Drying of Ink in Inkjet Printing

Tämän diplomityön tavoitteena oli saada perustietoa tekijöistä, jotka vaikuttavat musteen kuivumiseen erilaisilla paperipinnoilla inkjet tulostuksessa. Tavoitteena oli saada tietoa erilaisista musteista, joita käytetään yleisimmissä inkjet tulostustekniikoissa, miten paperit vaikuttavat musteen kuivumiseen ja minkälaisia menetelmiä on olemassa musteen kuivumistekijöiden määrittämiseen. Lisäksi tarkoituksena oli varmistaa, voidaanko inkjetmusteiden absorptioajan määrittämiseen käytettävää DIGAT-laitetta käyttää määrittämään ja ennustamaan erilaisten musteiden kuivumista erilaisilla paperipinnoilla sekä etsiä korrelaatioita musteen absorptioajan ja teknisten paperiominaisuuksien sekä inkjet tulostuksen laadun välillä. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin erilaisia inkjet tulostusmenetelmiä, niissä käytettäviä musteita ja musteiden koostumuksia. Tutkittiin myös paperin ja musteen välisiä vuorovaikutuksia sekä inkjet tulostuksen laatua. Kokeellisessa osassa tutkittiin musteenabsorboitumista paperiin DIGAT-laitteen avulla. kuudella eri musteella. Paperinäytteistä määritettiin teknisiä paperiominaisuuksia sekä ominaisuuksia, jotka liittyvät inkjet tulostuksen laatuun. Inkjet tulostuksen laatua tarkasteltiin tulostamalla testikuva kolmella eri tulostimella, jotka olivat Canon Bubble Jet i950, HP DeskJet Cxi970 ja Epson Stylus C46. Havaittiin, että DIGAT-laite ei sovellu määrittämään musteen absorptioaikoja kiiltäville näytteille.Tässä tutkimuksessa näyte, jonka kiilto oli 65 %, oli liian kiiltävä mitattavaksi DIGAT-laitteella. Lisäksi absorptiomäärityksissä havaittiin, että erilaiset musteet asettuvat erilailla paperin pintaan ja että pigmenttipohjaisella musteella asettumisaika oli kaikista pisin. Musteiden absorptioajat olivat nopeimpia erikoisinkjetpaperilla ja hitaimpia päällystetyillä, tiiviillä papereilla. Musteen absorptioajan ja teknisten paperiominaisuuksien ja inkjet tulostuksen laadun välisiä korrelaatioita oli vaikea havaita. Voidaan sanoa, että tulokset olivat muste- ja printterikohtaisia. Havaittiin vain muutamia teknisiä paperiominaisuuksia, jotka korreloivat hyvin musteen absorboitumisen kanssa. Nämäolivat Gurley-Hill huokoisuus, paperin tuhka- sekä kalsiumkarbonaattipitoisuus ja K&N värinabsorptio. Myöskään inkjet tulostuksen laadun ja musteen absorption välisiä korrelaatioita ei löytynyt kuin muutama; densiteetti, mottling sekä bleeding. Tämän tutkimuksen perusteella voidaan todeta DIGAT-laitteen soveltuvan hyvin kuvaamaan inkjet tulostuksen laatuominaisuuksista densiteettia, mottlingia sekä bleedingiä. DIGAT-laitetta voidaan siis käyttää avuksi ennustettaessa kuivumisaikaa ja sen vaikutusta edellä mainittuihin ominaisuuksiin. Läpipainatusominaisuuksia DIGAT-laitteen avulla ei voida tutkia, sillä ne ovat enemmän riippuvaisia paperin neliömassasta, paksuudesta ja huokoisuudesta kuinmusteen absorptioajasta. Teknisistä paperiominaisuuksista Gurley-Hill huokoisuus, paperin tuhka-sekä CaCO3-pitoisuus ja K&N värinabsorptio kuvaavat hyvin musteen imeytymisaikaa paperiin, kun taas ominaisuudet Cobb, HST ja polaari- sekädispersiokomponentit eivät kuvaa. Näyttää siltä, että testikuva, joka on tällä hetkellä käytössä UPM Tutkimus-keskuksessa, ei sovellu suurtehotulostuksen laadun tarkkailuun. Testikuva toimii hyvin pöytätulostimilla ja perinteisillä kopiopapereilla ja inkjetpapereilla, jotka on tarkoitettu tulostettaviksi hitaasti. Tulostusnopeuden ja musteen kuivumisnopeuden välisiä ilmiöitä seei tuo esille, joten se ei sovellu kuvaamaan suurtehotulostusta.

