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.

A novel procedure for establishing clinching parameters for high strength steel sheet

The building industry has a particular interest in using clinching as a joining method for frame constructions of light-frame housing. Normally many clinch joints are required in joining of frames.In order to maximise the strength of the complete assembly, each clinch joint must be as sound as possible. Experimental testing is the main means of optimising a particular clinch joint. This includes shear strength testing and visual observation of joint cross-sections. The manufacturers of clinching equipment normally perform such experimental trials. Finite element analysis can also be used to optimise the tool geometry and the process parameter, X, which represents the thickness of the base of the joint. However, such procedures require dedicated software, a skilled operator, and test specimens in order to verify the finite element model. In addition, when using current technology several hours' computing time may be necessary. The objective of the study was to develop a simple calculation procedure for rapidly establishing an optimum value for the parameter X for a given tool combination. It should be possible to use the procedure on a daily basis, without stringent demands on the skill of the operator or the equipment. It is also desirable that the procedure would significantly decrease thenumber of shear strength tests required for verification. The experimental workinvolved tests in order to obtain an understanding of the behaviour of the sheets during clinching. The most notable observation concerned the stage of the process in which the upper sheet was initially bent, after which the deformation mechanism changed to shearing and elongation. The amount of deformation was measured relative to the original location of the upper sheet, and characterised as the C-measure. By understanding in detail the behaviour of the upper sheet, it waspossible to estimate a bending line function for the surface of the upper sheet. A procedure was developed, which makes it possible to estimate the process parameter X for each tool combination with a fixed die. The procedure is based on equating the volume of material on the punch side with the volume of the die. Detailed information concerning the behaviour of material on the punch side is required, assuming that the volume of die does not change during the process. The procedure was applied to shear strength testing of a sample material. The sample material was continuously hot-dip zinc-coated high-strength constructional steel,with a nominal thickness of 1.0 mm. The minimum Rp0.2 proof stress was 637 N/mm2. Such material has not yet been used extensively in light-frame housing, and little has been published on clinching of the material. The performance of the material is therefore of particular interest. Companies that use clinching on a daily basis stand to gain the greatest benefit from the procedure. By understanding the behaviour of sheets in different cases, it is possible to use data at an early stage for adjusting and optimising the process. In particular, the functionality of common tools can be increased since it is possible to characterise the complete range of existing tools. The study increases and broadens the amount ofbasic information concerning the clinching process. New approaches and points of view are presented and used for generating new knowledge.

Automated formulation of optimisation models for steel beam structures

Over 70% of the total costs of an end product are consequences of decisions that are made during the design process. A search for optimal cross-sections will often have only a marginal effect on the amount of material used if the geometry of a structure is fixed and if the cross-sectional characteristics of its elements are property designed by conventional methods. In recent years, optimalgeometry has become a central area of research in the automated design of structures. It is generally accepted that no single optimisation algorithm is suitable for all engineering design problems. An appropriate algorithm, therefore, mustbe selected individually for each optimisation situation. Modelling is the mosttime consuming phase in the optimisation of steel and metal structures. In thisresearch, the goal was to develop a method and computer program, which reduces the modelling and optimisation time for structural design. The program needed anoptimisation algorithm that is suitable for various engineering design problems. Because Finite Element modelling is commonly used in the design of steel and metal structures, the interaction between a finite element tool and optimisation tool needed a practical solution. The developed method and computer programs were tested with standard optimisation tests and practical design optimisation cases. Three generations of computer programs are developed. The programs combine anoptimisation problem modelling tool and FE-modelling program using three alternate methdos. The modelling and optimisation was demonstrated in the design of a new boom construction and steel structures of flat and ridge roofs. This thesis demonstrates that the most time consuming modelling time is significantly reduced. Modelling errors are reduced and the results are more reliable. A new selection rule for the evolution algorithm, which eliminates the need for constraint weight factors is tested with optimisation cases of the steel structures that include hundreds of constraints. It is seen that the tested algorithm can be used nearly as a black box without parameter settings and penalty factors of the constraints.

