Characterisation of Laser Beam and Paper Material Interaction

It is known already from 1970´s that laser beam is suitable for processing paper materials. In this thesis, term paper materials mean all wood-fibre based materials, like dried pulp, copy paper, newspaper, cardboard, corrugated board, tissue paper etc. Accordingly, laser processing in this thesis means all laser treatments resulting material removal, like cutting, partial cutting, marking, creasing, perforation etc. that can be used to process paper materials. Laser technology provides many advantages for processing of paper materials: non-contact method, freedom of processing geometry, reliable technology for non-stop production etc. Especially packaging industry is very promising area for laser processing applications. However, there are only few industrial laser processing applications worldwide even in beginning of 2010´s. One reason for small-scale use of lasers in paper material manufacturing is that there is a shortage of published research and scientific articles. Another problem, restraining the use of laser for processing of paper materials, is colouration of paper material i.e. the yellowish and/or greyish colour of cut edge appearing during cutting or after cutting. These are the main reasons for selecting the topic of this thesis to concern characterization of interaction of laser beam and paper materials. This study was carried out in Laboratory of Laser Processing at Lappeenranta University of Technology (Finland). Laser equipment used in this study was TRUMPF TLF 2700 carbon dioxide laser that produces a beam with wavelength of 10.6 μm with power range of 190-2500 W (laser power on work piece). Study of laser beam and paper material interaction was carried out by treating dried kraft pulp (grammage of 67 g m-2) with different laser power levels, focal plane postion settings and interaction times. Interaction between laser beam and dried kraft pulp was detected with different monitoring devices, i.e. spectrometer, pyrometer and active illumination imaging system. This way it was possible to create an input and output parameter diagram and to study the effects of input and output parameters in this thesis. When interaction phenomena are understood also process development can be carried out and even new innovations developed. Fulfilling the lack of information on interaction phenomena can assist in the way of lasers for wider use of technology in paper making and converting industry. It was concluded in this thesis that interaction of laser beam and paper material has two mechanisms that are dependent on focal plane position range. Assumed interaction mechanism B appears in range of average focal plane position of 3.4 mm and 2.4 mm and assumed interaction mechanism A in range of average focal plane position of 0.4 mm and -0.6 mm both in used experimental set up. Focal plane position 1.4 mm represents midzone of these two mechanisms. Holes during laser beam and paper material interaction are formed gradually: first small hole is formed to interaction area in the centre of laser beam cross-section and after that, as function of interaction time, hole expands, until interaction between laser beam and dried kraft pulp is ended. By the image analysis it can be seen that in beginning of laser beam and dried kraft pulp material interaction small holes off very good quality are formed. It is obvious that black colour and heat affected zone appear as function of interaction time. This reveals that there still are different interaction phases within interaction mechanisms A and B. These interaction phases appear as function of time and also as function of peak intensity of laser beam. Limit peak intensity is the value that divides interaction mechanism A and B from one-phase interaction into dual-phase interaction. So all peak intensity values under limit peak intensity belong to MAOM (interaction mechanism A one-phase mode) or to MBOM (interaction mechanism B onephase mode) and values over that belong to MADM (interaction mechanism A dual-phase mode) or to MBDM (interaction mechanism B dual-phase mode). Decomposition process of cellulose is evolution of hydrocarbons when temperature is between 380- 500°C. This means that long cellulose molecule is split into smaller volatile hydrocarbons in this temperature range. As temperature increases, decomposition process of cellulose molecule changes. In range of 700-900°C, cellulose molecule is mainly decomposed into H2 gas; this is why this range is called evolution of hydrogen. Interaction in this range starts (as in range of MAOM and MBOM), when a small good quality hole is formed. This is due to “direct evaporation” of pulp via decomposition process of evolution of hydrogen. And this can be seen can be seen in spectrometer as high intensity peak of yellow light (in range of 588-589 nm) which refers to temperature of ~1750ºC. Pyrometer does not detect this high intensity peak since it is not able to detect physical phase change from solid kraft pulp to gaseous compounds. As interaction time between laser beam and dried kraft pulp continues, hypothesis is that three auto ignition processes occurs. Auto ignition of substance is the lowest temperature in which it will spontaneously ignite in a normal atmosphere without an external source of ignition, such as a flame or spark. Three auto ignition processes appears in range of MADM and MBDM, namely: 1. temperature of auto ignition of hydrogen atom (H2) is 500ºC, 2. temperature of auto ignition of carbon monoxide molecule (CO) is 609ºC and 3. temperature of auto ignition of carbon atom (C) is 700ºC. These three auto ignition processes leads to formation of plasma plume which has strong emission of radiation in range of visible light. Formation of this plasma plume can be seen as increase of intensity in wavelength range of ~475-652 nm. Pyrometer shows maximum temperature just after this ignition. This plasma plume is assumed to scatter laser beam so that it interacts with larger area of dried kraft pulp than what is actual area of beam cross-section. This assumed scattering reduces also peak intensity. So result shows that assumably scattered light with low peak intensity is interacting with large area of hole edges and due to low peak intensity this interaction happens in low temperature. So interaction between laser beam and dried kraft pulp turns from evolution of hydrogen to evolution of hydrocarbons. This leads to black colour of hole edges.