Development of Servo Hydraulics of Veneer Lathe

Diplomityö tehtiin kansainväliseen, mekaanisen puunjalostusteollisuuden koneita, tuotantojärjestelmiä ja tehtaita toimittavaan yritykseen. Diplomityön tarkoituksena oli kartoittaa syitä viilusorvin teräpenkin asemoinnissa esiintyneisiin värähtelyongelmiin ja tutkia ratkaisuja niiden voittamiseksi, sekä sorvausvoimien määrittäminen. Diplomityön teoreettisessa osassa tutustuttiin viilusorvin, erityisesti sen hydraulisten servojärjestelmien rakenteeseen ja toimintaan sekä viilunsorvaukseen. Teräpenkin syötön servojärjestelmää tutkittiin teoreettisesti johtamalla suljetun piirin siirtofunktiot “asema/käsky” ja “virhe/voima” ja tulostamalla niiden taajuusvaste-kuvaajat, joista tutkittiin parametrien vaikutuksia järjestelmän toimintaan. Tulokset vahvistettiin simuloimalla. Todettiin nykyisen järjestelmän värähtelyongelmien johtuvan pääasiassa hydrauliöljyn joustosta sylinterissä. Parannuksina ehdotettiin suurempaa sylinterin halkaisijaa ja viskoosikitkakertoimen suurentamista. Diplomityön kokeellisessa osassa mitattiin viilusorvin servojärjestelmien toimilaitteissa esiintyviä voimia ja niiden perusteella laskettiin varsinaiset sorvausvoimat. Lisäksi tutkittiin teräpenkin syötön ja muiden servojärjestelmien asemointitarkkuutta sorvauksen aikana. Mittauksia varten diplomityössä suunniteltiin ja hankittiin kannettava mittausjärjestelmä.

Reuse of information for selection of methods and operating conditions for drying of pharmaceutical materials

Drying is a major step in the manufacturing process in pharmaceutical industries, and the selection of dryer and operating conditions are sometimes a bottleneck. In spite of difficulties, the bottlenecks are taken care of with utmost care due to good manufacturing practices (GMP) and industries' image in the global market. The purpose of this work is to research the use of existing knowledge for the selection of dryer and its operating conditions for drying of pharmaceutical materials with the help of methods like case-based reasoning and decision trees to reduce time and expenditure for research. The work consisted of two major parts as follows: Literature survey on the theories of spray dying, case-based reasoning and decision trees; working part includes data acquisition and testing of the models based on existing and upgraded data. Testing resulted in a combination of two models, case-based reasoning and decision trees, leading to more specific results when compared to conventional methods.

