Product design in the context of the social needs in less industrialised economies

This thesis is related to the subject of technical innovation, specifically to the activity of design in microenterprises operating in less industrialised economies. Design here is understood as a process, which is not the sole domain of formally trained categories such as engineers, architects or industrial designers. The 'professional boundary' discussion in this investigation is perceived as secondary as, in this context, products are designed, copied or adapted by workers, entrepreneurs themselves, or directly by the poor community. Design capacity at this level is considered to be important both in relation to the conception of capital and consumer goods and to the building up of technical knowledge. Although professional design emerged in Latin America little over three decades ago, this activity has remained marginalised throughout industry. Design activity tends to be concentrated in some product categories in the formalised industrial sector. For microenterprises operating informally, industrial design appears to be unknown. The existing literature pays little attention to 'informal design' capacity. Other areas of knowledge, such as development economies, recognise the importance of microenterprises and technological capability but neglect the potential role of industrial design in small manufacturing units. The management literature, though it focuses on technical innovation and design, has also paid little attention to 'informal design'. In less industrialised economies this neglect is felt by the lack of programmes specifically tailored to create or stimulate 'informal design'. There is a need for recognition of 'informal design' capacity and for the implementation of programmes which specifically target design as a central activity in the manufacturing firm, independent of their size and technological capability. Addressing 'design by the poor for the poor', requires a down-to-earth approach.

Interrelated product design activities sequencing with efficient tabu search algorithms

This paper proposes and investigates a metaheuristic tabu search algorithm (TSA) that generates optimal or near optimal solutions sequences for the feedback length minimization problem (FLMP) associated to a design structure matrix (DSM). The FLMP is a non-linear combinatorial optimization problem, belonging to the NP-hard class, and therefore finding an exact optimal solution is very hard and time consuming, especially on medium and large problem instances. First, we introduce the subject and provide a review of the related literature and problem definitions. Using the tabu search method (TSM) paradigm, this paper presents a new tabu search algorithm that generates optimal or sub-optimal solutions for the feedback length minimization problem, using two different neighborhoods based on swaps of two activities and shifting an activity to a different position. Furthermore, this paper includes numerical results for analyzing the performance of the proposed TSA and for fixing the proper values of its parameters. Then we compare our results on benchmarked problems with those already published in the literature. We conclude that the proposed tabu search algorithm is very promising because it outperforms the existing methods, and because no other tabu search method for the FLMP is reported in the literature. The proposed tabu search algorithm applied to the process layer of the multidimensional design structure matrices proves to be a key optimization method for an optimal product development.

Interrelated product design activities sequencing with efficient tabu search algorithms

This paper proposes and investigates a metaheuristic tabu search algorithm (TSA) that generates optimal or near optimal solutions sequences for the feedback length minimization problem (FLMP) associated to a design structure matrix (DSM). The FLMP is a non-linear combinatorial optimization problem, belonging to the NP-hard class, and therefore finding an exact optimal solution is very hard and time consuming, especially on medium and large problem instances. First, we introduce the subject and provide a review of the related literature and problem definitions. Using the tabu search method (TSM) paradigm, this paper presents a new tabu search algorithm that generates optimal or sub-optimal solutions for the feedback length minimization problem, using two different neighborhoods based on swaps of two activities and shifting an activity to a different position. Furthermore, this paper includes numerical results for analyzing the performance of the proposed TSA and for fixing the proper values of its parameters. Then we compare our results on benchmarked problems with those already published in the literature. We conclude that the proposed tabu search algorithm is very promising because it outperforms the existing methods, and because no other tabu search method for the FLMP is reported in the literature. The proposed tabu search algorithm applied to the process layer of the multidimensional design structure matrices proves to be a key optimization method for an optimal product development.

