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.

Contact with friction using the augmented Lagrangian Method: a conditional constrained minimization problem

This work presents a formulation of the contact with friction between elastic bodies. This is a non linear problem due to unilateral constraints (inter-penetration of bodies) and friction. The solution of this problem can be found using optimization concepts, modelling the problem as a constrained minimization problem. The Finite Element Method is used to construct approximation spaces. The minimization problem has the total potential energy of the elastic bodies as the objective function, the non-inter-penetration conditions are represented by inequality constraints, and equality constraints are used to deal with the friction. Due to the presence of two friction conditions (stick and slip), specific equality constraints are present or not according to the current condition. Since the Coulomb friction condition depends on the normal and tangential contact stresses related to the constraints of the problem, it is devised a conditional dependent constrained minimization problem. An Augmented Lagrangian Method for constrained minimization is employed to solve this problem. This method, when applied to a contact problem, presents Lagrange Multipliers which have the physical meaning of contact forces. This fact allows to check the friction condition at each iteration. These concepts make possible to devise a computational scheme which lead to good numerical results.

Inverse convection problem of simultaneous estimation of two boundary heat fluxes in parallel plate channels

This paper deals with the use of the conjugate gradient method of function estimation for the simultaneous identification of two unknown boundary heat fluxes in parallel plate channels. The fluid flow is assumed to be laminar and hydrodynamically developed. Temperature measurements taken inside the channel are used in the inverse analysis. The accuracy of the present solution approach is examined by using simulated measurements containing random errors, for strict cases involving functional forms with discontinuities and sharp-corners for the unknown functions. Three different types of inverse problems are addressed in the paper, involving the estimation of: (i) Spatially dependent heat fluxes; (ii) Time-dependent heat fluxes; and (iii) Time and spatially dependent heat fluxes.

Analysis of Regular and Irregular Dynamics of a Non Ideal Gear Rattling Problem

This paper presents a study on the dynamics of the rattling problem in gearboxes under non-ideal excitation. The subject has being analyzed by a number of authors such as Karagiannis and Pfeiffer (1991), for the ideal excitation case. An interesting model of the same problem by Moon (1992) has been recently used by Souza and Caldas (1999) to detect chaotic behavior. We consider two spur gears with different diameters and gaps between the teeth. Suppose the motion of one gear to be given while the motion of the other is governed by its dynamics. In the ideal case, the driving wheel is supposed to undergo a sinusoidal motion with given constant amplitude and frequency. In this paper, we consider the motion to be a function of the system response and a limited energy source is adopted. Thus an extra degree of freedom is introduced in the problem. The equations of motion are obtained via a Lagrangian approach with some assumed characteristic torque curves. Next, extensive numerical integration is used to detect some interesting geometrical aspects of regular and irregular motions of the system response.

Adaptation of TRIZ Method for Problem Solving in Process Engineering

TRIZ is one of the well-known tools, based on analytical methods for creative problem solving. This thesis suggests adapted version of contradiction matrix, a powerful tool of TRIZ and few principles based on concept of original TRIZ. It is believed that the proposed version would aid in problem solving, especially those encountered in chemical process industries with unit operations. In addition, this thesis would help fresh process engineers to recognize importance of various available methods for creative problem solving and learn TRIZ method of creative problem solving. This thesis work mainly provides idea on how to modify TRIZ based method according to ones requirements to fit in particular niche area and solve problems efficiently in creative way. Here in this case, the contradiction matrix developed is based on review of common problems encountered in chemical process industry, particularly in unit operations and resolutions are based on approaches used in past to handle those issues.

Toimituskyvyn kehittäminen prosessin materiaalipuutteita hallitsemalla

Toimituskyky on yrityksen suorituskykyä kuvaava tekijä, jolla on merkittävä vaikutus asiakastyytyväisyyteen, erityisesti valmistusteollisuudessa. Toimituskyky muodostuu materiaalin saatavuudesta ja logistisen järjestelmän toimitusvarmuudesta, joten hyvä toimituskyky edellyttää materiaalipuutteiden hallintaa. Tämän diplomityön tavoitteena on esittää, miten toimituskykyä voidaan kehittää tilaus-toimitusprosessin materiaalipuutteita hallitsemalla. Tutkimus toteutettiin konstruktiivisella tutkimusotteella case-tutkimuksena havainnoimalla toimintaa case-yrityksessä sekä analysoimalla case-yrityksen kirjallista materiaalia ja arkistoja. Yrityksessä havaittuja materiaalipuutteisiin liittyviä ongelmia tarkasteltiin tilaus-toimitusprosessin näkökulmasta prosessijohtamisen ja systemaattisen ongelmanratkaisun teorioiden avulla. Tutkimuksen tuloksena laadittiin kolme käytännönläheistä ratkaisuehdotusta havaittuihin ongelmiin; (1) materiaalipuutteiden syy-seuraussuhteita kuvaavat ongelma-syy-seurausketjut, (2) materiaalipuutteiden ongelmanratkaisumalli systemaattisen ongelmanratkaisun tueksi sekä (3) visuaalinen tilaus-toimitusprosessimalli, joka painottaa osaprosessien yhteyttä koko prosessin toimituskykyyn ja toimitusvarmuuteen. Tulosten mukaan materiaalipuutteet tulisi käsittää prosessin laatuvirheinä, jotka antavat arvokasta tietoa siitä, että prosessissa on laatuongelmia. Tulosten perusteella yrityksen toimituskykyä voidaan kehittää havainnoimalla tilaus-toimitusprosessin laatuvirheitä, selvittämällä laatuvirheiden syy-seuraussuhteet systemaattisesti ongelmanratkaisumallia hyödyntäen sekä toimimalla prosessiajattelun mukaisesti tilaus-toimitusprosessin toimituskyvyn jatkuvaa parantamista tavoitellen. Tutkimusongelman tarkastelutapaa ja työn tuloksia voidaan soveltaa samankaltaisiin tapauksiin, joissa tilaus-toimitusprosessin laatuvirheet, esimerkiksi materiaalipuutteet, paljastavat kehittämistä vaativia epäkohtia prosessin toimintatavoissa. Tilaus-toimitusprosessin toimituskykyä voidaan kehittää vain, jos panostetaan ajan hallintaan ja kykyyn toimia asiakaslupausten ja sopimusten mukaisesti.

