vaikutusta valmistuskustannuksiin. Robotisoinnin on todettu kannattavan yrityksissä, joissa sarjat ovat usein toistuvia ja eräkoot yli 150 kappaleen suuruisia. Kappaleen muoto ja särmien määrä vaikuttaa monin tavoin kappaleaikaan ja siten myös valmistuskustannuksiin. Robotisoinnin kannattavuutta on näissä tapauksissa arvioitava aina tapauskohtaisesti työkierron vaatimien toimintojen perusteella.

Ohutlevyn taivuttaminen pienerätuotannossa

Tutkimuksessa on selvitetty ohutlevyn taivuttamismenetelmien tärkeimmät kustannustekijät ja menetelmien taloudelliset käyttöalueet. Vertailtavina menetelminä on käsinsärmäys, robotisoitu särmäys, taivutusautomaatti ja taivutuskone. Tulosta on sovellettu Hackman Metos Oy:n keittiölaitteiden tuotantoon. Tutkimusmenetelminä oli haastattelututkimus, kirjallisuustutkimus, työntutkimustulosten käyttö, ryhmäteknologian soveltaminen ja kokeellinen tutkimus. Särmäysrobotin tärkein kustannustekijä on ohjelmointiaika, mikä vaikuttaa ratkaisevasti sen soveltuvuuteen pienerätuotantoon. Nykyisten särmäyssolujen taloudellinen käyttöalue on tuhansien kappaleiden vuosivolyymi satojen kappaleiden eräkoolla. taivutusautomaatin ohjelmointi- ja asetusajat ovat erittäin lyhyet ja sen tärkein kustannustekijä on käyttöaste. Mikäli käyttöaste on korkea, taivutusautomaatti on kannattava pienerätuotannossa pienille vuosivolyymeille. Taivutusautomaatin käyttöönotossa tuotteiden suunnittelu on tärkeä tekijä, sillä särmättäväksi suunnitellut osat eivät välttämättä sovellu taivutusautomaatilla taivutettavaksi. Taivutuskoneen investointikustannus on alhaisempi kuin särmäyspuristimen, mutta sillä on paljon tuotteen valmistettavuuden liittyviä rajoituksia. Taivutuskone on kannattava investointi, mikäli tuotannossa on paljon levyjä, joiden taivutukset ovat samaan suuntaan ja ne vaativat kaksi särmääjää. Tutkimuksen perusteella Hackman Metso Oy:ssä teknis-taloudellisin taivutusmenetelmä on käsinsärmäys. Tuotannon kasvaessa taivutusautomaatti tulee olemaan särmäysrobottia edullisempi. Taivutuskoneella on niin paljon valmistettavuusrajoituksia, että se ei sovellu yrityksen tuotantoon.

Levypyörien keskiöiden valmistuksen ja puristintyövaiheen kehittäminen

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää levypyörien keskiöiden valmistuksen ja raskaiden puristintöiden kehittämisen vaihtoehdot. Työn teoriaosassa on esitelty levypyörien keskiöiden valmistuksessa käytettäviä meistoteknisiä menetelmiä ja puristintyövaiheen materiaalinkäsittelyn sekä työkalujen käsittelyn ja vaihdon kehittämisratkaisuja. Lisäksi on käsitelty teollisuusrobottien käyttöä puristintöiden kappaleenkäsittelyssä sekä puristintöiden työturvallisuutta. Tuotannon kehittämistarpeiden löytämiseksi työssä analysoitiin keskiötuotannon nykytilaa. Analyysiin perusteella tutkittiin vaihtoehtoisten valmistusmenetelmien käyttöä keskiöiden valmistuksessa sekä puristinosaston layoutin kehittämismahdollisuuksia. Lisäksi selvitettiin erilaisten työkalujen ja työkappaleiden käsittelyssä käytettävien järjestelmien soveltuvuutta raskailla epäkeskopuristimilla suoritettaviin levytöihin. Vaihtoehtoisten valmistusmenetelmien käytön kannattavuutta arvioitiin selvittämällä kappalekohtaiset valmistuskustannukset eri menetelmiä käytettäessä. Puristintöiden kehittämisvaihtoehtojen kannattavuutta selvitettiin alustavasti arvioimalla muutamien työkalujen ja työkappaleiden käsittelyratkaisujen vaatimien investointien suuruutta sekä investointien edellyttämiä tuottoja. Työssä selvitettiin levypyörien keskiöiden valmistuksen ja raskailla epäkeskopuristimilla suoritettavien levytöiden kehittämistarpeita ja kehittämisvaihtoehtoja. Tehdyn selvityksen ja työssä esitettyjen kehitysehdotusten perusteella voidaan tehdä kehityssuunnitelma levypyörien keskiöiden valmistuksen ja puristintyövaiheen kehittämiseksi havaittujen kehitystarpeiden mukaisesti.

