Hitsaustuotannon kehittäminen pk-konepajassa

Kustannusten pienentäminen hitsauksessa on loputon tie. Pääosa hitsauksen kustannuksista muodostuu hitsaukseen käytetystä ajasta. Tämä diplomityö on tarkoitettu avustamaan yrityksiä mekanisoinnin ja robotisoinnin käyttöönotossa sekä mekanisointilaitteiden ja hitsausrobottien investoinneissa ja niiden kannattavuuden arvioimisessa. Tämä diplomityö on jatkoa alueella aikaisemmin tehdyille selvityksille, joiden perusteella havaittiin Savonlinnan seudun yritysverkoston hitsaavilla pk-konepajoilla olevan kehitystarpeita tuotannossaan ja toiminnassaan. Tässä diplomityössä tarkastellaan ensin teoriatasolla hitsaustuotannon tehostamista eri keinoin, joista tarkemmin tarkastellaan hitsauksen mekanisointia ja robotisointia. Lisäksi selvitetään kolmella yritys-case-esimerkillä hitsausajan vähentämisen vaikutusta kustannuksiin. Samalla esitetään sopivia laitteistoinvestointeja, joilla hitsausajan vähentäminen on mahdollista, sekä tarkastellaan näiden investointien kannattavuutta sekä syntyviä säästöjä.

Tasolohkolinjan läpäisyaikojen tarkastelu ja kehittäminen Lean management periaatteita soveltaen

Diplomityön tavoitteena oli Aker Yardsin Turun telakan tasolohkolinjan läpäisyajan parantaminen. Työssä selvitettiin lohkotehtaan nykyinen läpimenoaika ja pyrittiin parantamaan sitä Lean management periaatteita soveltaen. Työssä suoritettiin perusteellinen työntutkimus yhdessä työnjohdon kanssa, jossa selvitettiin eri työvaiheiden läpimenoajat ja työtunnit. Tuloksista löydettiin kolme selvää kehityskohdetta, joilla saadaan nykyistä läpimenoaikaa ja alihankintakustannuksia pienemmäksi. Nämä kehityskohteet olivat jäykkääjien asennuksen ja hitsauksen parantaminen, myynnin jälkeisten töiden minimointi sekä nostotukien asennuksen tehostaminen. Lisäksi tutkimustyön ohella havaittiin neljäs kehityskohde, osavalmistuksen ajoittaminen oikeaan aikaan. Tämä ei tullut ilmi tutkimustuloksista vaan ihmisiä haastattelemalla. Kehityskohtien tunnistamisen perusteella luotiin investointiehdotus jäykkääjien toiminnan tehostamiseen, sekä uusia toimintatapoja myynnin jälkeisten töiden minimoimiseksi ja nostotukien asennuksen tehostamiseksi. Osavalmistuksen ajoittamisella oikeaan aikaan, pyritään tehostamaan toimintaa lohkonkoontipaikalla.

Hitsaustuotannon tehostaminen robotisoinnin avulla

Tuotannon tehostaminen ja tätä kautta saavutettava lisäkapasiteetti ja yksikkökustannusten aleneminen ovat seikkoja, joita täytyy jatkuvasti miettiä, jotta yrityksen kilpailukyky markkinoilla pysyy hyvänä ja liiketoiminta kannattavana. Keinoja tuotannon tehostamiseen on useita, mutta tässä työssä on keskitytty hitsaavan yrityksen hitsaustuotannon kehittämiseen ja keinoina on käytetty lähinnä hitsauksen ja leikkauksen robotisointia. Myös tehokkaampien hitsausprosessien hyödyntämistä on käsitelty teoreettisella tasolla. Työn teoriaosuudessa on pyritty käsittelemään robotisointia kokonaisvaltaisesti hankintapäätökseen vaikuttavista tekijöistä aina robotin käyttöönottoon ja robotin toiminnan tehostamiseen asti. Robotisoinnilla saavutettavia hyötyjä ja robotisoinnin aiheuttamia vaatimuksia on käyty läpi, ja myös robotisoinnin taloudellisen kannattavuuden arviointikeinoja on esitelty. Työn käytännön osuudessa on käsitelty robotisointia GaV Group Oy:n tuotannon kannalta. Tuotteiden robotisoitua hitsattavuutta on arvioitu, ja robotisoituun hitsaukseen sekä tekniseltä että vuosivolyymiltään sopivia tuotteita on esitelty ja robotille kertyviä vuosittaisia käyttötunteja arvioitu. Näiden seikkojen pohjalta on arvioitu myös robotti-investoinnin kannattavuutta. Työn viimeisenä vaiheena on määritetty yrityksen tarpeisiin parhaiten sopivan robottisolun sisältö ja konkreettinen sijainti tehtaassa.

