A monolithic glass chip for active single-cell sorting based on mechanical phenotyping

The mechanical properties of biological cells have long been considered as inherent markers of biological function and disease. However, the screening and active sorting of heterogeneous populations based on serial single-cell mechanical measurements has not been demonstrated. Here we present a novel monolithic glass chip for combined fluorescence detection and mechanical phenotyping using an optical stretcher. A new design and manufacturing process, involving the bonding of two asymmetrically etched glass plates, combines exact optical fiber alignment, low laser damage threshold and high imaging quality with the possibility of several microfluidic inlet and outlet channels. We show the utility of such a custombuilt optical stretcher glass chip by measuring and sorting single cells in a heterogeneous population based on their different mechanical properties and verify sorting accuracy by simultaneous fluorescence detection. This offers new possibilities of exact characterization and sorting of small populations based on rheological properties for biological and biomedical applications.

Muotin suunnittelu- ja valmistusprossin parantaminen solumuoviteollisuudessa

Diplomityö tehtiin Pohjoismainen Solumuovi Oy:lle. Tutkimusongelmaksi määriteltiin hyvin selkeästi tiedon puute muottien suunnittelusta sekä valmistuksesta. Työn tavoite oli parantaa solumuovituotteiden valmistuksessa käytettävien muottien laatua. Työn rajaus asettuu uusien muottien suunnittelu- ja valmistusprosessin parantamiseen. Työssä käsiteltiin tämän prosessin lisäksi mm. mallisuunnittelua, sekä koneen ja prosessien ominaisuuksia niiden muoteille asettamien vaatimusten pohjalta. Muottien ominaisuuksien oikeaoppinen suunnittelu on erittäin tärkeässä roolissa tulevien tuotantokustannusten muodostumisessa. Oikeaoppisella suunnittelulla tarkoitetaan työssä muottien eri osa-alueiden toisiinsa kytkeytymisen ymmärtämistä, niin muotin toimivuuden, lopputuotteen laadun sekä muotin tehokkuuden kannalta. Muottien ominaisuudet määräävät ideaalitilanteessa pitkälti koneiden sykliaikoja käytettävän raaka-aineen ja kappaleen dimensioiden lisäksi. Tämän vuoksi tilanteessa, jossa itse kone toimii moitteettomasti vakuumin, materiaalinsyötön, jäähdytyksen ja höyrytyksen osalta, saadaan muotin oikeaoppisella suunnittelulla lyhennettyä sykliaikoja ja vähennettyä virhekappaleiden määrää. Solumuovimuotin suunnitteluperiaatteita on lähes yhtä monta kuin suunnittelijoita. Mitään yksittäistä periaatetta ei voida suoraan tuomita vääränä, koska näillä muoteilla pystytään valmistamaan laadun kriteerit täyttäviä tuotteita. Useimmat suunnitteluperiaatteet pohjautuvat kuitenkin vain tietyn osa-alueen hallintaan, jonka jälkeen loput osa-alueet suunnitellaan tämän ehdoilla. Työssä saatujen tulosten pohjalta voidaan sanoa, että muotin tuottavuus on erityisesti kiinni kokonaisuudesta, ei yksittäisestä osa-alueesta.

Liikkuvien työkoneiden valmistettavuuden kehittäminen teollisessa liiketoimintaverkostossa