Assessing intellectual capital in a research institute environment in steel industry

Diplomityön tavoitteena oli tutkia aineettoman pääoman hallintaa terästeollisuuden tutkimuslaitosympäristössä, sekä luoda mittaristo kuvaamaan sen tilaa ja kehitystä. Työn rajausten mukaan aineeton pääoma jaettiin Annie Brookingin jaottelun mukaan, ja tarkasteluun valittiin teollisoikeudet sekä henkilöstövoimavarat. Empiirinen osa työstä perustui pääasiassa haastatteluihin sekä Case –yrityksen sisäisiin julkaisuihin. Näitä pyrittiin tulkitsemaan kvalitatiivisten tutkimusmenetelmien oppien mukaan. Tutkimustulosten perusteella voidaan todeta teollisoikeuksien hyödyntämisen olevan suhteellisen vähäistä terästeollisuuden parissa. Syitä tähän on työssä käsitelty melko laajasti. Henkilöstön kehittäminen pitkällä tähtäimellä sekä tiedonkulun tehostaminen henkilöstön keskuudessa ovat puolestaan asioita, joihin kiinnitetään kyseisellä teollisuudenalalla kiitettävässä määrin huomiota. Työn loppupuolella esitelty aineettoman pääoman mittaristo tarjoaa yritykselle työkalun, jonka avulla voidaan monipuolisesti arvioida tätä yrityksille nykyisin elintärkeää asiaa. Lopullista ratkaisumallia se ei aineettoman pääoman mittaamiseen tarjoa, mutta luo kuitenkin tärkeän ensiaskeleen kohti tulevaisuuden yhä kehittyneempiä mittausmenetelmiä.

Modeling and Simulation ofReal-Time System as a Tool to Improve Capacity Management - Case Fenix

Tämän tutkimustyön kohteena on TietoEnator Oy:n kehittämän Fenix-tietojärjestelmän kapasiteettitarpeen ennustaminen. Työn tavoitteena on tutustua Fenix-järjestelmän eri osa-alueisiin, löytää tapa eritellä ja mallintaa eri osa-alueiden vaikutus järjestelmän kuormitukseen ja selvittää alustavasti mitkä parametrit vaikuttavat kyseisten osa-alueiden luomaan kuormitukseen. Osa tätä työtä on tutkia eri vaihtoehtoja simuloinnille ja selvittää eri vaihtoehtojen soveltuvuus monimutkaisten järjestelmien mallintamiseen. Kerätyn tiedon pohjaltaluodaan järjestelmäntietovaraston kuormitusta kuvaava simulaatiomalli. Hyödyntämällä mallista saatua tietoa ja tuotantojärjestelmästä mitattua tietoa mallia kehitetään vastaamaan yhä lähemmin todellisen järjestelmän toimintaa. Mallista tarkastellaan esimerkiksi simuloitua järjestelmäkuormaa ja jonojen käyttäytymistä. Tuotantojärjestelmästä mitataan eri kuormalähteiden käytösmuutoksia esimerkiksi käyttäjämäärän ja kellonajan suhteessa. Tämän työn tulosten on tarkoitus toimia pohjana myöhemmin tehtävälle jatkotutkimukselle, jossa osa-alueiden parametrisointia tarkennetaan lisää, mallin kykyä kuvata todellista järjestelmää tehostetaanja mallin laajuutta kasvatetaan.

Development of a simulation tool for torsional vibration of branched power transmission system

In this master's thesis a mechanical model that is driven with variable speed synchronous machine was developed. The developed mechanical model simulates the mechanics of power transmission and its torsional vibrations. The mechanical model was developed for the need of the branched mechanics of a rolling mill and the propulsion system of a tanker. First, the scope of the thesis was to clarify the concepts connected to the mechanical model. The clarified concepts are the variable speed drive, the mechanics of power transmission and the vibrationsin the power transmission. Next, the mechanical model with straight shaft line and twelve moments of inertia that existed in the beginning was developed to be branched considering the case of parallel machines and the case of parallel rolls. Additionally, the model was expanded for the need of moreaccurate simulation to up to thirty moments of inertia. The model was also enhanced to enable three phase short circuit situation of the simulated machine. After that the mechanical model was validated by comparing the results of the developed simulation tool to results of other simulation tools. The compared results are the natural frequencies and mode shapes of torsional vibration, the response of the load torque step and the stress in the mechanical system occurred by the permutation of the magnetic field that is arisen from the three phase short circuit situation. The comparisons were accomplished well and the mechanical model was validated for the compared cases. Further development to be made is to develop the load torque to be time-dependent and to install two frequency converters and two FEM modeled machines to be simulated parallel.