Radanohjaimen suunnittelu leveille päällystyskoneille

Radanohjaimia käytetään radan poikkisuuntaiseen paikoitukseen sekä oskillointiin ja ne ovat osa paperinvalmistuslinjojen radanhallintajärjestelmiä. Oikein suunnitellulla ja sijoitetulla radanohjaimella voidaan estää haitallisten ratasiirtymien esiintyminen, pienentää hylkymateriaalin määrää sekä parantaa rullauksen laatua. Ohjausperiaatteet sekä niihin liittyvä laitetekniikka on tunnettu jo vuosikymmenten ajan, joskin todelliset radanohjaustarpeet ja -laitteet ovat tähän asti rajoittuneet paino-, tekstiili- ja metalliteollisuudessa käytössä oleville kapeille radoille. Tämän työn tavoitteena oli selvittää 5… 12 metriä leveälle, modernissa päällystyskoneessa kulkevalle paperiradalle soveltuvat ohjausperiaatteet sekä muodostaa radan todennäköisimpiin vauriomuotoihin perustuvat suunnittelukriteerit kahdelle erityyppiselle ohjainkonstruktiolle. Yksitelainen, taivuttava radanohjain soveltuu kohteisiin, joissa ohjainta edeltää suhteellisen pitkä vapaa ratavienti. Kaksitelainen, taittava radanohjain on puolestaan sijoitettavissa huomattavasti lyhyempään ratavientiin. Radanohjauksen teoria pohjautuu pitävän telan ja radan väliseen kohtisuoran tulokulman periaatteeseen, jonka perusteella mikä tahansa yhdensuuntaisuuspoikkeama kahden telan välillä johtaa radan poikkisuuntaiseen siirtymään. Tämän periaatteen pohjalta voidaan dynaamista ohjaustilannetta approksimoida staattisin menetelmin sekä muodostaa kireysmuutoksiin ja aaltoiluun perustuvat geometrian mitoitusperiaatteet ohjaimen ympäristön ratavienneille. Nopean ohjauksen toteutus edellyttää radanohjaimen liikkeen olevan nivelen ympäri tapahtuvaa yhdistettyä translaatio- ja rotaatioliikettä. Ohjainkonstruktiot suunnitellaan siten, että teorian mukaiset optimaaliset liikeradat toteutuvat vaaditulla ohjausnopeudella. Suunnittelua ohjaavat tuotteille asetetut lujuus- ja värähtelykriteerit sekä aiheeseen liittyvät koneturvallisuusstandardit. Konstruointi suoritetaan järjestelmällisen tuotesuunnitteluprosessin vaiheiden ja menetelmien mukaisesti.

Kattilalaitosten järjestelmällinen suunnittelu ja modulaarinen rakenne

Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia kattilalaitosten järjestelmällistä suunnittelua, huomioiden laitoksen elinkaariprosessit ja modulaarinen tuoterakenne. Kattilalaitokset investointituotteina toteutetaan tyypillisesti projektitoimintamallilla, jolloin jokainen toimitus suunnitellaan alusta kyseisen kohteen vaatimusten perusteella. Päätöksenteon peruste on laitosasiakkaiden osalta tyypillisesti hinta, jonkavuoksi laitoksen perusratkaisut tulee olla ennalta määriteltyjä ja toimitusprosessi huolellisesti suunniteltu, jotta kustannukset ja aikataulu ovat ennustettavissa. Projektitoimituksissa projektipäälliköllä on merkittävä vastuu myös suunnittelun onnistumisesta ja käytössä olevat projektinhallintamallit ovat hyvin tuotekeskeisiä, jolloin vaatimuksia ei riittävästi huomioida ja siten toteutettu laitosratkaisu ei täytä usein sidosryhmien asettamia vaatimuksia. Monimutkaisten järjestelmien kehittämiseen ja suunnitteluun on olemassa Systems Engineering - suunnittelumalli, jonka hyödyntäminen energiatekniikan alalla on ollut vielä vähäistä. Malli tarjoaa yhdessä ISO/ICE 15288 standardin kanssa valmiit prosessit tuotteen järjestelmälliselle suunnittelulle. Modulaariset tuoterakenteet ovat olleet perusvaatimus komponenttien toimitusten osalta, mutta laitosjärjestelmien tuotteistaminen on koettu vaikeaksi runsaan räätälöintitarpeen takia. Prosessimaisella toimintamallilla voidaan tuottaa modulaarisia tuoterakenteita ja tehostaa kattilalaitosten muutosten hallintaa. Tutkimuksessa tunnistettiin tyypilliset kattilalaitoksen suunnittelun prosessit kattilalaitosten kokonaistoimituksiin erikoistuneelle KPA Unicon Oy:lle.