Diplomityön tavoitteena oli kehittää Pilomac – konsernin päähankkijayrityksien tuotteiden valmistettavuutta yhteistyössä yrityksien suunnitteluosastojen ja teräsrakenteita valmistavien toimittajayrityksien kanssa. Päähankkija-yritysten, Junttan Oy:n ja Logset Oy:n, osavalmistusten ulkoistamisen myötä toimittajasuhteet ovat vähitellen muuttumassa verkostomaiseen toimintatapaan. Täten on tärkeää muuttaa ja kehittää tuotteiden valmistettavuuden mahdollistavat toimintamallit vastaamaan uutta toimintatapaa. Keskeinen perusmenetelmä valmistettavuuden huomioimisessa on suunnittelun ja valmistuksen välisen tuotekehitysyhteistyön syventäminen rinnakkaissuunnitteluksi, (CE). Verkostokumppaneiden välinen yhteistyö perustuu avoimuuteen, luottamukseen ja molempia osapuolia hyödyttävään jatkuvaan kehitystyöhön. Verkostomainen toimintatapa mahdollistaa luontevasti tuotteen suunnittelu- ja kehitysvastuiden jaottelun yritysten ydinosaamisen mukaan. Onnistuneen työnjaon myötä resurssit lisääntyvät ja valmistusteknologiat, suunnittelu ja laatu kehittyvät ja monipuolistuvat. Työn aihetta tutkittiin soveltavassa osassa benchmarkingin, nykytilakuvauksien sekä toimittajaverkoston analysoinnin avulla. Toimittajaverkoston analysointi tehtiin laajan verkostokumppanikyselyn avulla, josta selvisi Junttan Oy:n toimittajaverkoston resurssit ja kyvykkyys. Kyselyssä selvitettiin myös nykyisten toimittajien näkemyksiä valmistettavuuden kehittämisestä, kumppaneille asetettavista yhteistyövaatimuksista sekä näiden toimintamallien vaikutuksista tuotteiden kilpailukyvyn parantumiseen. Työn tuloksena selvisivät osa-alueet, joita Junttan Oy:n kannattaa hyödyntää tulevaisuudessa enemmän sekä toimintamallit, jotka mahdollistavat tuotteiden valmistettavuuden jatkuvan kehittämisen.

Pyörivien sähkökoneiden kotelointia koskevat standardit ja aksiaalivuokoneen jäähdytyksen kehittäminen

Tämä diplomityö on osa Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja Visedo Oy:n yhteistyöprojektia. Työssä selvitetään pyörivien sähkökoneiden kotelointeja koskevia standardeja ja niiden vaikutukset koneiden suunnittelulle ja valmistukselle. Lisäksi työssä käsitellään aksiaalivuokoneen jäähdytykseen liittyviä ongelmia, kehitetään koneen nykyisiä jäähdytysratkaisuja ja ideoidaan käytettävissä olevia uusia jäähdytysmenetelmiä. Kehitysideoiden rajoitteena toimii koneelta vaadittu kotelointiluokka IP 64 – IP 68 sekä koneelle määritetty kestomagnetoitu aksiaalivuorakenne. Sähkökoneiden kotelointeja koskevien standardien asettamien vaatimusten määrittäminen tapahtui suurilta osin kirjallisuusselvityksenä. Standardien vaikutukset koneiden suunnittelulle ja valmistettavuudelle on selvitetty standardien kotelointien rakenteelle asettamien vaatimusten perusteella. Aksiaalivuokoneen jäähdytysongelmien selvittäminen, käytössä olevien jääh-dytysratkaisujen kehittäminen ja uusien menetelmien ideointi suoritettiin projektiluontoisesti yhdessä eri alojen asiantuntijoista koostuvan jäähdytystyöryhmän kanssa. Työn tuloksena laadittiin Visedo Oy:lle standardikäsikirja, jonka avulla Visedon sähkökoneiden tuoteperheeseen kuuluvien koneiden suunnitteluvaiheessa voidaan varmistaa koneiden standardienmukaisuus. Käsikirjassa on myös esitetty huomioita eri kotelointiluokkien asettamista vaatimuksista koneiden valmistukselle. Aksiaalivuokoneiden jäähdytykseen liittyen tavoitteena oli ratkaista aksiaalivuokoneisiin liittyviä jäähdytysongelmia. Työn tuloksena saa-tiin selville aksiaalivuokoneissa jäähdytyksen kehittämistä vaativat kohteet, laadittiin nykyisten jäähdytysratkaisujen parannusehdotuksia ja kehitettiin täysin uusia jäähdytysmenetelmiä.