Constant and variable amplitude fatigue strength of high strength steel welds treated with ultrasonic impact treatment

Hitsattujen rakenteiden väsymiskestävyyttä pystytään parantamaan jälkikäsittelymenetelmillä, joistayksi, ultraäänikäsittely muokkaa hitsin geometriaa ja aiheuttaa puristusjäännösjännitystilan. Tässä tutkimuksessa verrataan kokeellisesti kuormaa kantamattoman hitsatun ja ui -käsitellyn rivan väsymislujuutta toisiinsa. Tutkimusohjelmaan kuuluu kahta teräslajia ja sekä vakio - että vaihtuva - amplitudista kuormitusta. Ultraäänikäsittelyllä saavutetaan väsymiskestoiän parantuminen vakio - ja vaihtuva - amplitudisella kuormituksella. Perusaineen lujuudella ei ole merkittää vaikutusta väsymislujuuteen kun liitos on hitsatussa tilassa. Tällöin väsymiskestävyyden määrää hitsin rajaviivan jännityskeskittymä. Ultraäänikäsitellyn hitsatunliitoksen väsymiskestävyys on suurempi korkeamman lujuuden omaavilla teräksillä. Tästä syystä korkealujuuksisten terästen käyttö ultraäänikäsiteltynä väsyttävästi kuormitetuissa kevytrakenteissa on perusteltua.

Using the balanced scorecard as a tool for procurement strategy implementation

Tavoitteena diplomityössä oli tutkia, miten hankintastrategiaa saataisiin paremmin toteutettua jokapäiväisessä työssä. Strategian implementointiin käytettiin strategiakarttaa sekä balanced scorecard -mittareita. Tutkimus toteutettiin hankintaosastolla Vaasan & Vaasan Oy:ssä, joka toimii leipomotoimialalla viidessä maassa Itämeren alueella. Hankinnan strategiakartta ja balanced scorecard -mittarit laadittiin olemassa olevan hankintastrategian pohjalta. Perinteisiä balanced scorecard -näkökulmia muokattiin paremmin hankintatoimeen sopiviksi. Malliin lisättiin toimittajanäkökulma ja hankinnan rooli pääprosessien tukifunktiona otettiin huomioon muuttamalla balanced scorecardin asiakasnäkökulma sisäisen asiakkaan näkökulmaksi. Strategiakartta myös laadittiin niin, että hankinnan sisäisten asiakkaiden odotukset ovat kartassa tasavertaisina taloudellistentavoitteiden kanssa. Balanced scorecard -mittareiden määrä pidettiin pienenä, jotta niiden toimintaa ohjaava vaikutus olisi mahdollisimman suuri. Mittareita voidaan vaihtaa strategian muuttuessa. Työssä todettiin, että strategiakartta ja balanced scorecard ovat hyviä välineitä strategian muuttamiseen konkreettisiksi toimenpiteiksi myös tukifunktiossa, kun esimerkiksi mallin näkökulmia muokataan tapauskohtaisesti. Strategiakartat ja balanced scorecard tulisi kytkeä osaksi koko yrityksen strategista suunnittelua. Strategiakartan ja balanced scorecardin käytöstä on hankinnalle monia hyötyjä. Työntekijät hahmottavat paremmin oman panoksensa yrityksen tavoitteiden saavuttamisessa. Käytetyt työkalut voivat tukea myös konsernin yksiköiden hankintojen keskittämiskehitystä.