Koordinaattimittauksen kehittäminen metsäkonetuotannossa

Tämän diplomityön tarkoituksena oli koordinaattimittauksen kehittäminen ja systematisointi metsäkoneen valmistuksessa. Työssä tutkittiin kannettavalla nivelvarsimittalaitteella tehtävää koordinaattimittausta tehtaan omille tuotteille, valmistuksen apuvälineille ja toimittajilta tuleville osille. Tavoitteena oli mittaustoiminnan kokonaisvaltainen kehittäminen ja vastauksia haettiin seuraaviin tutkimuskysymyksiin: Mitä kohteita tulee mitata? Missä tuotantovaiheessa mittausta tarvitaan? Kuinka mittaustuloksia tulee käsitellä ja hyödyntää? Kuinka paljon mittaustoiminta vaatii resursseja ja kuinka hyvin käytössä oleva koordinaattimittauslaite soveltuu yrityksen tuotantoon? Lisäksi pohdittiin koordinaattimittauksen merkitystä yritykselle ja etsittiin kehityskohteita mittaustoiminnasta? Tutkimusaineistona käytettiin vuosien 2007 – 2008 aikana saatuja koordinaattimittauskokemuksia ja mittaustuloksia. Lisäksi tutkittiin yrityksen sisäisiä poikkeamaraportteja ja tutustuttiin koordinaattimittauslaitteen ja mittausohjelman toimintaan sekä yrityksen tuotantoon. Tutkimuksessa tultiin siihen tulokseen, että koordinaattimittauksen ensisijainen tavoite tulee olla valmistusprosessin kehittäminen ja mittauslaitetta tulee käyttää tehokkaasti hyväksi uusien tuotteiden valmistuksen alkuvaiheessa.

Runkopalkkien valmistuksen kehittäminen

Diplomityössä kehitetään runkopalkkien valmistusta Juhani Haavisto Oy:ssä. Palkkien valmistusta käsitellään hitsauksen ja koneistuksen osalta. Työn alussa perehdytään hitsauksen mekanisointiin, hitsattavuuteen, lastuttavuuteen sekä hitsaus- ja koneistuskiinnittimiin teorian osalta. Tämän jälkeen esitellään valmistettava tuote. Kokeellisessa osassa esitetään runkopalkkien valmistusvaiheet ennen ja jälkeen kehityksen. Esille tulevat niin hitsauksen kuin koneistuksenkin valmistusvaiheet. Tutkimuksessa selvisi, että uudet hitsaus- ja koneistuskiinnittimet pienentävät työaikoja mm. mahdollistamalla laajemman mekanisoidun hitsauksen ja pienentämällä kappaleen kääntöihin ja vaihtoon kuluvaa aikaa. Lopuksi pohditaan mahdollisia jatkokehityssuunnitelmia, jotka koskevat uuden hitsauskuljettimen ja uusien lisäaineiden käyttöä.

