High speed release -mittausmenetelmän käyttäminen tarralaminaattiprosessin ohjaukses

Työn tavoitteena oli tutkia HSR(High Speed Release)-mittausmenetelmän käyttämistä tarralaminaattiprosessin ohjauksessa UPM Raflatacissa. Nykyisin käytössä olevaan LSR(Low Speed Release)-menetelmään verrattuna HSR-menetelmä kuvaa paremmin tarralaminaatin jatkojalostuksessa sekä etiketöinnissä tapahtuvaa irrotustyötä. Lisäksi työssä tutkittiin irrotusnopeuden vaikutusta HSR-arvoon. Työn kirjallisuusosassa perehdyttiin tarralaminaatin rakenteeseensekä valmistusprosessiin. Koska silikonin valinnalla on merkittävä vaikutus tarralaminaatin releasearvoon, kirjallisessa osassa syvennytään tarkastelemaan tarralaminaatin valmistuksessa käytettyjä silikoneja sekänäiden rakennetta. Kirjallisuusosassa on myös käsitelty muita releasetasoon vaikuttavia tekijöitä. Työn kokeellisessa osassa oli tarkoituksena tutkia HSR-mittausmenetelmän käytettävyyttä tarralaminaatin prosessinohjauksessa. Tätä tutkittiin selvittämällä nykyisin käytössä olevan LSR-menetelmän sekä HSR-menetelmän välistä korreloituvuutta. Mikäli näidenvälillä olisi korreloituvuutta, voitaisiin prosessinohjauksessa ajatella siirtyvän HSR-mittaukseen. Korrelaatiota näiden kahden menetelmän välille ei kuitenkaan löydetty. Työssä tutkittiin myös irrotusnopeuden vaikutusta tuotteen HSR-arvoon. Testeihin valittiin useita eri tuotteita useilta tuotantolaitoksilta. Kaikilla näillä tuotteilla releasearvo kasvoi irrotusnopeutta lisättäessä. Lisäksi työssä määritettiin uudet HSR-spesifikaatiot tietyille tuotteille. Kaikille UPM Raflatacin tuotteille on määritetty LSRspesifikaatiot, HSR-spesifikaatiot on asetettu vain tietyille tuotteille.

Laminaatin toiminnallisten ominaisuuksien hallinta

Lattialaminaatti on kerrosrakenteinen levymateriaali. Tässä työssä tutkittiin laminaatin epäsymmetrisen kerrosrakenteen aiheuttamaa taipumusta käyristymiseen. Työn tavoitteena oli kehittää lattialaminaatin käyristymän hallintaan käytettävää taustapaperia niin, että käyristymää ei tapahtuisi tai käyristymä olisi lievästi alapintaa kohden heti puristuksen jälkeen ja säilyisi samanlaisena varastoinnissa. Kehityksessä huomioitiin taustan ulkonäkö. Taustapapereita valmistettiin sekä pilot- että tuotantomittakaavassa. Lisäksi työssä tutkittiin laminointiolosuhteiden vaikutusta lattialaminaatin käyristymään. Työn kirjallisuusosassa käsitellään lattialaminaatin valmistusta huomioiden ulkonäköön vaikuttavat tekijät sekä lattialaminaatin käyristymiseen vaikuttavia tekijöitä.Lattialaminaatin käyristymään vaikuttavat laminointiolosuhteet. Puulevyä vasten puristettavat kalvot kutistuvat laminoinnissa, erityisesti puristuslämpötilan kasvaessa. Laminaatin puristuksen jälkeinen käyristymä määräytyy lähinnä ylä- ja alapinnan kalvojen kutistuman erolla.Lattialaminaatin käyristymään varastoinnissa vaikuttaa ylä- ja alapinnan kalvojen dimensiostabiliteettikerroin. Yläpinnan kalvon dimensiostabiliteetti on huonompi kuin alapinnan, jolloin yläpinnan kalvo kutistuu enemmän kuivissa olosuhteissa käyristäen samalla laminaattia positiiviseen suuntaan.Taustapaperin ominaisuuksista merkittävimmin laminaatin käyristymään vaikuttaa kuituraaka-aine. Lattialaminaatin ulkonäköön vaikuttavat pinnassa olevat kuopat. Laminaatin taustan ulkonäköä voidaan parantaa lisäämällä taustapaperiin pehmitintä. Vääräntyyppisellä pehmittimellä menetetään taustan vastavetovoimaa.

