Functionalisation of spruce O-acetyl-galactoglucomannans for barrier and composite applications

The increasing use of energy, food, and materials by the growing population in the world is leading to the situation where alternative solutions from renewable carbon resources are sought after. The growing use of plastics depends on the raw-oil production while oil refining are politically governed and required for the polymer manufacturing is not sustainable in terms of carbon footprint. The amount of packaging is also increasing. Packaging is not only utilising cardboard and paper, but also plastics. The synthetic petroleum-derived plastics and inner-coatings in food packaging can be substituted with polymeric material from the renewable resources. The trees in Finnish forests constitute a huge resource, which ought to be utilised more effectively than it is today. One underutilised component of the forests is the wood-derived hemicelluloses, although Spruce Oacetyl-galactoglucomannans (GGMs) have previously shown high potential for material applications and can be recovered in large scale. Hemicelluloses are hydrophilic in their native state, which restrains the use of them for food packaging as non-dry item. To cope with this challenge, we intended to make GGMs more hydrophobic or amphiphilic by chemical grafting and consequently with the focus of using them for barrier applications. Methods of esterification with anhydrides and cationic etherification with a trimethyl ammonium moiety were established. A method of controlled synthesis to obtain the desired properties by the means of altering temperature, reaction time, the quantity of the reagent, and even the solvent for purification of the products was developed. Numerous analytical tools, such as NMR, FTIR, SEC-MALLS/RI, MALDI-TOF-MS, RP-HPLC and polyelectrolyte titration were used to evaluate the products from different perspectives and to acquire parallel proofs of their chemical structure. Modified GGMs with different degree of substitution and the correlating level of hydrophobicity was applied as coatings on cartonboard and on nanofibrillated cellulose-GGM films to exhibit barrier functionality. The water dispersibility in processing was maintained with GGM esters with low DS. The use of chemically functionalised GGM was evaluated for the use as barriers against water, oxygen and grease for the food packaging purposes. The results show undoubtedly that GGM derivatives exhibit high potential to function as a barrier material in food packaging.

3D-tulostettu tuuliturbiinin vaihteen pienoismalli

Työn aiheena on vaihteen pienoismallin suunnittelu ja toteutus 3d-tulostusta hyväksi käyttäen. Pienoismalli tehdään Moventas Gears Oy:n suunnittelemasta tuuliturbiinin vaihteesta. Vaihteen pienentämisestä johtuen malliin on suunniteltava uudet laakeripesät ja hammaspyörät. 3D-tulostuksen ja pienoismallin pienen koon ansiosta vaihdetta voidaan yksinkertaistaa suuresti ja näin vähentää tulostettavien osien määrää. Lisäksi työssä selvitetään, mitä ongelmia 3D-tulostus tuo valmistukseen ja suunnitteluun. Työn kirjallisessa osassa selvennetään planeettavaihteen toimintaa yleisesti sekä esitellään Exceed Series 3+ vaihdetta. Lisäksi kerrotaan 3D-tulostuksesta, sen periaatteesta, erilaisista tulostusmenetelmistä, tulostinlaitteesta ja mahdollisista ongelmista tulostuksessa. Kokeellinen osa koostuu pienoismallin suunnittelusta ja valmistuksesta. Valmistuksessa olleiden virheiden takia muutama osa jouduttiin tulostamaan uudelleen. Muutamia osia jouduttiin myös hieman jälkikäsittelemään tulostuksen jälkeen, jotta malli saatiin kasattua. Ongelmakohdaksi muodostui tulostimen ohjelmisto ja tulostustiedostot. Tulostusprosessi sujui kuitenkin hyvin. Lopputuloksena saatiin toimiva pienoismalli. 3D-tulostus toimii hyvin monimutkaisten kappaleiden tulostuksessa. Tulostuksen hinta nousi kuitenkin varsin korkeaksi. Tulostuslaitteistosta riippuen tulostuksen voisi mahdollisesti suorittaa myös halvemmallakin.