Error Modeling and Accuracy Analysis of a Novel Mobile Hybrid Parallel Robot

Over the last decades, calibration techniques have been widely used to improve the accuracy of robots and machine tools since they only involve software modification instead of changing the design and manufacture of the hardware. Traditionally, there are four steps are required for a calibration, i.e. error modeling, measurement, parameter identification and compensation. The objective of this thesis is to propose a method for the kinematics analysis and error modeling of a newly developed hybrid redundant robot IWR (Intersector Welding Robot), which possesses ten degrees of freedom (DOF) where 6-DOF in parallel and additional 4-DOF in serial. In this article, the problem of kinematics modeling and error modeling of the proposed IWR robot are discussed. Based on the vector arithmetic method, the kinematics model and the sensitivity model of the end-effector subject to the structure parameters is derived and analyzed. The relations between the pose (position and orientation) accuracy and manufacturing tolerances, actuation errors, and connection errors are formulated. Computer simulation is performed to examine the validity and effectiveness of the proposed method.

Robottihitsauksen kokonaisvaltainen tehostaminen

Diplomityö on osa KaskiTec 2010 projektia. Työn tavoitteena oli tehostaa Lametal Oy:n hitsausrobotin käyttöä. Tehostamisella pyrittiin robotin käyttöasteen ja tuottavuuden kohottamiseen ja sitä kautta parantamaan investoinnin kannattavuutta. Työ on jaettu teoriaosaan ja soveltavaan osaan. Teoriaosassa käsitellään yleisesti robottihitsausta ja hitsauksen tuottavuutta. Lähdeaineistona on käytetty alan kirjallisuutta. Soveltavassa osassa käsitellään työn käytännön osuutta yrityksessä. Työn alkuvaiheessa kartoitettiin yrityksen lähtötilanne, selvitettiin pahimmat ongelmakohdat ja etsittiin ongelmiin parannuskeinoja. Tutkimusmenetelminä yrityksessä käytettiin havainnointia, henkilöhaastatteluita sekä tilastollisia ja laskennallisia menetelmiä. Seurattavaksi valittiin tuottavuuden tunnuslukuja, joiden perusteella voitiin arvioida tehostamistoimenpiteiden vaikutuksia. Yrityksessä kartoitettujen ongelmien perusteella ryhdyttiin nostamaan robotin käyttöastetta, kehittämään tuotannonohjausta, robotin materiaalivirtoja ja layoutia. Käyttöastetta nostettiin viemällä robotille uusia hitsattavia tuotteita. Työssä selvitettiin yrityksessä jo olemassa oleva tuotannonohjausjärjestelmän soveltuvuus hitsausrobotin ohjaukseen. Materiaalivirtojen sujuvuutta ja layoutia kehitettiin yhdessä muiden KaskiTec- projektin osapuolten kanssa.

Piensarjatuotannon hitsauksen robotisointi

Diplomityön tarkoituksena on selvittää hitsauksen robotisointimahdollisuudet vakiintuneelle piensarjatuotteelle. Tarkastelun kohteeksi valittiin maanpäällisen porausyksikön runkopari, joka rakentuu ylä- ja alarungosta. Hitsaus on nykytilanteessa käsinhitsausta ja tuotetta tehdään noin 300 kpl / vuosi. Hitsauksen robotisoinnilla halutaan aikaansaada kustannussäästöä hitsauksen osalta ja tuotantokapasiteetin nousua. Työn teoriaosa voidaan jakaa neljään osaan: hitsaustekniikka, robottihitsattava tuote, robotisoituhitsaus ja investointilaskelmat. Hitsaustekniikassa lähdetään liikkeelle hitsauksen kannalta oleellisimmista perusasioista, jolloin lukijalle syntyy laajempi kokonaiskuva asiasta. Hitsauksen robotisointia suunniteltaessa korostuu tuotteen hitsattavuus. Hyvin suunniteltu tuote mahdollistaa robotisoidun hitsauksen ja luo edellytykset laadukkaalle, taloudelliselle ja tuottavalle hitsaukselle. Robotisoidun hitsauksen osassa rakennetaan kokonaisuus, jolloin lopputuloksena on tehokas robottijärjestelmä. Samalla käsitellään sekä varsinaista hitsausteknistä toteutusta että robottijärjestelmän komponentteja. Investointilaskelmien avulla varmistetaan robottijärjestelmän ja koko tuotantoketjun kannattavuus. Käytännön osuudessa selvitetään robotisoidun hitsauksen mahdollisuudet valitulle tuotteelle ja robotisoinnin aikaansaamat kustannussäästöt. Tuotteen ylärungosta valitaan etuosa tarkempaa CASE tyylistä tarkastelua varten. CASE:ssa käydään läpi etuosan valmistettavuus ja selvitetään robotisoinnista aikaansaamat säästöt. Investointilaskelmien avulla selvitetään käytännön osuudessa robotisoidun hitsauksen kannattavuus tietyille robottijärjestelmille.