Kuusiviilun esikuivaus puristamalla

Tutkimuksen lähtökohtana oli selvittää, voidaanko viilun valmistusprosessiin liittää uusi työvaihe, viilun esikuivaus. Esikuivauksen tarkoituksena on poistaa kosteutta viiluista ennen varsinaista kuivausta ja lisätä näin kuivauskapasiteettia. Tehdyissä tutkimuksissa viilut esikuivattiin nipuissa puristamalla. Muuttujina esikuivauksessa toimivat puristusaika ja -paine. Niiden määrittelyn lähtökohtana pidettiin sitä, etteivät viilun ominaisuudet saa merkittävästi heikentyä esikuivauksen aikana ja samalla viiluista on saatava mahdollisimman paljon kosteutta pois. Aikaisempien tutkimusten avulla selvitettiin vanerin valmistuksen, viilun kuivauksen sekä viilun esikuivauksen teoriaa. Lisäksi selvitettiin puun ominaisuuksien antamia mahdollisuuksia ja rajoitteita esikuivaukseen liittyen. Tutkimus koostui kahdesta osasta: laboratorio- ja tehdastutkimuksista. Laboratoriotutkimuksen tarkoituksena oli toimia tehdastutkimuksen esitutkimuksena. Laboratoriotutkimuksessa tutkittiin ainoastaan esikuivauksen vaikutusta märille viiluille. Tehdastutkimusosiossa esikuivatuista viiluista valmistettiin normaalin vanerinvalmistusprosessin kautta levyjä, joiden ominaisuuksia verrattiin normaaleista viiluista valmistettuihin vanereihin. Viilujen esikuivauksen todettiin pienentävän kuusiviilujen kosteuspitoisuutta. Tämän lisäksi kosteuspitoisuuden muutokset esikuivauksen aikana tapahtuivat tasaisesti niin yksittäisen viilun kuin viilunipunkin sisällä. Esikuivatuista viiluista valmistetut vanerilevyt täyttivät kaikki standardien sekä vanerin laadunvalvontasopimuksen asettamat vaatimukset. Esikuivauksen haitaksi tutkimuksissa todettiin viilun paksuuden pienentymä. Ennen esikuivauksen soveltamista teolliseen käyttöön nähtiin tarvetta lisätutkimukselle, jossa tulisi selvittää suurempien viilunippukokojen esikuivaamista sekä niiden varsinaista kuivaamista heti esikuivauksen jälkeen.

VOC emissions and control techniques in softwood veneer dryers

The objective in this Master’s Thesis was to determine VOC emissions from veneer drying in softwood plywood manufacturing. Emissions from plywood industry have become an important factor because of the tightened regulations worldwide. In this Thesis is researched quality and quantity of the VOCs from softwood veneer drying. One of the main objectives was to find out suitable cleaning techniques for softwood VOC emissions. In introduction part is presented veneer drying machines, wood mechanical and chemical properties. VOC control techniques and specified VOC limits are introduced also in the introduction part. Plywood mills have not had interest to VOC emissions previously nevertheless nowadays plywood mills worldwide must consider reduction of the emissions. This Thesis includes measuring of emissions from softwood veneer dryer, analyzation of measured test results and reviewing results. Different air conditions inside of the dryer were considered during planning of the measurements. Results of the emissions measurements were compared to the established laws. Results from this Thesis were softwood veneer dryer emissions in different air conditions. Emission control techniques were also studied for softwood veneer dryer emissions for further specific research.

Factors affecting the usability of aspen (Populus tremula) wood dried at different temperature levels

In this dissertation the main aim was to study the usability of aspen wood in the mechanical wood processes, especially the factors that affect the usability of aspen wood, which is dried at different temperature levels. The problematic of varying temperatures from level to another seem to have significant effects on distortions. According to the studies conducted, many practical solutions for drying of aspen timber can be made. European aspen sawn timber should be dried in relatively narrow widths, short lengths, edged and sawn pith free. The results achieved give an interesting view for the distortions of aspen wood between HT drying and heat treatment. The most significant result is that cupping seems to decrease when increasing temperature level from HT drying to heat treatment phase. The difference is significant. Other very obvious result is that bow and crook are increasing between these two temperature levels, bow significantly. Also the modelling gives a good background for this result since cupping is reduced by higher temperatures. It can also be assumed that these distortions can be affected for example by sorting out the timber used to different moisture levels before drying. This could be a very simple solution for practical purposes. From practical point of view, it was also noted during the drying tests performed that the discoloration seem to be no problem for aspen boards dried in temperatures under 150 °C. Altogether, this dissertation covers many interesting points of view of factors affecting distortions of wood in different temperature stages. Aspen as species in use of mechanical wood industries seems to be a species suitable for component production. According to the results, the best yield from aspen timber can be achieved in industry that can utilize relatively short components of sawn wood. Results achieved give a significant indication about the factors affecting distortions of wood at different temperature stages of drying, especially considering European aspen.