Näkökulmia 3D-tulostuksen opetukseen ja koulutukseen

Additive manufacturing, or 3D printing, is globally one of most interesting area in developing of manufacturing technologies. This technology is suitable for fabrication off industrial products and it interests actors in fields of computer sciences, economics, medical sciences and design&arts. Additive manufacturing is often referred as third industrial revolution: first revolution was invention of steam engines in 18th century and second was industrial revolution started by Henry Ford in 1920s. Companies should be able to test suitability of their products for additive manufacturing and 3D printing but also how much better products could be when products are totally re-designed so that all potential of this new technology can be utilized. This is where education has its importance; new generations who enter working life should be educated to know of additive manufacturing and 3D printing, its advantages but also of it limits. There has to be also possibility to educate industry and people already working there, so that industrial implementation could be done successfully. This is especially very valid for Finland. Education is strongly needed so that Finnish industry can maintain its competence in global markets. Role of education is extremely important when a new technology is industrially implemented. Additive manufacturing and 3D printing offers freedom to design new products, production and generally ways of doing things. Development, planning and execution of education for additive manufacturing and 3D printing is challenging as this area develops very fast. New innovations are coming almost every month. Planning of education for additive manufacturing and 3D printing requires collection pieces of data from various of sources. Additive manufacturing and 3D printing industry and its development has to be followed frequently, and material for additive manufacturing and 3D printing has to be renewed frequently.

Development of 3D super-resolution tomographic STED microscopy and its application to studies on bone resorption

In this doctoral thesis, a tomographic STED microscopy technique for 3D super-resolution imaging was developed and utilized to observebone remodeling processes. To improve upon existing methods, wehave used a tomographic approach using a commercially available stimulated emission depletion (STED) microscope. A certain region of interest (ROI) was observed at two oblique angles: one at a standard inverted configuration from below (bottom view) and another from the side (side view) via a micro-mirror positioned close to the ROI. The two viewing angles were reconstructed into a final tomogram. The technique, named as tomographic STED microscopy, was able to achieve an axial resolution of approximately 70 nm on microtubule structures in a fixed biological specimen. High resolution imaging of osteoclasts (OCs) that are actively resorbing bone was achieved by creating an optically transparent coating on a microscope coverglass that imitates a fractured bone surface. 2D super-resolution STED microscopy on the bone layer showed approximately 60 nm of lateral resolution on a resorption associated organelle allowing these structures to be imaged with super-resolution microscopy for the first time. The developed tomographic STED microscopy technique was further applied to study resorption mechanisms of OCs cultured on the bone coating. The technique revealed actin cytoskeleton with specific structures, comet-tails, some of which were facing upwards and some others were facing downwards. This, in our opinion, indicated that during bone resorption, an involvement of the actin cytoskeleton in vesicular exocytosis and endocytosis is present. The application of tomographic STED microscopy in bone biology demonstrated that 3D super-resolution techniques can provide new insights into biological 3D nano-structures that are beyond the diffraction-limit when the optical constraints of super-resolution imaging are carefully taken into account.

Pituusleikkureiden 3D-suunnittelun kehittäminen

Tämä diplomityö tehtiin Valmet Technologies Oy:n Järvenpään toimipisteelle. Työn tavoitteena oli tutkia miten pituusleikkureiden 3D-suunnittelua voidaan tehostaa hyödyntämällä uuden 3D-CAD -järjestelmän ominaisuuksia optimaalisesti. Työ koostuu teoriaosuudesta, haastattelututkimuksesta sekä käytännön osuudesta. Teoriaosuudessa perehdytään pituusleikkurin toimintaan ja rakenteeseen, 3D-suunnittelun teoriaan sekä CATIA-järjestelmään. Teoriaosuudessa etsitään myös uusia näkökulmia 3D-suunnitteluun. Haastattelututkimuksessa kartoitetaan nykyinen suunnitteluprosessi, suunnittelun kehitettäviä kohteita, sekä käytössä olevia suunnittelumenetelmiä, jotka ovat todettu toimiviksi. Haastattelututkimuksessa haastatellaan Valmet Technologies Oy:n Järvenpään toimipisteessä työskenteleviä pituusleikkureiden pääsuunnittelijoita sekä heidän esimiehiään. Lisäksi erillisten haastattelujen avulla kerätään kokemuksia CATIA V6 -ohjelmiston käytöstä sekä suunnitteluohjelmiston vaihtumisesta. Käytännön osuuden tavoitteena on arvioida pituusleikkurin parametroitujen mallirakenteiden siirtämiseen sekä korjauksiin kuluvia aikamääriä kyseisiin toimenpiteisiin tarvittavien resurssien määrittämiseksi. Käytännön osuudessa siirretään kaksi Valmet OptiWin Drum Compact -pituusleikkurin parametroitua osakokonaisuutta uuteen CAD-järjestelmään ja niille suoritetaan tarvittavat korjaustoimenpiteet Tutkimuksen tulosten perusteella yhteisen mallinnusmetodologian puuttuminen on merkittävin kehityskohde suunnittelun kehittämisessä. Lopuksi luotiin kehitysehdotukset sekä implementointisuunnitelma, joiden avulla pituusleikkureiden 3D-suunnittelua voidaan kehittää ja CATIA V6 -ohjelmisto voidaan ottaa käyttöön tehokkaasti.