The total material requirement -concept applied to agriculture : a case study from Finland

Selostus: Luonnonvarojen kokonaiskäyttö sovellettuna maatalouteen: esimerkki Suomesta

New Operation Model for Maintenance Material Logistics in Paper Industry

This research report illustrates and examines new operation models for decreasing fixed costs and transforming them into variable costs in the field of paper industry. The report illustrates two cases - a new operation model for material logistics in maintenance and an examination of forklift truck fleet outsourcing solutions. Conventional material logistics in maintenance operation is illustrated and some problems related to conventional operation are identified. A new operation model that solves some of these problems is presented including descriptions of procurement and service contracts and sources of added value. Forklift truck fleet outsourcing solutions are examined by illustrating the responsibilities of a host company and a service provider both before and after outsourcing. The customer buys outsourcingservices in order to improve its investment productivity. The mechanism of how these services affect the customer company's investment productivity is illustrated.

Delivery of European Cross-Border Health Care and the Relevance and Effects of EU Regulations and Judicial Processes with Reference to Delivery of Drugs and Blood Donor Information Material.

Valtion rajat ylittävät terveyspalvelut Euroopan unionissa sekä Euroopan unionin säädösten merkitys ja vaikutus erityisesti lääkejakeluun ja verenluovuttajille jaettavaan tiedotusaineistoon Valtion rajat ylittävä terveydenhuolto on suuren kiinnostuksen kohteena Euroopan unionissa. Resurssien hyödyntäminen parhaalla mahdollisella tavalla ja tiedon keskittäminen ovat tarpeen terveydenhuollon kustannusten alati noustessa. Terveydenhuoltopalvelut kuuluvat Euroopan sisämarkkinoiden vapaan liikkuvuuden piiriin. Euroopan unionilla ei ole kuitenkaan toimivaltaa säädellä terveydenhuoltojärjestelmiä, vaan sen mahdollisuudet ovat enimmäkseen kansanterveyden edistämisessä ja suojelussa, myös muilla toimialueilla kuin terveydenhuollossa. Tutkimuksen tavoitteena oli tutkia Euroopan unionin säädösten vaikutusta terveydenhuoltosektoriin, erityisesti valtion rajat ylittäviin terveydenhuoltopalveluihin. Erityiskohteena olivat lääkemääräyksen toimittaminen toisen Euroopan unionin jäsenmaan apteekista, resepti-lääkkeiden maahantuonti omaan henkilökohtaiseen käyttöön, sähköisen lääkemääräyksen käyttö kansallisesti ja mahdollisuudet sen käyttöön eri jäsenmaiden välillä, online-apteekkien soveltuvuus Euroopan unionin sisämarkkinoille sekä verenluovuttajille jaettavan tiedotusaineiston yhtenäistämistarve Euroopan unionin alueella. Tutkimuksen osa-alueiden aineisto koottiin vuosina 1999–2003, jolloin Euroopan unioniin kuului 15 jäsenmaata. Apteekit toimittivat useimmiten myös ei-kansalliset, toisessa Euroopan unionin jäsenmaassa annetut lääkemääräykset. Kaikki jäsenmaat rajoittivat lääkemääräyksen vaativien lääkkeiden maahantuontia. Rajoituksia oli maahantuontimäärissä ja -tavoissa. Lisäksi sairasvakuutuskorvausten saaminen ulkomailla lunastetuista reseptilääkkeistä oli hankalaa. Sähköiset lääkemääräykset olivat käytössä vain kahdessa maassa, mutta useissa maissa suunniteltiin niiden kokeilua. Standardit ja käyttöjärjestelmät olivat erilaisia eri maissa. Euroopan unionin alueelle on perustettu online-apteekkeja, joiden toiminta on kuitenkin vaatimatonta. Verenluovuttajille annettava tiedotusaineisto ei missään maassa täyttänyt veridirektiivin vaatimuksia. Tutkimuksen tulokset osoittivat kansallisten käytäntöjen eroavaisuuksien rajoittavan valtion rajat ylittäviä terveydenhuoltopalveluita. Vaikka Euroopan unionin tavoitteena ei ole yhtenäistää terveydenhuoltojärjestelmiä, on tarpeen arvioida uudelleen unionin ja jäsenmaiden välistä työnjakoa. Kansalliset terveydenhuoltojärjestelmät eivät ole erillään Euroopan sisämarkkinoista, jotka merkittävästi vaikuttavat terveydenhuoltoon.