Ehkäisevän kunnossapidon suunnittelun työkalujen kehittäminen terästehtaassa

Imatra Steel Oy Ab:n Imatran terästehtaan tuotantonopeudet ja -määrät ovat nousseet selvästi alkuperäistä tasoa korkeammiksi toteutettujen investointien ja käytettävyyden parantamisen myötä. Lisäksi yrityson asettanut yhä tiukemmat käytettävyystavoitteet. Ehkäisevän kunnossapitojärjestelmän käyttöaste ei ole riittävä, jotta asetettuihin tavoitteisiin päästäisiin. Kunnossapidon rooli on myös muuttunut tärkeäksi kilpailutekijäksi jolla voidaan suoraan vaikuttaa yrityksen kilpailukykyyn. Työn avulla pyritään helpottamaan tulevaa systemaattista yrityksen koko laitekannan ehkäisevien kunnossapitotoimenpiteiden läpikäyntiä. Tässä työssä pyritään etsimään sopivia työkaluja ehkäisevän kunnossapidon suunnittelulle ja kehittämään ehkäisevää kunnossapitoa. Työssä on tavoitteisiin pääsemiseksi tutkittu erilaisia kunnossapitostrategioita, kunnossapitostrategioiden valintamenetelmiä, tunnuslukuja, vikaantumista ja kriittisyysanalyysejä. Yrityksen ehkäisevän kunnossapidon nykytilaa ja ongelmakohtia selvitettiin haastattelututkimuksen avulla. Työssä on kehitetty erilaisten kunnossapitostrategioiden valintamenetelmien pohjalta oma laitekannan kriittisyyden huomioiva menetelmä ehkäisevän kunnossapidon kohteiden päivittämiselle. Menetelmän helppokäyttöisyyttä on lisätty kehittämällä menetelmälle suunnittelukortti. Lisäksi työssä on esitelty muita ehkäisevään kunnossapitoon liittyviä kehityskohteita.

Laser Cutting of Austenitic Stainless Steel with a High Quality Laser Beam

The thin disk and fiber lasers are new solid-state laser technologies that offer a combinationof high beam quality and a wavelength that is easily absorbed by metal surfacesand are expected to challenge the CO2 and Nd:YAG lasers in cutting of metals ofthick sections (thickness greater than 2mm). This thesis studied the potential of the disk and fiber lasers for cutting applications and the benefits of their better beam quality. The literature review covered the principles of the disk laser, high power fiber laser, CO2 laser and Nd:YAG laser as well as the principle of laser cutting. The cutting experiments were made with thedisk, fiber and CO2 lasers using nitrogen as an assist gas. The test material was austenitic stainless steel of sheet thickness 1.3mm, 2.3mm, 4.3mm and 6.2mm for the disk and fiber laser cutting experiments and sheet thickness of 1.3mm, 1.85mm, 4.4mm and 6.4mm for the CO2 laser cutting experiments. The experiments focused on the maximum cutting speeds with appropriate cut quality. Kerf width, cutedge perpendicularity and surface roughness were the cut characteristics used to analyze the cut quality. Attempts were made to draw conclusions on the influence of high beam quality on the cutting speed and cut quality. The cutting speeds were enormous for the disk and fiber laser cutting experiments with the 1.3mm and 2.3mm sheet thickness and the cut quality was good. The disk and fiber laser cutting speeds were lower at 4.3mm and 6.2mm sheet thickness but there was still a considerable percentage increase in cutting speeds compared to the CO2 laser cutting speeds at similar sheet thickness. However, the cut quality for 6.2mm thickness was not very good for the disk and fiber laser cutting experiments but could probably be improved by proper selection of cutting parameters.

Fiber Laser Cutting of Mild Steel

Fiber laser for materials processing have undergone a rapid development in the pastseveral years. As fiber laser provides a combination of high beam quality and awavelength that is easily absorbed by metal surfaces, the named future laser isexpected to challenge the CO2 and Nd:YAG lasers in the area of metal cutting. This thesis studied the performance of fiber laser cutting mild steel. In the literature review part, it introduced the laser cutting principle and the principle of fiber laser including the newest development of fiber laser cuttingtechnology. Because the fiber laser cutting mild steel is a very young technology, a preliminary test was made in order to investigate effect of the cutting parameters on cut quality. Then the formal fiber laser cutting experiment was madeby using 3 mm thickness S355 steel with oxygen as assistant gas. The experimentwas focused on the cut quality with maximum cutting speed and minimum oxygen gas pressure. And the cut quality is mainly decided by the kerf width, perpendicularity tolerance, surface roughness and striation patterns. After analysis the cutting result, several conclusions were made. Although the best result got in the experiment is not perfect as predicted, the whole result of the test can be accepted. Compared with CO2 laser, a higher cutting speed was achieved by fiber laser with very low oxygen gas pressure. A further improvement about the cutting quality might be possible by proper selection of process parameters. And in order to investigate the cutting performance more clearly, a future study about cutting different thickness mild steel and different shape was recommended.