Kartonkimateriaalien muotoutuvuus vuokien valmistuksessa

Diplomityön tavoitteena oli tutkia erilaisten elintarvikekartonkien muotoutuvuutta prässäämällä valmistettujen vuokien valmistuksessa. Kirjallisuusosassa käsiteltiin mm. kartongin muotoutuvuuteen vaikuttavia ominaisuuksia sekä lämpötilan ja kosteuden vaikutusta muotoutuvuuteen. Lisäksi kirjallisuusosassa käytiin läpi vuokien valmistusprosessi, jossa vuoka-aihiot valmistetaan stanssaamalla ja vuoat prässäämällä. Lopuksi on esitetty vuokien valmistuksessa kartongin muotoutuvuuteen vaikuttavia ajoparametrejä. Kokeellisessa osassa valmistettiin prässäämällä vuokia erilaisista kartonkimateriaaleista. Jokaiselle materiaalille etsittiin sopivat ajoparametrit erilaisissa kosteuspitoisuuksissa ja vertailtiin niiden muotoutuvuutta. Työ sisälsi myös kaksi laminointikoeajoa, jonka tuloksena saatuja materiaaleja verrattiin referenssi vuokakartonkiin. Vuokien todettiin muotoutuvan parhaiten kosteuden ollessa 7 – 9,4 % välillä. Työssä erottui kartongit, jotka muotoutuivat muita paremmin sekä kartongit, jotka muotoutuivat muita huonommin. Näiden muotoutuvuutta pyrittiin selvittämään mitattujen paperiteknisten ominaisuuksien avulla, mutta selvää yksittäistä selittävää ominaisuutta ei löytynyt. Parhaiten muotoutuvuutta kuvasivat kartonkien kuitukoostumukset. Laminoitujen rakenteiden todettiin muotoutuvan vuokakartonkia paremmin. Tähän vaikuttivat laminaattien korkeammat lujuus- ja venymäarvot.

Tuulivoimalan staattoripakan puristusrakenteen kehittäminen

Diplomityössä tutkittiin voidaanko tuulivoimalan generaattorin staattoripakan puristamisessa hyödyntää komposiittista rakenneratkaisua. Tyypillisesti generaattorissa staattorin teräslevyt puristetaan erilaisilla teräsrakenteilla toisiaan vasten. Tavoitteena oli selvittää, voidaanko puristavan komposiittirakenteen osana hyödyntää liimaliitosta tai laminoitua liitosta. Tarkoitus oli etsiä rakenteeseen soveltuva liima ja liimaliitoksen arvot tai laminoitu rakenne ja sille soveltuvat materiaalit ja suoritustapa. Työssä on perehdytty erilaisiin tuulivoimalatyyppeihin, sekä niissä käytettäviin kesto- ja vierasmagnetoituihin generaattorityyppeihin. Tämän lisäksi on tarkasteltu niissä käytettävien staattorien valmistusvaihtoehtoja ja syitä miksi niissä olevat teräslevyt on puristettava toisiaan vasten. Samalla on luotu katsaus nykyisin käytössä oleviin rakenteisiin, joilla puristus voidaan toteuttaa. Liimauksesta on käsitelty perusteoriaa, sekä seikkoja jotka vaikuttavat liimaliitoksen kestoon. Työssä tutkittavaan liitokseen soveltuvien liimojen ominaisuuksia on käsitelty. Myös laminoituun liitokseen jo aiemmin kovettuneeseen komposiittiin on perehdytty. Tutkittavaan rakenteeseen soveltuvia hartsi- ja lasikuitutyyppejä on esitelty. Komposiittien mekaaniseen liittämiseen on lyhyesti perehdytty. Työssä suoritettiin useita vetokokeita, joilla selvitettiin puristusrakenteen tutkimista varten valmistettujen koekappaleiden suurin vetokuormankesto. Vetokokeiden perusteella voitiin valita soveltuvin rakenne staattorin puristamiseksi.

Possibility to add a barrier layer to a fibre tray package in the moulding stage

The main objective of the present study was to analyze the best approach on how to coat paperboard trays at the pressing stage. The coating gives the paperboard enhanced barrier and mechanical properties. The whole process chain of the barrier coating development was studied in the research. The methodology applied includes obtaining the optimum temperature at which good adhesion and bonding is formed between paperboard and skin film. Evaluation of mechanical properties after the coatings; such as cracking, curling and barrier properties was performed.

Possibility of press forming wood films into primary packaging

In recent times the packaging industry is finding means to maximize profit. Wood used to be the most advantageous and everyday material for packaging, worktables, counters, constructions, interiors, tools and as materials and utensils in the food companies in the world. The use of wood has declined vigorously, and other materials like plastic, ceramic, stainless steel, concrete, and aluminum have taken its place. One way that the industry could reduce its cost is by finding possibilities of using wood for primary packaging after which it can be safely recycled or burned as a carbon source for energy. Therefore, the main objective of this thesis is to investigate the possibility of press-forming a wood film into primary packaging. In order to achieve the stated objectives, discussion on major characteristics of wood in terms of structure, types and application were studied. Two different wood species, pine and birch were used for the experimental work. These were provided by a local carpentry workshop in Lappeenranta and a workshop in Ruokolahti supervised by Professor Timo Kärki. Laboratory tests were carried out at Lappeenranta University of Technology FMS workshop on Stenhøj EPS40 M hydraulic C-frame press coupled with National Instruments VI Logger and on the Adjustable packaging line machine at LUT Packaging laboratory. The tests succeeded better on the LUT packaging line than on the Stenhoj equipment due to the integrated heating system in the machine. However, there is much work to be done before the quality of a tray produced from the wood film is comparable to that of the wood plastic composite tray.