Some reformulations for the quadratic assignment problem

Kombinatorisk optimering handlar om att hitta en bra eller rent av den bästa möjliga lösningen från ett känt antal lösningar eller kombinationer. Ofta är antalet lösningar så enormt att en genomgång av alla olika lösningar inte är möjlig. En av huvudorsakerna till att det forskas inom kombinatorisk optimering är att liknande frågeställningar eller problem uppkommer inom så många olika områden. Påståendet stämmer speciellt bra för kvadratiska tilldelningsproblem(eng. Quadratic Assignment Problem). Sådana problem uppstår då man försöker beskriva en stor mängd tillämpade frågeställningar. Vilken gate skall väljas för flygen på större flygplatser för att minimera den totala väg människorna behöver gå och bagaget förflyttas? Var skall olika avdelningar på en fabrik placeras för att minimera materialförflyttningar mellan avdelningarna? Hur ser ett optimalt tangentbord ut för olika språk? Var skall komponenterna placeras på ett kretskort? De här är alla frågor som kan besvaras genom att lösa kvadratiska tilldelningsproblem. Kvadratiska tilldelningsproblem är dock mycket svåra att lösa. Det beror på att problemet i den standardform det matematiskt formuleras i huvudsak består av produkter av binära variabler. I denna avhandling har problemet omformulerats till en linjär diskret form som innehåller färre variabler. Med omformuleringen har bland annat flera tidigare olösta kvadratiska tilldelningsproblem kunnat lösas till globalt optimum, den bästa möjliga lösningen, för första gången någonsin.

Tiedon jakaminen virtuaalisissa IT-projekteissa

Sekä projektimainen että virtuaalinen työskentely ovat arkipäivää IT-alalla. Arkipäivää ovat myös uutiset epäonnistuneista tietojärjestelmäprojekteis-ta. Tehokas tiedon jakaminen on projektien menestystekijä. Tutkielmassa etsittiin vastausta kysymykseen: mitkä ovat tiedon jakamisen esteitä ja edistäjiä virtuaalisissa tietojärjestelmäprojekteissa. Tutkimusstrategia oli vertaileva tapaustutkimus. Aineisto kerättiin teema-haastatteluilla. Haastatteluun osallistui kymmenen henkilöä neljästä eri projektista. Henkilöt olivat eri organisaatioista ja edustivat niin asiakkaan, toimittajan kuin alihankkijoidenkin näkemyksiä. Eniten projekteissa jaet-tiin projektinhallintaan liittyvää tietoa, mutta ihmisten johtamiseen liittyvää tietoa ja liiketoimintahyötyihin liittyvää tietoa jaettiin vähän. Haastattelujen perusteella merkittävimmät tiedon jakamiseen vaikuttavat tekijät ovat yh-teisen käsitteistön ja yhteisen ymmärryksen puute, luottamus, tietotekni-set välineet sekä projektipäällikön toiminta. Yhteenvetona todetaan, että virtuaalisuus ei projekteissa aiheuttanut ongelmia, mutta se korosti muista syistä syntyneitä ongelmia. Virtuaalipro-jekteissa on erityistä huomiota kiinnitettävä projektin alkuvaiheessa ta-pahtuvaan tutustumiseen.