Tuulivoimalan generaattorin roottorin valmistuksen ja valmistuskustannusten arviointi

Diplomityössä on käsitelty tuulivoimalan generaattorin roottorin valmistusta ja magneettien kiinnitystä. Työ on osa projektia, jonka tarkoituksena on ollut tuottaa kohdeyritykselle vaihtoehtoinen tuulivoimalan generaattorin roottorirakenne. Työhön on koottu projektissa käsitellyt asiat roottorin valmistustekniikan osalta. Työssä on selvitetty kustannuksien kannalta paras vaihtoehto roottorin valmistamiseksi sisältäen kuljetukset ja magneettien kokoonpanon. Valmistusmenetelminä on vertailtu hitsausta ja valamista. Magneettien osalta tarkasteltiin uuden vaihtoehtoisen kiinnitysmenetelmän tuomia säästöjä nykyiseen ratkaisuun verrattuna. Uusien roottorien kustannuksia on verrattu nykyiseen rakenteeseen. Tutkimusmenetelminä on käytetty projektiryhmän palavereja, haastatteluja ja kirjallisuusselvityksiä. Lopputuloksena kohdeyritykselle luotiin uusi roottorikonsepti, jossa yhdistyvät edullisempi roottorin valmistus ja magneettien kiinnitys. Roottorin valmistaminen valamalla osoittautui selvästi edullisemmaksi kuin hitsaaminen levyistä. Magneettien kiinnitystä yksinkertaistettiin käyttämällä seostettuja magneetteja ja magneettikehyksiä. Roottorin konstruktiomuutoksien avulla mahdollistettiin suurempi magneettien määrä, joka mahdollistaa suuremman tehontuoton.

Pk-yrityksen layout-suunnittelu ohutlevytuoteteollisuudessa

Diplomityössä käsitellään omistajanvaihdon myötä tapahtuvaa yritysten yhdentymistä pkt- sektorilla. Tutkimuksen tarkoituksena oli suunnitella layout uuteen halliin sekä suunnitella muuttoprosessi kokonaisuudessaan. Tutkimuksessa käsiteltiin koneiden siirron lisäksi myös yritysten yhdentymistä ja yritysfuusiota. Ratkaisumalleja haettiin kirjallisuudesta, tuotannon seuraamisesta ja edellisistä muutoista syntyneistä kokemuksista. Työn aikana kartoitettiin yritysten nykytilanne ja etsittiin siellä olevat parantamista vaativat kohdat. Lisäksi selvitettiin yritysten tuotanto layout -suunnittelua varten. Layoutin tekemisen runkona käytettiin Mutherin -layoutkaaviota. Tietojen pohjalta tehtiin kolme erillistä mallia, joista hyötyarvomatriisia hyväksi käyttäen valittiin yksi. Lisäksi yritysten yhdentymisen työkirjan avulla tehtiin lista tarvittavista toimenpiteistä ennen muuttoa sekä muuton jälkeen. Tutkimuksessa käsiteltiin myös yrityksen ohjelmainvestointeja sekä levytyökeskuksen että laserleikkauskoneen nestaukseen. Lisäksi työssä käsiteltiin myös uusia koneinvestointeja ja uutta organisaatiokaaviota.