Painediffusöörin suunnitteluperusteiden kehittäminen

Pesu on tärkeä osa sellun tuotantoprosessia. Eräs tapa toteuttaa sellun pesu on käyttää painediffusööriä. Painediffusööri toimii syrjäytyspesuperiaatteella, eli poistaa sellu-massasta keittolipeää paineistetun pesuveden avulla. Työssä on kehitetty painediffusöörin suunnittelun lähtökohtia keräämällä tietoa laitteen toiminnasta, rakenteesta, valmistuksesta sekä nykyisistä epäkohdista, joihin esitetään parannusmahdollisuuksia. Tärkeimmät kehitysalueet laitteessa ovat valmistus-toleranssien väljentäminen sekä sihdin pystysuuntaisen liikkeen tuottaminen. Laitteen valmistustoleranssit on analysoitu perusteellisesti, ja niiden väljentämis-mahdollisuuksia on tutkittu. Väljentämiseen ehdotetaan erilaisia keinoja. Sihdin liike tuotetaan tällä hetkellä hydrauliikalla. Hydrauliikkakomponenteille on koottu mitoitusohjeita, joiden jälkeen esitellään keinoja hydrauliikkajärjestelmän kehittämiseen. Lopuksi esitellään muita lineaarisen liikkeen tuottamisvaihtoehtoja, joilla hydrauliikan voisi korvata. Rakenteessa käytetyille valmistusmateriaaleille on etsitty olemassa olevat yleisimpien materiaalistandardien mukaiset nimikkeet materiaalinvalinnan helpottamiseksi jatkossa. Pääasiallisten valmistusmateriaalien lisäksi on kerätty tietoa myös vaihtoehtoisista konstruktiomateriaaleista sekä materiaalinvalinnasta ja tuotesuunnittelusta yleensä.

Nosturin kuormauselimen liitynnän suunnittelu

Paperiteollisuuden prosessituotteista paperia varastoidaan erikokoisina rullina esim. pystyrullavarastoihin. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää Konecranesin prosessinosturille liityntä paperirullia käsittelevän kuormauselimen ja nosturin välille. Tavoitteena oli löytää kiinnitysmenetelmä, joka mahdollistaa nosturien joustavan käytön mahdollisimman pienin muutoksin itse nosturin standardoituun rakenteeseen. Pääasiallisena syventymisen kohteena oli alipaineella paperirullia nostettavan kuormauselimen liityntä. Liitynnän on kyettävä joustamaan ja vaimentamaan paperirullia nostavaan kuormauselimeen nosturin liikkeelle lähdöstä ja pysähtymisestä syntyvät herätteet ja voimat. Nosturin liikenopeus on kyettävä pitämään mahdollisimman suurena lyhyen rullienkäsittelyajan saavuttamiseksi. Liitynnältä vaaditaan kykyä ottaa kuormauselin vastaan mahdollisimman suurella nostonopeudella. Lisäksi kuorman ja kuormauselimen oskillaatio on vaimennettava mahdollisimman nopeasti samalla rajoittaen heilunnasta aiheutuvaa maksimi siirtymää. Liitynnän suunnittelu pohjautuu nosturin, kuormauselimen ja paperirullan muodostaman systeemin teoreettiseen tarkasteluun. Systeemistä laadittiin dynaaminen malli, jonka avulla tutkittiin oskillaation ja syntyvien kiihtyvyyksien suuruutta. Näiden teoriaan perustuvien tuloksien pohjalta suunniteltiin vaimennukseen tarvittavat vaimennuselementit ja liitynnän rakenne. Suunnittelutyön tuloksena saatiin liitynnälle alustava rakenne, joka mahdollistaa käytettävien vaimennuselementtien vaihtamisen ja siten tehokkaan heilunnan vaimmennuksen. Suunnittelutyön lähtökohtana oleva teoreettinen tarkastelu vaatii tuekseen esim. prototyypin kokeellisten tulosten saamiseksi ennen lopullisen tuotteen valmistamista. Suunnitteluprosessissa noudatettiin järjestelmällisen tuotesuunnittelun vaiheita ja menetelmiä.