Sähkögeneraattorin runkokappaleen valmistustekninen tarkastelu

Työssä tarkastellaan sähkögeneraattorin runkokappaleen valmistettavuutta. Työ on tehty eräälle yritykselle, joka jätetään mainitsematta. Työhön liittyvät valmistuskuvat ovat salaisia ja niiden yleinen esittely ei ole mahdollista. Yritys kehittää uutta sähkögeneraattorituoteperhettä ja generaattorin runkokappale halutaan mahdollisimman helpoksi ja kustannustehokkaaksi valmistaa. Sähkögeneraattoreita on tarkoitus valmistaa vuositasolla kymmeniä tai jopa pari sataa kappaletta. Mahdolliset valmistusmenetelmät on rajattu ennen työn aloittamista MAG-hitsaukseen ja valamiseen, niiden ollessa todennäköisimmät valmistusmenetelmät. MAG-hitsauksessa huomioidaan prosessin tehostamiskeinot ja robotisoidun hitsauksen mahdollisuus. Valaminen rajattiin hiekkavaluun, joka on kertamuottimenetelmä ja soveltuu yksittäiskappaletuotannosta aina sarjatuotantoon. Materiaaliksi hitsaukseen valittiin rakenneteräs S355 ja valettaviksi materiaalivaihtoehdoiksi pallografiittivaluraudat EN-GJS-400-15U ja EN-GJS-500. Teoriaosuudessa on esitelty teettäjän pyytämä valmistusmenetelmien perusteoria ja sen jälkeen on tarkemmin tarkasteltu hitsattavan ja valettavan runkokappaleen muotoiluun liittyvää teoriaa. Hitsattavan kappaleen robotisoituun hitsaukseen liittyy myös vahvasti kappaleenkäsittely ja hitsauskiinnittimet, jotka välillisesti vaikuttavat myös kappaleen muotoiluun. Tätä työtä kirjoitettaessa generaattori on suunnitteluvaiheessa. Runkokappale on suunniteltu valmistettavaksi levyosista hitsaamalla. Tämä kehitysversio analysoidaan Design for manufacturing and assembly -menetelmän keinoin, ja runkokappaleelle esitetään rakennemuutosehdotuksia, jotka parantavat kappaleen valmistettavuutta. Runkokappaleen valmistaminen valamalla vaatii tuotteen muodon valuteknisen tarkastelun. Lopuksi hitsausta ja valamista verrataan toisiinsa ja arvioidaan niiden ominaisuuksia keskenään. Työssä ei päädytä lopulliseen valmistusmenetelmän valintaan, koska ei ole tiedossa käytössä olevia laitteistoja. Laitteistot määräävät käytetyt rakenneratkaisut ja valmistusmenetelmät.

Laatu ja tuottavuus hitsaavassa verkostossa

Diplomityössä tarkastellaan laadun ja tuottavuuden parantamisen keinoja hitsaavassa verkostossa MIG/MAG-hitsauksen osalta. Työn taustalla vaikuttaa Total Welding Management -menetelmä, mikä on hitsaustoimintojen kokonaisvaltaiseen johtamiseen ja hallintaan kehitetty toimintamalli. Työn teoriaosassa käsitellään laatuajattelua ja yritysyhteistyötä hitsaavan teollisuuden yrityskentässä sekä hitsauskustannuksiin vaikuttavia tekijöitä. Tutkimusosuus sisältää yritysverkoston nykytilan tarkastelun sekä kehitystoimenpiteitä kohti verkoston yhteistä toimintamallia saavuttaa tehokas ja kannattava yhteistyö. Hitsaustyön kustannukset määritetään suurelta osin suunnittelussa. Laatuun voidaan vaikuttaa merkittävästi hitsaustyötä edeltävissä toiminnoissa sekä hitsaajan työn tukemisella. Kokonaisvaltaisen hyödyn saavuttaminen hitsaustyön tuottavuuden parantamisessa vaatii kaikkien toimintojen tarkastelua sen sijaan, että tehostetaan vain hitsaamon toimintaa. Itse hitsaus voi olla vain pieni osa hitsaustoimintojen kokonaishallintaa. Toimintamallin luominen laadunvarmistukseen, suunnittelun ja valmistuksen yhteistyöhön sekä hitsaustoimintojen hallintaan mahdollistaa hitsaavan verkoston toiminnan tehostamisen sekä laadun paranemisen. Tämä saavutetaan viemällä toimintamalli osaksi jokapäiväistä työtä, lähelle valmistusta, ja ohjeistamalla, että jokainen tietää kuinka toimia. Esimerkiksi työssä tarkastellun yhden tuotteen osalta ohjeistus turhan työn vähentämiseksi tuotti 19 % tuotannon kasvun työvuoron aikana. Tilaus-toimitusketjun tuottavuuteen ja kannattavuuteen voidaan vaikuttaa merkittävästi käymällä läpi konkreettisesti valmistettavat tuotteet ja niihin liittyvät toiminnot. Diplomityössä tehtyjen tarkastelujen ja havaintojen avulla käytännön työ tulee jatkumaan yritysverkostossa tapahtuvassa kehitystyössä.