Supplier Evaluation on the Standard Material and Component Markets in the Electronic Manufacturing Equipment Industry

Työn tavoitteena oli arvioida ja selvittää toimittajasuhteeseen vaikuttavia tekijöitä JOT Automation Group Oyj.n ja sen alihankkijoiden välisessä yhteistyössä ja muodostaa yrityksen kilpailukykyä parantava toimittaja-arviointiprosessi. Työssä keskityttiin tarkastelemaan yleisillä materiaali- ja komponenttimarkkinoilla toimivia toimittajia elektroniikkateollisuuden tuotantojärjestelmien valmistuksessa. Ensin tutustuttiin toimittajasuhdetta ja sen arviointia käsitelleeseen kirjallisuuteen. Teorian tueksi tehtiin haastatteluja ja kartoitettiin ensisijaisia tarpeita ja tavoitteita arviointiprosessille. Valmis prosessi testattiin käytännössä kahden eri case-esimerkin avulla. Prosessista muodostui kahteen eri työkaluun jakautunut kokonaisuus, joista auditointi arvioi toimittajan kyvykkyyttä vastatta sille asetettuihin vaatimuksiin. Toimittajan suorituskyvyn mittaaminen puolestaan testaa ja vertaa jatkuvasti toiminnan todellista tasoa auditoinnissa saatuihin tuloksiin. Työ sisältää selvityksen ja ohjeistuksen toimittaja-arviointiprosessin käytöstä. Prosessin käyttö alentaa toimittajaan kohdistuvaa materiaalien saatavuuteen ja hankintaan liittyviä riskejä. Esimerkeistä saadut kokemukset osoittivat, että prosessin avulla päästään pureutumaan tärkeisiin ydinalueisiin ja kehittämään niitä sekä toimittajalle, että ostajayritykselle edullisella tavalla. Toimittaja-arviointiprosessista kehittyy toimintatapa yrityksen ja sen toimittajan välisen suhteen ylläpitämiseksi.

Information and Material Flows in Project Business

Tavoitteena diplomityössä oli kuvata projektiliiketoimintaa harjoittavan yrityksen informaatio- ja materiaalivirrat toimitusprojekteissa. Selvitys haluttiin tehdä tulevia kehitysprojekteja varten. Diplomityö toteutettiin kahessa osassa: laatimalla aiheeseen liittyvä teoriakatsaus ja kartoittamalla todellinen tilanne yrityksen sisällä.Teoriaosassa kuvattiin tarkastelualue ja projektiliiketoiminnan erityispiirteitä sekä käsiteltiin tietojärjestelmiä ja materiaalivirran hallintaan liittyviä asioita. Yrityksen informaatio- ja materiaalivirtojen nykytila kartoitettiin laatimalla vuokaaviot kolmen esimerkkituotteen toimitusprojekteista. Kaaviot laadittiin yrityksen sisäisten dokumenttien ja kvalitatiivisten haastattelujen pohjalta. Kaavioiden sisältöä täydennettiin taulukoimalla kaavioissa esiintyvien dokumettien sisältöä. Työn tuloksena muodostui kuva tiedonkäsittelyn nykytilasta myynti- ja toimitusprojekteissa, pelkistetty visio tulevaisuuden tietojärjestelmien rooleista sekä ehdotuksia tulevia kehitysprojekteja varten.

Internal material logistics development in customer-driven production

Työn tavoitteena oli synkronoida yleinen materiaalivirta tuotannon kanssa. Pyrkimyksenä oli virtaviivaistaa materiaalivirta, jotta materiaalin määrä, sekä turhat työvaiheet tuotantoalueella vähenisivät. Päämääränä oli vähentää materiaalilavojen määrää lattialla, sekä parantaa materiaalitoimitusten OTD (On-Time-Delivery) prosenttia.Teoreettinen osa käsittelee nykypäivän toimitusketjun tärkeimpiä elementtejä. Keskeisenä asiana perehdytään materiaalivirtaan ja sen tehokkaaseen hallintaan. Työ esittelee myös synkronisen johtamismallin periaatteet, sekä materiaalivirran synkronoimisen tuotannon kanssa.Empiirinen osuus kuvaa yrityksen materiaalihallinnan nykypäivän tilanteen, sen keskeiset ongelmat, sekä uuden toimintamalliehdotuksen. Työ esittelee kaksi pilottia, joiden tulokset varmistivat uuden virtaviivaistetun materiaalivirran ja täydennysmallin toimivuuden.Työn tulokset osoittavat, miten uusi materiaalin täydennysmalli vähentää materiaalilavojen, sekä jalostamattoman työn määrää tuotantoalueella.