Viilunoikaisujärjestelmän esisuunnittelu

Tämän diplomityön tavoitteena oli etsiä ratkaisuvaihtoehtoja vaneriteollisuudessa esiintyvään liimatikkuongelmaan ja jatkolinjan hyötysuhdeongelmaan. Tavoitteena oli myös, että löydetyistä ratkaisuvaihtoehdoista valittaisiin ratkaisu, jolla on mahdollisimman nopea investoinnin takaisinmaksuaika. Työn kirjallisuusosassa kerrotaan järjestelmällisen tuotesuunnittelumenetelmän alkuvaiheet. Tätä menetelmää käytetään kiinteästi kaikissa koneensuunnitteluprojektien alkuvaiheissa. Menetelmää voidaan käyttää myös jo valmiiden järjestelmien kehittämiseen. Työn käytännönosassa esitellään ensin ongelman syy-seuraussuhteet. Ongelmaan esitetään useita eri ratkaisuvaihtoehtoja. Ratkaisuvaihtoehdoille laskettiin tuotot vuodessa, joka perustui puuraaka-aine säästöön ja laadun parantumiseen. Ratkaisuvaihtoehtojen tuottoja verrattiin nykyisen järjestelmän tuottoihin. Lopuksi eri ratkaisuvaihtoehdot pisteytettiin taloudellisten ja teknisten kriteerien avulla. Parhaimmat pisteet saanut ratkaisuvaihtoehto valittiin jatkokehitykseen. Työn merkittävämmät tulokset perustuvat esitettyihin ratkaisuvaihtoehtoihin, joilla saadaan ratkaistua liimatikkuongelma ja hyötysuhdeongelma jatkoslinjalla. Paras ratkaisuvaihtoehto täyttää myös vaatimukset, jotka on määritelty jo työn alussa.

Sähkömoottoriprototyypin mekaniikkasuunnittelu järjestelmällisen tuotesuunnittelun avulla

Työn tavoitteena oli suunnitella sähkömoottoriprototyyppi, joka soveltuu hybridiajoneuvon ajomoottoriksi. Mekaniikkasuunnittelu toteutettiin samanaikaisesti sähkösuunnittelun kanssa ja siinä käytettiin yleisesti käytössä olevaa järjestelmällistä tuotesuunnittelua. Järjestelmällinen tuotesuunnittelu soveltuu laajoihin suunnitteluprojekteihin, sillä sen avulla suunnitteluprosessi on jaoteltu useampiin pieniin askeliin. Työssä esitetään sähkömoottorin yleistä toimintaperiaatetta sekä niitä sähköteknisiä erityispiirteitä, joita mekaniikkasuunnittelussa tulee ottaa huomioon. Työn tuloksissa käytiin yksityiskohtaisesti läpi roottorin suunnittelu. Muille komponenteille käytettiin samaa järjestelmällistä tuotesuunnittelua mutta niitä ei esitetä yksityiskohtaisesti tässä työssä. Kokonaisuudessaan sähkömoottorista saatiin suunniteltua ratkaisuehdotus, joka täyttää halutut vaatimukset. Lisäksi työssä kerättiin kattava lista standardeista, jotka tukevat sähkömoottorin suunnittelua. Järjestelmällisen tuotesuunnittelun todettiin soveltuvan sähkömoottorin suunnitteluun hyvin ja saatua ratkaisuehdotusta voidaan pitää toimivana. Moottori suunnitelmasta valmistetaan ensimmäinen prototyyppi keväällä 2012. Prototyyppiä voidaan kehittää suunnittelemalla siitä paremmin sarjatuotantoon soveltuva malli esimerkiksi vähentämällä koneistettavien osien määrää ja korvaamalla ne valukappaleilla.