Mannen som objekt och problem : Heikki Waris och betydelsen av kön i vetenskaplig socialpolitik, ca 1930-1970

I avhandlingen analyseras betydelsen av kön i den vetenskapliga socialpolitiken vid 1900-talets mitt, i synnerhet med fokus på Heikki Waris (1901–1989) produktion. Waris var Finlands första professor i socialpolitik, som efter andra världskriget etablerades som ett akademiskt ämne vid de finländska universiteten, och Waris blev känd som en av tidens främsta auktoriteter på den finländska socialpolitiken. Vid en tid då välfärdsstaten etablerades och samhället genomgick en snabb moderniseringsprocess, fokuserade den socialpolitiska forskningen på problem och frågor som främst ansågs beröra den manliga delen av befolkningen, såsom alkoholkonsumtion och relationer inom det industriella arbetet. Detta trots att de nordiska staterna senare skulle bli kända som så kallade kvinnovänliga välfärdsstater, där frågor om kvinnors position och jämställdhet beaktades. I avhandlingen belyses hur de texter Waris skrev, samt den forskning som han initierade, skapade ideal baserade på sundhet, ekonomiskt ansvarstagande, aktivitet och medvetenhet samt hur dessa ideal var kopplade till män och manlighet. Förutom att visa hur ideal konstruerades, studeras även de olika formerna och funktionerna av kön i den socialpolitiska litteraturen. Behandlades kön endast som demografisk kategori eller fanns det ett djupare intresse för mäns och kvinnors positioner och roller? Vilka förhållanden ville Waris och de andra socialpolitikerna belysa med att lyfta fram frågor om kön i sina texter? Waris var även en auktoritet på den snabba moderniseringsprocess som Finland hade genomgått sedan industrialiseringen vid 1800-talets slut. I avhandlingen argumenteras för att män och kvinnor på varierande sätt blev symboler för samhällelig förändring. ------------------------ Väitöskirjassa tutkitaan sukupuolen merkitystä sosiaalipolitiikan tutkimuksessa 1900-luvun puolivälissä. Lähtökohtana on Heikki Wariksen (1901–1989) tieteellinen tuotanto. Waris toimi Suomen ensimmäisenä sosiaalipolitiikan professorina ja kehitti sosiaalipolitiikkaa akateemisena aiheena Suomessa toisen maailmansodan jälkeen. Waris tunnettiin yhtenä aikansa merkittävimpänä suomalaisen sosiaalipolitiikan asiantuntijana. Hyvinvointivaltion rakentumisaikana sosiaalipolitiikan tutkimus keskittyi miehiin liittyviin ongelmiin ja kysymyksiin, kuten alkoholin kulutukseen. Väitöskirjassa osoitetaan miten Wariksen teksteissä, ja Wariksen ohjaamissa väitöskirjoissa rakennettiin terveellisyydelle, elättäjyydelle, aktiivisuudelle sekä tietoisuudelle pohjautuva ihanne, joka oli kytketty miehiin ja miehuuteen. Lisäksi tutkitaan sukupuolen muotoja ja funktioita sosiaalipoliittisessa kirjallisuudessa. Oliko sukupuoli pelkkä väestöllinen kategoria vai osoittivatko sosiaalipolitiikan tutkijat syvällisempää mielenkiintoa miesten ja naisten asemaa sekä rooleja kohtaan? Mitkä asiat huomioitiin sukupuolen avulla? Waris oli myös industrialismin aiheuttaman yhteiskuntamuutoksen asiantuntija. Väitöskirjassa osoitetaan miten miehiä ja naisia käsiteltiin eri tavalla muutoksen symboleina.

Matrix Mind : on managerial reframing in multidimensional problem solving

Det är inte ovanligt att man i organisationer ställs inför problem som inte kan hanteras inom befintlig organisationsstruktur. Skälen kan vara att frågorna har många – ibland konflikterande – dimensioner och perspektiv som samtidigt måste beaktas. I den här avhandlingen studeras vilka tankemönster och föreställningar som fanns när grupper av chefer försökte lösa komplexa problem, som inte hade en naturlig organisatorisk hemvist och hur de omsatte dessa tankemönster i handling. Vad kännetecknade det ledarskap som utövades under problemlösningsprocessen? Avhandlingens empiri hämtas från ledarutvecklingsprogram i två internationellt verksamma företag i Sverige, och omfattar 14 verkliga affärsproblem i dessa företag och den process varigenom de löstes. De 14 seminarierna utgör exempel på hur mångdimensionella frågeställningar framgångsrikt hanteras utanför den befintliga organisationsstrukturen. Studien ger, genom att adressera frågor kring tankesätt och ledningsprocesser, en djupare förståelse för förutsättningarna för detta, och lyfter särskilt fram betydelsen av ett ledarskap som inbegriper begreppen intervention, förmåga och omtolkning. Som ett samlat begrepp introduceras bilden att utöva ledarskapet utifrån ett matrix mind. Att påverka strukturer (i vid mening) och därigenom de förmågor som utvecklas, är del i detta ledarskap. Det sker genom interventioner (ingrepp som påverkar relationer i t ex en grupp) och baserades i den aktuella empirin på uppfattningar om värdet av problematisering, erfarenhetsutbyte och av ett språk, som både beskriver och anger inriktning för aktiviteter. Interventioner i strukturer (och till dem knutna processer) beskriver dock bara delvis detta ledarskap. Att leda med ett matrix mind innefattar också ett nyfiket och kreativt förhållningssätt, och att utifrån detta leda omtolkning av problem. I empirin finns flera exempel på detta. Avhandlingen avser att ge ett bidrag inom såväl organisations- som ledarskapsteori.

Situationsfaktorer i sexuellt utnyttjande av barn inverkar på psykosexuella problem : en metaanalys

Pro graduavhanlingens svenska sammanfattning