Sähkögeneraattoriosien hitsauksen tuottavuuden kehittäminen

Hitsauksen tuottavuuteen vaikuttavat hitsausmäärä, käytetyt prosessit ja laatu. Työn teoriaosuudessa tutustutaan hitsauksen tuottavuuteen sekä suunnittelullisesta että valmistuksellisesta näkökulmasta. Hitsauksen laadulliset asiat, kuten laatustandardit ja vaatimukset käydään läpi keskittyen standardin SFS-EN ISO 3834 kattaviin laatuvaatimuksiin. Rikkomaton ja rikkova aineenkoetus ja yleisimmät hitsausvirheet esitetään yleisellä tasolla. Hitsausprosesseista esitetään MIG/MAG- ja MAG-täytelankahitsauksen sekä pulssihitsauksen perusteet. Tässä diplomityössä tutkitaan pulssihitsauksen soveltuvuutta sähkögeneraattorin staattoripaketin eripariliitoksen hitsaukseen ja kykyä parantaa sekä tuottavuutta että laatua. Tutkimus perustuu koehitsauksiin ja niiden perusteella tehtyihin johtopäätöksiin. Lisäksi pohditaan sisätuulettimien hitsauksen kehittämistä ja annetaan kehitysehdotus valmistusprosessista. Koehitsauksien perusteella pulssihitsaus on hyvä prosessiparannus staattoripakettien hitsaukseen. Kohdistettu valokaari ja alhaisempi lämmöntuonti verrattuna perinteiseen MAG-hitsaukseen sekä hitsauksen yksinkertaisuus tuovat etuja eripariliitoksen hitsauksen laatuun. Kustannuslaskelmien myötä hitsausprosessin muutoksen odotetaan tuovan kustannussäästöjä. Hitsauslaadun parantuessa ja jälkityöstön määrän vähentyessä hitsausprosessin muutos on kannattava.

Energy Efficiency Consideration in Electric Vehicle Transmission

This study is a survey of benefits and drawbacks of embedding a variable gearbox instead of a single reduction gear in electric vehicle powertrain from efficiency point of view. Losses due to a pair of spur gears meshing with involute teeth are modeled on the base of Coulomb’s law and fluid mechanics. The model for a variable gearbox is fulfilled and further employed in a complete vehicle simulation. Simulation model run for a single reduction gear then the results are taken as benchmark for other types of commonly used transmissions. Comparing power consumption, which is obtained from simulation model, shows that the extra load imposed by variable transmission components will shade the benefits of efficient operation of electric motor. The other accomplishment of this study is a combination of modified formulas that led to a new methodology for power loss prediction in gear meshing which is compatible with modern design and manufacturing technology.

Lean, Six Sigma ja Total Welding Management hitsaavassa verkostossa

Diplomityössä tarkastellaan hitsaavan verkoston laadunhallintaa ja siinä ilmeneviä erilaisia ongelmakohtia. Tämän lisäksi työssä tarkastellaan kolmen eri laatutyökalun Lean, Six Sigma ja Total Welding Management soveltamista hitsaavan verkoston laadunhallinnassa. Teoriaosassa käsitellään sekä yleisesti että hitsauksen osalta laatua ja laadunhallintaa, sekä edellä mainittuja laatutyökaluja. Tutkimusosaan tietoja hitsaavista verkostoista kerättiin kaikkiaan kolmesta eri verkostosta. Näiden kerättyjen tietojen pohjalta tarkasteltiin valittujen laatutyökalujen soveltuvuutta verkostomaiseen käyttöön. Verkostoitunut toiminta aiheuttaa monia uusia haasteita yritysten laadunhallinnalle verrattuna yksittäisiin hitsaaviin yrityksiin. Suurimpia tutkimuksessa havaittuja ongelmakohtia ovat suunnittelun ja valmistuksen yhteistyön erilaiset puutteet, laatutasoon ja sen varmistukseen liittyvät asiat, sekä verkoston sisälle syntyvä niin sanottu hiljainen tieto ja sen häviäminen. Tutkimuksen tarkastelujen perusteella havaittiin, että kaikkien tutkimukseen valitun kolmen laatutyökalun soveltaminen myös verkostomaisessa toiminnassa on mahdollista, mutta se vaatii huomattavasti suurempaa työpanosta kuin soveltaminen yksittäisessä yrityksessä. Myös näiden kaikkien kolmen työkalun yhtä aikainen käyttö on mahdollista. Juuri oikean työkalun valitseminen kullekin hitsaavalle verkostolle vaatii tarkkaa perehtymistä verkostoon ja sen tilanteeseen.