Hitsatun kerrossihtilevyrakenteen soveltuvuus sellutehtaan laitteiden suodatinpinnaksi

Tässä diplomityössä tutkittiin hitsaamalla valmistettavan kerrossihtilevyn soveltuvuutta eri sellutehtaan laitteisiin mekaanisen kuormituskokeen, korroosiokokeen ja syrjäytyskokeiden avulla. Tutkimusympäristönä käytettiin puukuitupesuria, sillä kerrossihtilevyrakenteen todennäköisimpiä käyttökohteita ovat erilaiset massan pesuun tarkoitetut laitteet. Mekaanisen kuormituksen kokeessa tarkasteltiin kerrossihtilevyn staattista ja dynaamista kuormituksen kestoa painevaihteluiden avulla pesurin koelokerossa ja verrattiin sitä porattuun reikälevyyn. Kokeessa käytetyn kerrossihtilevyversion todettiin olevan huomattavasti porattua saman paksuista reikälevyä heikompi dynaamisen kuormituksen alaisena. Syrjäytyskokeilla määritettiin syrjäytysnopeus erilaisilla reiänhalkaisijoilla ja –jaoilla sekä tutkittiin väriaineen avulla sokeiden tukikannasten vaikutusta syrjäytyspesun homogeenisuuteen levyn pinnassa. Syrjäytysnopeuden todettiin heikentyvän vapaan reikäpinta-alan pienentyessä. Väriaineellisissa kokeissa ei havaittu tukikannasten merkittävästi alentavan syrjäytysnopeutta. Korroosiokokeilla tutkittiin ja vertailtiin laser- ja vastuspistehitsien korroosionkestokykyä kloridipitoisissa olosuhteissa lämpötilan säätelyn mahdollistavan olosuhdekaapin avulla. Laserhitsauksessa parametrien ei havaittu vaikuttavan merkittävästi hitsin herkistymislämpötilaan. Vastuspistehitsaamalla on mahdollista saavuttaa laserhitsien korroosionkesto.

Leimuhitsauksen kokonaisvaltainen laadunhallinta päättymättömässä valssauksessa

Leimuhitsauksen laadunhallinnassa tärkeää on prosessimainen toiminta ja toimintojen kokonaisvaltaisuuden hahmottaminen. Leimuhitsauksen ollessa osana päättymätöntä valssausta hitsauksen laadunhallinta voidaan jakaa kolmeen päävaiheeseen: ennen hitsausta, hitsauksen aikana ja hitsauksen jälkeen vaikuttaviin laaduntuottotekijöihin. Leimuhitsauksen laaduntuottotekijöiden määritys ja jaottelu kaavioiksi on toteutettu tässä työssä. Leimuhitsin tekniseen laatuun vaikuttavat monet ilmiöt ja parametrit hitsauksen aikana. Tärkeimpiä hitsausparametreista ovat hitsausjännite, alustan liikenopeus, tyssäysmatka sekä leimutusaika. Väärät hitsausolosuhteet tai hitsausparametrit aiheuttavat erilaisia mekaanisia ja metallurgisia vikoja leimuhitsiin. Eräs metallurginen vikatyyppi ovat oksidisulkeumat hitsialueella. Nämä hapettuneet alueet voivat johtaa juurensa erilaisista syistä ja esimerkiksi leimutusajan ja epätasaisen liitospinnan yhteyttä sulkeumien syntyyn on epäilty. Pidennetyillä leimutusajoilla tehtyjen hitsauskokeiden ja hitsien rikkovien aineenkoetuskokeiden tuloksena todettiin tässä tutkittujen koehitsien oksidisulkeumien syntyvän hapettumalla leimutuksen aikana tai juuri hetkellä ennen tyssäystä, minkä lisäksi kosteat olosuhteet hitsausatmosfäärin ympärillä heikentävät lopputuloksen laatua. Leimutusajalla on tärkein osa leimutettavia pintoja tasaavana tekijänä ja mitä epätasaisempi liitettävä pinta on, sitä pidemmän leimutusajan se tarvitsee.