Managing material flows and improving performance in a component supplier’s internal supply chain

Tämä diplomityö tehtiin osana Componenta Cast Componentsin kolmivuotista toimitusketjujen kehitysprojektia. Työn tavoitteena oli kuvata tyypillinen yrityksen sisäinen toimitusketjuprosessi ja tehdä alustava suorituskykyanalyysi valimon ja konepajan väliseen logistiseen prosessiin liittyen. Tarkoituksena oli myös löytää kehityskohteita materiaali- ja tietovirtojen hallinnassa näiden tuotantoyksiköiden välillä. Logistiikkaan, toimitusketjujen hallintaan ja toimitusketjun suorituskyvyn mittaamiseen liittyvän kirjallisuustutkimuksen sekä käytännön perusteella valittiin sopivat analyysimenetelmät. Näitä menetelmiä hyödynnettiin tilaustoimitus – prosessin kuvaamisessa sekä suorituskyvyn analysoinnissa yrityksen sisäisessä toimitusketjussa. Luonnollisena jatkona kehitettiin ja pantiin käytäntöön toimitusketjua synkronoiva imutyyppinen tuotannon- ja materiaalinohjausmenetelmä. Diplomityöprojektin aikana kehitettiin myös apuvälineet käyttöönotetun menetelmän asianmukaista hyödyntämistä varten. Diplomityöprojektissa otettiin ensimmäiset askeleet kohti integroitua sisäistä toimitusketjua. Uuden tuotannon- ja materiaalinohjausmenetelmän standardisointi muihin menetelmiin yhdistettynä, sekä toimitusketjun avainmittarien jatkokehitys on jo alkanut. Läpimenoaikoja lyhentämällä ja synkronoidun, läpinäkyvän kysyntä-tarjontaketjun avulla integroitumisen astetta voidaan nostaa edelleen. Poikkiorganisatorinen kehitys ja johtaminen toimitusketjussa on avainedellytys menestykseen.

Characterisation of Hydrophobic Nonfibrous Material and Its Removal From Pulp Suspension

Paperin ja kartongin kierrätys lisääntyy taloudellisten intressien ja ympäristöhygieenisten tavoitteiden takia jatkuvasti. Lisääntyvän kierrätyksen myötä myös paperin ja kartongin epäpuhtauksien määrä kasvaa, mikä huonontaa kierrätysraaka-aineen laatua. Tämän työn tarkoituksena on antaa perustietoa eräästä kartongin päällystyksessä käytettävästä hydrofobisesta materiaalista, epäpuhtaan kartongin kierrätyksestä sekä ongelmista, joita epäpuhtaan kartongin kierrätyksestä syntyy. Kierrätyskuidun fraktiointi on yksinkertainen prosessi aallotuskartongin, testilainerin ja taivekartongin valmistuksessa. Kierrätysprosessin ensisijaisia tehtäviä ovat kuidutus ja epäpuhtauksien poisto sekä näiden epäpuhtauksien vaikutusten eliminointi, jotta kierrätysmassan laatuvaatimukset täyttyvät. Lisääntynyt epäpuhtauksien määrä raaka-aineessa asettaa vaatimuksia lajitteluprosessin kehittämiseksi. Nykyaikaisilla kierrätyslaitoksilla ei pystytä käsittelemään ylettömiä määriä epäpuhtauksia. Epäpuhtaudet aiheuttavat ongelmia ajettavuuteen ja heikentävät tuotteen laatua kierrätysprosessissa. Epäpuhtauksien poistoon on olemassa useita teknisiä ratkaisuja, mutta minkään niistä ei ole todettu täysin poistavan kaikkia ongelmia. Työn kokeellisessa osassa kartongin päällystykseen käytettävää hydrofobista materiaalia analysoitiin erilaisin menetelmin. Tutkittiin myös erilaisten olosuhteiden vaikutusta tämän materiaalin poistoon.

The high-speed induction motor: calculating the effects of solid-rotor material on machine characteristics

A method for the analysis of high-speed solid-rotor induction motors in presented. The analysis is based on a new combination of the three dimensional linear method and the transfer matrix method. Both saturation and finite length effects are taken into account. The active region of the solid rotor is divided into saturated and unsaturated parts. The time dependence is assumed to be sinusoidal and phasor quantities are used in the solution. The method is applied to the calculation of smooth solid rotors manufactured of different materials. Six rotor materials are tested: three construction steels, pure iron, a cobaltiron alloy and an aluminium alloy. The results obtained by the method agree fairly well with the measurement quantities.