Energianmuuntimen valmistettavuuden kehittäminen

Diplomityön tavoitteena oli selvittää energianmuuntimen kaupallistamiseksi kannattavin valmistuskonsepti. Työssä esitettiin energianmuuntimelle kaksi mahdollista valmistuskonseptia; hitsattu rakenne ja tuotteen rungon valaminen. Tuotteen uuden rakenteen suunnittelu suoritettiin DFMA -projektin etenemisjärjestyksen mukaisesti. Uuden rakenteen suunnittelun tuloksena DFMA -projektille asetetut tavoitteet saavutettiin. Työssä valittiin rungon valamiseen soveltuvat valumenetelmät, joita ovat hiekkavalu, Lost Foam ja Replicast CS. Kappaleen valettavuudelle suoritettiin analyysi, jonka perusteella ennen diplomityön aloittamista suunniteltu valurunko ei ole valmistettavissa työssä esitettynä konstruktiona. Johtopäätöksenä rungon valamisesta todettiin, että valurunko on suunniteltava uudestaan huomioimalla diplomityössä esitetyt toimenpiteet valmistettavuuden parantamiseksi. Mikäli tuotekehitysprosessia ei jatketa valurungon sunnittelun osalta, valitaan hitsattu rakenne energianmuuntimen valmistuskonseptiksi.

Harvesterin sahalaipan jatkotutkimus ja tuotteistaminen

Tämän diplomityön tavoitteena oli saavuttaa Joensuun CNC-Machining Oy:n aloittama harvesterinlaipan kehitystyö loppuun. Kehitystyön oli aloittanut vuonna 2012 Teemu Tuominen omalla opinnäytetyöllään, joka keskittyi suunnittelua ja valmistusta rajoittavien patenttien selvittämiseen sekä laipan valmistuksessa käytettyjen materiaalien selvittämiseen. Kirjallisuuskatsauksen ja puutuvien tietojen hankinnan jälkeen tarkasteluun otettiin aiemmin valmistettu prototyyppi sekä rikkoutuneita käytetyjä laippoja. Näistä laipoista tehtiin havaintoja esille nousevista ongelmakohdista, joiden perusteella tässä työssä suunnitelmaa päivitettiin ja asetettiin vaatimukset uudelle prototyypille. Kokonaisrakenteen suunnittelun jälkeen keskityttiin viimeistelemään osatoiminnallisuuksien yksityiskohdat. Suunnittelun tulosten perusteella valmistettiin laipasta prototyyppisarja, joista kahdella suoritettiin todellista käyttöä vastaava koeajo. Koeajon aikana ja jälkeen laippojen käyttäytymisestä ja suorituskyvystä tehtiin havaintoja. Valmistuksesta ja koeajosta saaduilla tiedoilla laippamallia kehitetään kohti markkinakelpoista tuotetta ja tuoteperhettä kasvatetaan eri mallisilla laipoilla.