Measurement and Improvement of Wet Paper Web Strength

Various strength properties of paper are measured to tell how well it resists breaks in a paper machine or in printing presses. The most often measured properties are dry tensile strength and dry tear strength. However, in many situations where paper breaks, it is not dry. For example, in web breaks after the wet pressing the dry matter content can be around 45%. Thus, wet-web strength is often a more critical paper property than dry strength. Both wet and dry strength properties of the samples were measured with a L&W tensile tester. Originally this device was not designed for the measurement of the wet web tensile strength, thus a new procedure to handle the wet samples was developed. The method was tested with Pine Kraft (never dried). The effect of different strength additives on the wet-web and dry paper tensile strength was studied. The polymers used in this experiment were aqueous solution of a cationic polyamidoamine-epichlorohydrin resin (PAE), cationic hydrophilised polyisocyanate and cationic polyvinylamine (PVAm). From all three used chemicals only Cationic PAE considerably increased the wet web strength. However it was noticed that at constant solids content all chemicals decreased the wet web tensile strength. So, since all chemicals enhanced solid content it can be concluded that they work as drainage aids, not as wet web strength additives. From all chemicals only PVAm increased the dry strength and two other chemicals even decreased the strength. As chemicals were used in strong diluted forms and were injected into the pulp slurry, not on the surface of the papersheets, changes in samples densities did not happen. Also it has to be noted that all these chemicals are mainly used to improve the wet strength after the drying of the web.

Viilun kuivauksen energiatehokkuuden parantaminen

Tämän työn tavoitteena on parantaa viilun kuivauksen energiatehokkuutta. Työssä käsitellään puun rakennetta kuivauksen kannalta, kuivumiseen liittyviä lämmönja massansiirron ilmiöitä ja nykyisiä viilun kuivaus koneita. Viilun kuivaamisen energiansäästö mahdollisuuksissa keskitytään pääasiassa kuivaajan lämmön talteenottoon ja kiertopuhaltimien sähkötehon pienentämiseen. Työn tulosten perusteella viilun kuivauksen energiatehokkuutta voidaan parantaa huomattavasti.

Vaneritehtaan hyötysuhteen parantaminen ja viilutuotannonohjauksen kehittäminen

Työn tavoitteena oli selvittää syitä vaneritehtaan raaka-aineen käytön hyötysuhteen heikkenemiseen sekä esittää ratkaisukeinoja hyötysuhteen parantamiseksi. Lisäksi tavoitteena oli tuotannonohjauksen kehittäminen viiluosastolla. Teoriaosassa tarkasteltiin kohdeyritystä ja tuotantoyksikköä, vanerin valmistusprosessia, vaneritehtaan hyötysuhteeseen vaikuttavia tekijöitä sekä hyötysuhteen laskemisen teoriaa. Lisäksi käsiteltiin asiakaslähtöisen toiminnan teoriaa, sekä tuotannonohjauksen teoriaa ja tuotannonohjaustapoja. Käytännönosa perustui haastattelututkimuksiin ja tuotannonraportointijärjestelmän tarkasteluun. Haastatteluiden avulla selvitettiin viiluosaston tuotannossa ja tuotannonohjauksessa ilmeneviä ongelmia. Tuotannonraportointijärjestelmän kautta tarkasteltiin tehtaan hyötysuhteen kehittymistä tuotantovaiheittain, sekä tutkittiin määrämittasahattavia mittoja ja määrämittasahauksen onnistumista. Tehtyjen tutkimusten perusteella etsittiin keinoja määrämittasahauksessa syntyvän hukan pienentämiseen, jolloin koko tehtaan hyötysuhde saataisiin paranemaan. Lisäksi esiteltiin keinoja tuotannonohjauksen selkeyttämiseen viiluosastolla. Työn lopuksi annettiin kehitysehdotuksia, joilla tehtaan hyötysuhdetta saataisiin edelleen paremmaksi ja tuotannonohjausta vastaamaan asiakaslähtöisen toiminnan periaatteita.