Transmission oflight through individually formed fiber- reinforced composite post (Yksilöllisesti muotoillun kuitukomposiittinastan valonläpäisevyys)

Kuitukomposiitista valmistettuja juurikanavanastoja käytetään apuna, kun restauroidaan juurihoidettuja ja kruunuosastaan runsaasti kudosta menettäneitä hampaita. Kliinisen kestävyyden kannalta on tärkeää että nasta kiinnittyy hampaaseen hyvin. Tarvittavan valomäärän saattaminen valokovetuksella pimeään juurikanavaan on vaikeaa ja sen vuoksi nastojen kiinnittämiseen suositellaan kaksoiskovetteista yhdistelmämuovisementtiä, joka kovettuu vain osittain valolla. Jotta nasta ja sementti polymeroituisivat hyvin, nastan hyvä valonläpäisy- ja sirontakyky olisi eduksi. Tehdasvalmisteisten nastojen valonläpäisykyvyn on todettu heikkenevän niiden pituuden kasvaessa. Yksilöllisesti muotoilluilla kuitukomposiittinastoilla, joilla on osittaislomittaismuoviverkostorakenne (semi-IPN) polymeerimatriisi, on todettu tehdasvalmisteisia kuitunastoja parempi sidos nastan ja yhdistelmämuovisementin välillä. Yksilöllisesti muotoilluilla kuitunastoilla näyttäisi myös olevan hyvä valonjohtamiskyky, mutta lisätutkimuksia tarvitaan. Tässä tutkimuksessa selvitettiin yksilöllisesti muotoillun kuitukomposiittinastan (EverStick Post) ja kahden tehdasvalmisteisen (Relyx Fiber Post ja GC Fiber Post) kuitukomposiittina stan valonläpäisevyyttä sekä pituuden vaikutusta niiden valonläpäisykykyyn laboratorio- olosuhteissa. Tutkimushypoteesi oli, että nastojen valonläpäisykyky heikkenee niiden pidentyessä. Tutkimuksessa kaikista nastatyypeistä valmistettiin eripituisia nastoja (4, 8, 12 ja 16 mm). Nastoille tehtiin samanpituiset testikappaleet muoviputkesta ja polyvinyylisiloksaanista, ja nastat asetettiin niiden sisään. Tämän jälkeen nastoja kovetettiin valokovettimella 10 sekuntia, ja läpi päässyt valo mitattiin MARC Resin Calibrator -laitteella. Kontrollina käytettiin tyhjää testikappaletta ilman nastaa. Keskeiseksi tulokseksi saatiin, että yksilöllisesti muotoillulla kuitukomposiittinastalla oli kaikissa pituusryhmissä muita nastoja merkitsevästi parempi valonläpäisykyky. Tulokset osoittivat myös, että kaikkien nastojen valonläpäisevyys laski merkitsevästi nastan pituuden lisääntyessä aina 12 millimetriin asti. Tulosten perusteella yksilöllisesti muotoillulla kuitukomposiittinastalla on tehdasvalmisteista nastaa parempi valonläpäisykyky. Kuitukomposiittinastojen valonläpäisykyky heikkenee niiden pituuden kasvaessa aiempien tutkimusten mukaisesti. Jatkotutkimuksissa tulisi selvittää, miten valonläpäisevyys ja siroaminen vaikuttavat nastan ja sementin polymeroitumiseen ja siten kliiniseen lopputulokseen.

A software engineering approach to distributed systems for composite modeling

The goal of this thesis is to define and validate a software engineering approach for the development of a distributed system for the modeling of composite materials, based on the analysis of various existing software development methods. We reviewed the main features of: (1) software engineering methodologies; (2) distributed system characteristics and their effect on software development; (3) composite materials modeling activities and the requirements for the software development. Using the design science as a research methodology, the distributed system for creating models of composite materials is created and evaluated. Empirical experiments which we conducted showed good convergence of modeled and real processes. During the study, we paid attention to the matter of complexity and importance of distributed system and a deep understanding of modern software engineering methods and tools.