Cost Reduction of Permanent Magnet Synchronous Machines

Electrical machine drives are the most electrical energy-consuming systems worldwide. The largest proportion of drives is found in industrial applications. There are, however many other applications that are also based on the use of electrical machines, because they have a relatively high efficiency, a low noise level, and do not produce local pollution. Electrical machines can be classified into several categories. One of the most commonly used electrical machine types (especially in the industry) is induction motors, also known as asynchronous machines. They have a mature production process and a robust rotor construction. However, in the world pursuing higher energy efficiency with reasonable investments not every application receives the advantage of using this type of motor drives. The main drawback of induction motors is the fact that they need slipcaused and thus loss-generating current in the rotor, and additional stator current for magnetic field production along with the torque-producing current. This can reduce the electric motor drive efficiency, especially in low-speed, low-power applications. Often, when high torque density is required together with low losses, it is desirable to apply permanent magnet technology, because in this case there is no need to use current to produce the basic excitation of the machine. This promotes the effectiveness of copper use in the stator, and further, there is no rotor current in these machines. Again, if permanent magnets with a high remanent flux density are used, the air gap flux density can be higher than in conventional induction motors. These advantages have raised the popularity of PMSMs in some challenging applications, such as hybrid electric vehicles (HEV), wind turbines, and home appliances. Usually, a correctly designed PMSM has a higher efficiency and consequently lower losses than its induction machine counterparts. Therefore, the use of these electrical machines reduces the energy consumption of the whole system to some extent, which can provide good motivation to apply permanent magnet technology to electrical machines. However, the cost of high performance rare earth permanent magnets in these machines may not be affordable in many industrial applications, because the tight competition between the manufacturers dictates the rules of low-cost and highly robust solutions, where asynchronous machines seem to be more feasible at the moment. Two main electromagnetic components of an electrical machine are the stator and the rotor. In the case of a conventional radial flux PMSM, the stator contains magnetic circuit lamination and stator winding, and the rotor consists of rotor steel (laminated or solid) and permanent magnets. The lamination itself does not significantly influence the total cost of the machine, even though it can considerably increase the construction complexity, as it requires a special assembly arrangement. However, thin metal sheet processing methods are very effective and economically feasible. Therefore, the cost of the machine is mainly affected by the stator winding and the permanent magnets. The work proposed in this doctoral dissertation comprises a description and analysis of two approaches of PMSM cost reduction: one on the rotor side and the other on the stator side. The first approach on the rotor side includes the use of low-cost and abundant ferrite magnets together with a tooth-coil winding topology and an outer rotor construction. The second approach on the stator side exploits the use of a modular stator structure instead of a monolithic one. PMSMs with the proposed structures were thoroughly analysed by finite element method based tools (FEM). It was found out that by implementing the described principles, some favourable characteristics of the machine (mainly concerning the machine size) will inevitable be compromised. However, the main target of the proposed approaches is not to compete with conventional rare earth PMSMs, but to reduce the price at which they can be implemented in industrial applications, keeping their dimensions at the same level or lower than those of a typical electrical machine used in the industry at the moment. The measurement results of the prototypes show that the main performance characteristics of these machines are at an acceptable level. It is shown that with certain specific actions it is possible to achieve a desirable efficiency level of the machine with the proposed cost reduction methods.

Permanent magnet synchronous generator design solution for large directdrive wind turbines: Thermal behavior of the LC DD-PMSG

Wind is one of the most compelling forms of indirect solar energy. Available now, the conversion of wind power into electricity is and will continue to be an important element of energy self-sufficiency planning. This paper is one in a series intended to report on the development of a new type of generator for wind energy; a compact, high-power, direct-drive permanent magnet synchronous generator (DD-PMSG) that uses direct liquid cooling (LC) of the stator windings to manage Joule heating losses. The main param-eters of the subject LC DD-PMSG are 8 MW, 3.3 kV, and 11 Hz. The stator winding is cooled directly by deionized water, which flows through the continuous hollow conductor of each stator tooth-coil winding. The design of the machine is to a large degree subordinate to the use of these solid-copper tooth-coils. Both steady-state and timedependent temperature distributions for LC DD-PMSG were examined with calculations based on a lumpedparameter thermal model, which makes it possible to account for uneven heat loss distribution in the stator conductors and the conductor cooling system. Transient calculations reveal the copper winding temperature distribution for an example duty cycle during variable-speed wind turbine operation. The cooling performance of the liquid cooled tooth-coil design was predicted via finite element analysis. An instrumented cooling loop featuring a pair of LC tooth-coils embedded in a lamination stack was built and laboratory tested to verify the analytical model. Predicted and measured results were in agreement, confirming the predicted satisfactory operation of the LC DD-PMSG cooling technology approach as a whole.