Sydänpuuvaltaisen erikoiskuivatun mäntysahatavaran kosteuspitoisuus kuivausjännitykset eri puuaineen tiheyksissä

Puualan lisääntyvä tarve tuottaa jatkojalosteita on asettanut kuivauksen laatutasolle uusia haasteita ja laadukkaan kuivauksen tulos on perusta jatkojalosteiden toimivuudelle. Yhä enemmän tarvitaan kuivausprosessin ja kuivattavan puumateriaalin kontrollointia läpi koko kuivausprosessin. Näillä toimenpiteillä varmistetaan haluttu kuivauslaatu sisäisille ja ulkoisille asiakkaille yrityksessä. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää männyn sydänpuuhun muodostuvaa kosteuspitoisuutta kamarikuivausprosessissa. Keinokuivauksen tavoitteellinen loppukosteus oli 12 % kuivapainosta puumateriaalia. Jo aikaisempien tutkimusten perusteella on voitu osoittaa, että loppukosteuden arvo vaihtelee kuivauserässä eri _kappaleiden välillä johtuen puumateriaalin epähomogeenisuudesta. Sydänpuuvaltainen ja tiheä mäntysahatavara, joka sahataan tyvitukeista läheltä juuriosaa sisältää tämän tutkimuksen mukaan runsaasti pihkaa verrattuna latvaosassaan samaa sahetta. Kosteusgradientti on myös suurempi sahatavarakappaleiden tyviosassa. Vuosikasvun ja tiheyden korrelaatio on heikko männyn sydänpuulla. Kesäpuuprosentin korrelaatio tiheyteen on erittäin merkittävä. Pihkapitoisuus lisää puuaineen tiheyttä tyviosassa sahetta. Pintakovuus on puumateriaalin muodonmuutos potentiaali, kun kosteuspitoisuudet tasaantuvat poikkileikkauksessa. Kosteusgradientilla on selvä yhteyspintakovuuteen eli muodonmuutospotentiaaliin.

Viilujen lujuuslajittelun kehittäminen

Työn lähtökohtana on viilujen lujuuslajittelun kehittäminen. Lujuuslajittelun on tarkoitus perustua viilujen paino- ja tiheyseroihin, joilla on vaikutusta viilujen lujuusominaisuuksiin. Viilujen paino- ja tiheyserojen selvittäminen on tarkoi-tus toteuttaa punnituksen avulla ja siihen kuuluva laitteisto oli jo alustavasti suunniteltu. Teoriaosan avulla tutustuttiin viilujen ja vanerin valmistukseen liittyviin pro-sesseihin, puun tiheyteen ja lujuuteen liittyviin tekijöihin ja eri tekijöiden vaikutuksiin viilujen ja vanereiden lujuusominaisuuksissa. Työn kokeellinen osa voidaan jakaa selkeästi kahteen tutkimusalueeseen. Ensimmäisessä oli tarkoitus selvittää viiluissa esiintyvien paino- ja tiheyserojen vaihteluita ja niiden vaikutuksia viilujen lujuusominaisuuksiin ja sitä kautta myös valmiiden levyrakenteiden ominaisuuksiin. Viilutasolla tutkittiin tiheyden vaikutusta poikittaisveto- ja taivutuslujuuteen ja vaneritasolla tiheyden vaikutusta taivutuslujuu-teen. Raaka-aineina tutkimuksissa ja lujuuskokeissa käytettiin koivu-, kuusi- ja poppeliviiluja. Työn toinen osa keskittyi viilujen punnituksen testaamiseen ja kehittämiseen. Tutkittavien puulajien kohdalla viiluista löytyi huomattavia paino- ja tiheyseroja, joiden vaikutukset näkyivät erityisesti viilujen ja vanerien taivutuslujuuksien arvoissa. Punnituksen tulokset osoittivat, että riittävän tuotekehityksen myötä viilujen punnitukseen perustuva lajittelu olisi mahdollista toteuttaa tutkitun menetelmän avulla. Vanerirakenteissa havaittujen taivutuslujuuserojen perusteella lujuuslajittelulle olisi käyttöä ja siitä olisi hyötyä levyrakenteiden suunnittelussa.