Kantavan modulaarisen kehikkorakenteen suunnittelu optimoiduksi tuotteeksi

Diplomityössä tavoitteena oli suunnitella kantava modulaarinen kehikkorakenne, joka soveltuu käytettäväksi erilaisissa tasoratkaisuissa. Suunnittelumetodina käytettiin järjestelmällistä tuotesuunnittelua. Rakenteen tuli olla modulaarinen, valmistettavissa laserleikkaamalla ja toteutettu ruuviliitoksilla. Lisäksi kehikkorakenteen suunnittelussa pyrittiin optimaalisimpaan ratkaisuun niin teknisen kuin taloudellisenkin toteutuksen kannalta. Premekon Oy investoi vuonna 2009 laserleikkuukeskukseen, jossa pystytään leikkaamaan levyjä ja palkkeja. Yhdessä oikeanlaisen tuotesuunnittelun kanssa laserleikkuukeskuksella pystytään valmistamaan tuotteita suurella tuotantotehokkuudella. Kantavan modulaarisen kehikkorakenteen kehittäminen mahdollisti laserleikkuun aiempaa tehokkaamman hyödyntämisen. Työssä tarkasteltiin yksityiskohtaisemmin erilaisten profiilien soveltuvuutta laserleikattavaksi, osien muotoilua, liitosten yhteensopivuutta ja lujuutta.

Efficiency and feasibility of product disassembly: A case-based study

The productivity associated with commonly available disassembly methods today seldomly makes disassembly the preferred end-of-life solution for massive take back product streams. Systematic reuse of parts or components, or recycling of pure material fractions are often not achievable in an economically sustainable way. In this paper a case-based review of current disassembly practices is used to analyse the factors influencing disassembly feasibility. Data mining techniques were used to identify major factors influencing the profitability of disassembly operations. Case characteristics such as involvement of the product manufacturer in the end-of-life treatment and continuous ownership are some of the important dimensions. Economic models demonstrate that the efficiency of disassembly operations should be increased an order of magnitude to assure the competitiveness of ecologically preferred, disassembly oriented end-of-life scenarios for large waste of electric and electronic equipment (WEEE) streams. Technological means available to increase the productivity of the disassembly operations are summarized. Automated disassembly techniques can contribute to the robustness of the process, but do not allow to overcome the efficiency gap if not combined with appropriate product design measures. Innovative, reversible joints, collectively activated by external trigger signals, form a promising approach to low cost, mass disassembly in this context. A short overview of the state-of-the-art in the development of such self-disassembling joints is included. (c) 2008 CIRP.

Business concept design of an innovative product: Partnership between Nmusic and Rovio Entertainment Ltd.