Tuotesuunnittelu direktiiviperustaisesti

Onnistuneen tuotekehitysprojektin läpivieminen vaatii huolellisen alkusuunnittelun ennen varsinaista tuotteen kehityksen aloitusta. Projektin läpiviemiseksi esitetään usein malleja joissa tuotekehitysprojektissa edetään yksi vaihe kerrallaan ja siirrytään seuraavaan vasta, kun edellinen on valmis. Tämän perinteisen mallin rinnalle on tullut DFMA-suunnittelu, jossa murretaan kommunikaatiomuuri suunnittelun ja valmistuksen väliltä ja useita vaiheita tehdään samanaikaisesta. Näin saadaan valmistus- ja kokoonpanoystävällisiä tuotteita, joilla tuotteesta saatava kate voidaan maksimoida samalla kun tuotteen laatua saadaan parannettua. Teknisen kehityksen lisäksi on tuotekehitysprosessissa erottamattomana osana direktiivien asettamien vaatimusten huomioon ottaminen. Jo lähes kaikissa tuotteissa on oltava CE-merkintä. CE-merkinnällä tuotteen valmistaja ottaa täyden vastuun siitä, että tuote täyttää sitä koskevien direktiivien asettamat vaatimukset vaatimustenmukaisuudesta. Direktiivien asettamat vaatimukset on hyvä tiedostaa jo tuotteen suunnittelun alkuvaiheista lähtien, jotta nämä osataan ottaa heti huomioon ja jälkikäteen tehtäviltä muutoksilta vältytään. Teknisten ratkaisujen lisäksi tuotteen dokumentoinnilla on suuri rooli vaatimustenmukaisuuden täyttämisessä. Tuotteesta tulee koota tekninen tiedosto, joka sisältää kaikki tarpeelliset dokumentit, joilla tuotteen vaatimustenmukaisuus voidaan todeta. Teknisen tiedoston vaatimukset on hyvä tiedostaa jo suunnittelun alusta lähtien, jotta tarvittavat dokumentit osataan kerätä projektin aikana tekniseen tiedostoon. Tässä työssä kehitettiin peltier-jäähdytin, jollaiselle asiakkailta saadun palautteen perusteella oli markkinoilla tarve. Jäähdyttimen suunnittelussa käytettiin DFMA:n keinoja yksinkertaistamaan kokoonpanoa. Jäähdyttimelle tehtiin vaatimustenmukaisuustarkastelu, missä tarkasteltiin peltier-jäähdytintä koskevien direktiivien asettamia vaatimuksia ja mitä asioita näiden vaatimusten täyttämiseksi tuli huomioida.

Robotiikkatuoteperheen kehittäminen

Robottiikkatuoteperheeseen kuuluu robottihitsausportaalit, joiden päärunko rakentuu kote-lopalkeista. Koteloprofiilien käyttö on suosittua teollisuuden eri aloilla ja se soveltuu hyvin raskaaseen konepajateollisuuteen. Hitsausrobottiportaalin suunnitteluun liittyy monia eri vaiheita ja valituilla teknisillä ratkaisuilla voidaan vaikuttaa valmistettavan tuotteen hitsin laatuun ja työn onnistumiseen. Hitsausrobottiportaalit ovat usein asiakasräätälöityjä ratkaisuja, jolloin suunnittelutyö sekä valmistusvaihe vaativat runsaasti kapasiteettia. Modulaarisuuden avulla suunnittelu- ja valmistusvaiheita on mahdollista nopeuttaa sekä parantaa tuotteen testausta, huollettavuutta ja laatua. Tässä diplomityössä tutkittiin, miten hitsausrobottiportaalin vaakapuomi käyttäytyy ja taipuu erilaisissa kuormitustilanteissa. Lisäksi työssä määritettiin alkuperäisen koteloprofiilin tilalle uusi optimoitu koteloprofiili sekä tarkasteltiin moduloinnin mahdollistamista robo-tiikkatuoteperheen portaalisovelluksiin.

Contribución a la selección de cadenas de procesos de fabricación

During the design phase, it creates and transforms ideas into products. It needs to know the manufacturing aspects for ensuring success and calculating the product cost while developing of designs. However, the choice one or another way of manufacturing, it will get slightly different results to the proposed design. The design teams require knowing some manufacturing alternatives for evaluate. This thesis has been proposed a select manufacturing process chain tool. The system modeled the design and manufacturing process data by select attributes and the process relationship. Moreover, the system uses “transformation concept” that represents the capability of each manufacturing process to modify a determinate design attribute. Finally, the system is developed as algorithm and build as part of a CAD platform.