Viilun käsittelyn energiankulutuksen minimointi

Vaneritehtaiden suunnittelussa on tulevaisuudessa yhä enemmän keskityttävä energiataloudellisempien laitteiden kehittämiseen. Tämän diplomityön tavoitteena oli löytää keinoja vaneritehtaiden energiankulutuksen minimoimiseksi viilun käsittelyn osalta. Viilun käsittely muodostuu lähinnä viilun syötöstä, kuljettamisesta ja pinkkaamisesta. Tämän työn alkupuolella on esitelty näihin tarkoituksiin suunniteltuja tärkeimpiä laitetyyppejä. Koneita on tarkasteltu vertailemalla niiden ominaisuuksia toisiinsa, varsinkin energiankulutuksen osalta. Työn loppupuolella on tarkasteltu erään ladontalinjan todellista sähkönkulutusta sekä arvioitu moottoreiden mitoituksen onnistumista vaneritehtaalla suoritettujen tehomittausten avulla. Mittausten pohjalta on pyritty löytämään keinoja energiankulutuksen pienentämiseksi. Suurimmat säästöt sähköenergian osalta saavutetaan moottoreiden onnistuneella mitoituksella sekä oikeilla laitevalinnoilla.

Järeiden puutuotteiden erikoiskuivaus

Tutkimuksessa selvitettiin kuumakuivauksen vaikutusta hirsiraaka-aineen ominaisuuksiin, käyttökelpoisia kuivauskaavoja sekä lämpötilatasoja. Kokeissa kuivattiin kuorittuja pyöreitä mäntytukkeja 130-180° C:n maksimilämpötilassa, sekä pelkaksi sahattuja hirsiaihioita 115-140° C:n maksimilämpötilassa. Kuivauksissa pyrittiin mahdollisimman lyhyeen aikaan laadun siitä kuitenkaan kärsimättä. Laadussa kiinnitettiin erityisesti huomiota sisä- ja pintahalkeamiin sekä värimuutoksiin. Korkeita lämpötiloja käytettäessä kuivausaika oli huomattavasti nopeampi kuin lämminilmakuivauksessa. Koekuivaukset kestivät 1-4 vuorokautta, kun vastaavaa puutavaraan lämminilmakuivaus kestää 7-20 vuorokautta. Korkeimmilla lämpötiloilla suoritetuissa kokeissa koekappaleisiin muodostui paljon pieniä halkeamia kun taas alhaisemmilla lämpötiloilla halkeamien kappalemäärä väheni, mutta lähes joka kappaleessa oli vähintään yksi suuri (yli 5 mm leveä) halkeama. Sisähalkeamien määrä oli pyöreillä tukeilla suoritetuissa kokeissa kohtuullisen pieni. Pelkaksi sahatuilla aihioilla sitä vastoin sisähalkeamien määrä oli huomattavasti suurempi. Vain 100 mm x 175 mm aihioilla onnistuttiin yhdessä kuivauksessa pitämään sisähalkeaminen pienenä. Kuumakuivaus aiheuttaa väistämättä värimuutoksia puuhun. Mitä korkeammilla lämpötiloilla ja pidemmillä kaavoilla kuivataan sitä enemmän väri tummenee. Värin vaikutus lopputuotteessa riippuu kuitenkin käyttökohteesta ja asiakkaan mieltymyksistä. Tutkimuksen perusteella varsinkin pyöreiden tukkien kuumakuivaus näyttää onnistuvan laadul-lisesti hyvin ja huomattavasti lämminilmakuivausta nopeammin. Pelkaksi sahattujen hirsiaihioiden kuivauksessa prosessin hallinta havaittiin vaikeaksi ja toimivien kaavojen kehittäminen vaatii jatkotutkimuksia.