Moottoripyörän rungon muuntelun valvontakriteerit muutoskatsastuksessa

Muutoskatsastusta koskeva lainsäädäntö aiheuttaa tulkintavaikeuksia ja rajoitteita moottoripyöräharrastajille ja alan toimijoille. Nykyinen asetus edellyttää tarvittaessa asiantuntijaselvitystä rakennemuutoksen lujuudesta ja hitsaustyöstä. Moottoripyörän geometria on laissa rajattu akselivälin ja emäputken kulman osalta. Moottoripyörien runkoja valmistetaan hitsaamalla seostamattomista teräksistä ja lämpökäsiteltävistä alumiini- ja terässeoksista. Runkojen muuntelu suoritetaan myös yleisesti hitsaamalla. Turvallisuuden kannalta tärkeiltä hitsausliitoksilta vaaditaan hyvää laatua, joka saavutetaan oikeilla hitsausparametreilla ja -suorituksella. Vaatimukset seostamattomalle teräkselle voidaan täyttää pätevöityneen hitsaajan toimesta. Lämpökäsiteltävät seokset vaativat lisäksi jälkilämpökäsittelyn, mikä edelleen vaikeuttaa runkojen hitsausta. Hitsien laadun merkitystä moottoripyörän rungossa tutkittiin soveltamalla rajoitetun vahingon periaatetta. Vauriotapauksena mallinnettiin satunnaisen rungon hitsausliitoksen murtuminen. Eri kuormitustilanteissa elementtimenetelmää hyödyntäen todettiin chopper-tyyppisten moottoripyörien runkojen olevan osittain vauriosietoisia ja havaittiin kriittiset hitsausliitokset emä- ja vaakaputken alueilla. Moottoripyörien runkojen kriittisiä hitsausliitoksia tarkasteltiin väsymisen kannalta. Soveltamalla tehollista lovijännitystä, vertailtiin emäputken hitsausliitosten väsymiskestävyyttä oletetulla kuormituksella. Tulosten perusteella muunneltu moottoripyörän runko voi olla alkuperäisrunkoa kestävämpi tai heikompi. Moottoripyörän akseliväli tai emäputken kulma eivät määrää kestävyyttä, vaan rakenteen yksityiskohtainen suunnittelu. Kriittisten liitosten väsymiskestävyyksissä havaittiin merkittäviä eroja eri mallien välillä.

Design and manufacture of a microdistillation column

Aim of this thesis was to design and manufacture a microdistillation column. The literature review part of this thesis covers stainless steels, material processing and basics about engineering design and distillation. The main focus, however, is on the experimental part. Experimental part is divided into five distinct sections: First part is where the device is introduced and separated into three parts. Secondly the device is designed part by part. It consists mostly of detail problem solving, since the first drawings had already been drawn and the critical dimensions decided. Third part is the manufacture, which was not fully completed since the final assembly was left out of this thesis. Fourth part is the test welding for the device, and its analysis. Finally some ideas for further studies are presented. The main goal of this thesis was accomplished. The device only lacks some final assembly but otherwise it is complete. One thing that became clear during the process was how difficult it is to produce small and precise steel parts with conventional manufacturing methods. Internal stresses within steel plates and thermal distortions can easily ruin small steel structures. Designing appropriate welding jigs is an important task for even simple devices. Laser material processing is a promising tool for this kind of steel processing because of the flexibility, good cutting quality and also precise and low heat input when welding. Next step in this project is the final assembly and the actual distillation tests. The tests will be carried out at Helsinki University of Technology.