Field Lab in Entrepreneurial Innovative Ventures

Tuning the design procedures for laser processed microwave mechanics

This research has been focused at the development of a tuned systematic design methodology, which gives the best performance in a computer aided environment and utilises a cross-technological approach, specially tested with and for laser processed microwave mechanics. A tuned design process scheme is also presented. Because of the currently large production volumes of microwave and radio frequency mechanics even slight improvements of design methodologies or manufacturing technologies would give reasonable possibilities for cost reduction. The typical number of required iteration cycles could be reduced to one fifth of normal. The research area dealing with the methodologies is divided firstly into a function-oriented, a performance-oriented or a manufacturability-oriented product design. Alternatively various approaches can be developed for a customer-oriented, a quality-oriented, a cost-oriented or an organisation-oriented design. However, the real need for improvements is between these two extremes. This means that the effective methodology for the designers should not be too limited (like in the performance-oriented design) or too general (like in the organisation-oriented design), but it should, include the context of the design environment. This is the area where the current research is focused. To test the developed tuned design methodology for laser processing (TDMLP) and the tuned optimising algorithm for laser processing (TOLP), seven different industrial product applications for microwave mechanics have been designed, CAD-modelled and manufactured by using laser in small production series. To verify that the performance of these products meets the required level and to ensure the objectiveness ofthe results extensive laboratory tests were used for all designed prototypes. As an example a Ku-band horn antenna can be laser processed from steel in 2 minutes at the same time obtaining a comparable electrical performance of classical aluminium units or the residual resistance of a laser joint in steel could be limited to 72 milliohmia.

Modular Product Verifications Based on Design for Assembly

The desire to conquer markets through advanced product design and trendy business strategies are still predominant approaches in industry today. In fact, product development has acquired an ever more central role in the strategic planning of companies, and it has extended its influence to R&D funding levels as well. It is not surprising that many national R&D project frameworks within the EU today are dominated by product development topics, leaving production engineering, robotics, and systems on the sidelines. The reasons may be many but, unfortunately, the link between product development and the production processes they cater for are seldom treated in depth. The issue dealt with in this article relates to how product development is applied in order to attain the required production quality levels a company may desire, as well as how one may counter assembly defects and deviations through quantifiable design approaches. It is recognized that product verifications (tests, inspections, etc.) are necessary, but the application of these tactics often result in lead-time extensions and increased costs. Modular architectures improve this by simplifying the verification of the assembled product at module level. Furthermore, since Design for Assembly (DFA) has shown the possibility to identify defective assemblies, it may be possible to detect potential assembly defects already in the product and module design phase. The intention of this paper is to discuss and describe the link between verifications of modular architectures, defects and design for assembly. The paper is based on literature and case studies; tables and diagrams are included with the intention of increasing understanding of the relation between poor designs, defects and product verifications.

Development and application of a computer-based methodology for design for additive manufacturing of automotive components

The research project aims to improve the Design for Additive Manufacturing of metal components. Firstly, the scenario of Additive Manufacturing is depicted, describing its role in Industry 4.0 and in particular focusing on Metal Additive Manufacturing technologies and the Automotive sector applications. Secondly, the state of the art in Design for Additive Manufacturing is described, contextualizing the methodologies, and classifying guidelines, rules, and approaches. The key phases of product design and process design to achieve lightweight functional designs and reliable processes are deepened together with the Computer-Aided Technologies to support the approaches implementation. Therefore, a general Design for Additive Manufacturing workflow based on product and process optimization has been systematically defined. From the analysis of the state of the art, the use of a holistic approach has been considered fundamental and thus the use of integrated product-process design platforms has been evaluated as a key element for its development. Indeed, a computer-based methodology exploiting integrated tools and numerical simulations to drive the product and process optimization has been proposed. A validation of CAD platform-based approaches has been performed, as well as potentials offered by integrated tools have been evaluated. Concerning product optimization, systematic approaches to integrate topology optimization in the design have been proposed and validated through product optimization of an automotive case study. Concerning process optimization, the use of process simulation techniques to prevent manufacturing flaws related to the high thermal gradients of metal processes is developed, providing case studies to validate results compared to experimental data, and application to process optimization of an automotive case study. Finally, an example of the product and process design through the proposed simulation-driven integrated approach is provided to prove the method's suitability for effective redesigns of Additive Manufacturing based high-performance metal products. The results are then outlined, and further developments are discussed.