Laserhitsausparametrien vaikutus ruostumattomien terästen hitsin mikrorakenteeseen

Työn teoriaosassa käsitellään ruostumattomia teräksiä ja terästen metallurgiaan vaikuttavia tekijöitä yleisesti, sekä terästen hitsattavuutta. Hitsauksesta teoriassa käydään läpi laser- ja kaasukaarihitsausta ja hitsin metallurgiaan vaikuttavia tekijöitä. Kokeellisessa osassa paneudutaan kahdeksan eri ruostumattoman teräksen hitsien metallurgiaan ja metallurgiassa tapahtuviin muutoksiin hitsausparametrien mukaan. Koemateriaaleina on neljä austeniittista ruostumatonta terästä, 201, 301LN, 316L ja 254 SMO, kaksi austeniittis-ferriittistä ruostumatonta terästä, 2101 LDX ja 2205, sekä kaksi ferriittistä ruostumatonta terästä, 430 ja 1.4003. Hitsien mikrorakenteen tutkimisessa käytettiin sekä valomikroskooppia sekä joissain tapauksissa pyyhkäisyelektronimikroskooppia. Lisäksi työn kokeellisessa osassa paneuduttiin hitsien metallografisiin syövytystekniikoihin. Kokeiden perusteella voidaan sanoa, että hitsin metallurgia riippuu hitsauksen aikaisesta lämpösyklistä ja hitsausparametreilla voidaan vaikuttaa tämän lämpösyklin muotoon. Austeniittis-ferriittisillä teräksillä hitsauksen aikaisesta lämpösyklistä riippuu pitkälti hitsin austeniitti-ferriitti-suhde. Ferriittisillä teräksillä lämpösyklin muoto vaikuttaa hitsiin muodostuvan martensiitin kovuuteen ja määrään sekä rakenteen hienojakoisuuteen. Austeniittisilla teräksillä lämpösyklinmuodon vaikutus riippuu pitkälti teräksen seostusasteesta ja seosaineista. Austeniittisilla teräksillä kokeissa havaittuja muutoksia, parametrien muutosten mukaan oli muun muassa suotautumisen voimakkuuden

Hitsaustuotannon kehittäminen ja valmistusystävällinen suunnittelu

Työssä tarkastellaan hitsauksen tuotekehityksen suunnittelun toteuttamista ja hitsauksen kehittämistä konepajalla. Yritykset tietävät omat valmistustekniset ongelmansa, mutta kehittämisen aloittaminen on monesti hankalaa tai sitä ei edes aloiteta. Pienimmillä yrityksillä ei usein ole mahdollisuuksia eikä osaamista uusien tuotantomenetelmien ja tuotteiden kehittämiseen. Työssä annetaan neuvoja miten alentaa kehittämistyön aloituskynnystä ja auttaa suunnittelutehtävän jäsentelyssä. Tuotteen suunnittelu on vaativa tehtävä, koska siinä lyödään lukkoon tuotteen toimivuus ja suurin osa kustannuksista. Suunnittelijoiden on tiedettävä eri valmistusmenetelmistä ja valmistusystävällisestä suunnittelusta, jotta he voisivat huomioida valmistettavuus- ja kokoonpanonäkökohdat. Hyvässä hitsatussa tuotteessa on mahdollisimman vähän hitsiä, käytetty modulointia ja standardointia sekä käytetty hitsausta korvaavia menetelmiä. Työssä on esitelty valmistusystävälliseen suunnitteluun kehitelty "Design For Welding" -malli, jossa käydään läpi hitsatun rakenteen erityispiirteet suunnittelun kannalta. Valmistusystävällisen suunnittelun tarkoituksena on vähentää tilauskohtaista suunnittelua, hitsausta, hitsauksen jälkeistä käsittelyä ja koneistusta.