Näin opetan lisäävää valmistusta ja 3D-tulostusta: Pohdintoja uuden teknologian opetuksesta ja koulutuksesta

Additive manufacturing (shortened as AM), or more commonly 3D printing, consists of wide variety of different modern manufacturing technologies. AM is based on direct printing of a digital 3D model to a final product which is fabricated adding material layer by layer. This is from where term additive manufacturing has its origin. It is not only material what is added, but it is also value, properties etc. which are added. AM enables production of different and even better products compared to conventional manufacturing technologies. An estimation of potential of additive manufacturing can be gathered by considering the potential of laser cutting, which is one of the most widely used modern manufacturing technologies. This technique has been used over 40 years, and whole market around this technology is at the moment c. four billion euros and yearly growth is around 10 %. One factor affecting this success of laser cutting is that laser cutting enables radical improvements to products made of flat sheet. AM and 3D printing will do the same for three dimensional parts. Laser devices, which are at the moment used in 3D printing, are globally at the moment only around 1% of all laser devices used in any fabrication technology, so even with a cautious estimate the potential growth of at least 100 % is coming in next few years. Role of education is very important, when this kind of modern technology is industrially implemented. When both generation entering to work life and also generation who has been a while in work life understands new technology, its potential and limitations, this is the point when also product design can be rethought Potential of product design is driving force for wide use of additive manufacturing and 3D printing. Utilization of additive manufacturing and 3D printing is also opportunity for Finland and Finnish industry. This technology can save Finnish manufacturing industry. This technique has stron potential, as Finland has traditionally strong industrial know-how and good ICT knowledge.

A service perspective to digital innovation: exploring the emergence of autonomous shipping

Current research describes digital innovation largely similar to product innovation. Digital innovation is seen as an object of coherent activities, however in reality digital innovation results from convergence of variant technologies and those related actors with versatile business goals. To account for the dynamic nature of digital innovation, this study applies a service perspective to digital innovation. The purpose of the study is to understand how digital innovation emerges within a service ecosystem for autonomous shipping. The sub-objectives of this study are to 1) identify what factors motivate and demotivate actors to integrate resources for autonomous shipping, 2) explore the key technology areas to be integrated to realise the autonomous shipping concept, and 3) suggest how the technology areas are combined for mutual value creation within a service eco-system for autonomous shipping. Insights from autonomous driving were also included. This study draws on literatures on service innovation and service-dominant logic. The research was conducted as a qualitative exploratory case study. The data comprise interviews of 18 marine and automotive industry experts, 4 workshops, 4 seminars, and observations as well as various secondary data sources. The findings revealed that the key actors have versatile motivations regarding autonomous shipping. These varied from opportunities for single applications to occupying a central role in an autonomous technology platform. Thus, autonomous shipping can be seen as an umbrella concept comprising multiple levels. In technical terms, the development of the concept of autonomous shipping is largely based on combining existing technology solutions, which are gradually integrated towards more systemic entities comprising areas of the autonomous shipping concept. This study argues that a service perspective embraces the inherently complex and dynamic nature of digital innovation. This is captured in the developed research framework that describes digital innovation emerging on different levels of interaction: 1. strategic relationships for new solutions, 2. new local networks for technology platforms, and 3. global networks for new markets. The framework shows how the business models and motivations of digital innovation actors feed the emergence of digital innovation in overlapping service ecosystems that together comprise an innovation ecosystem for autonomous technologies. Digital innovation managers will benefit from seeing their businesses as part of a larger ecosystem of value co-creating actors. In orchestrating digital innovation within a service ecosystem, it is suggested that managers consider the resources, roles and institutions within the ecosystem. Finally, as autonomous shipping is at its infancy, the topic provides a number of interesting avenues for future research.

Optimal distance of the light-curing tip for light transmission through the resin composite

Hammaslääketieteessä käytetettävien komposiittien valonläpäisevyys vaihtelee. Samoin LED-valokovettimet eroavat toisistaan valotehonsa ja muotoilunsa perusteella. On yleisesti tiedossa, että valokovettimesta tulevan valon intensiteetti pinta-alayksikköä kohden heikkenee, kun kovettimen etäisyys kasvaa. Toisaalta ei ole tiedossa, miten valokovetettavan kohteen ja valokovettimen kärjen väliin sijoitettu materiaali tarkalleenottaen vaikuttaa valon intensiteettiin eri etäisyyksiä käytettäessä. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää, miten valokovetettavan kohteen ja valokovettimen kärjen väliin asetettava etukäteen polymerisoitu materiaali vaikuttaa valon intensiteettiin eri etäisyyksillä. Tutkimus suoritettiin käyttämällä kahta eri valokovetinta. Jotta etäisyyden vaikutusta valotustehoon voitiin demonstroida, vaihdettiin kovettimen etäisyyttä sensorista 0,2,4,6,8,10mm välillä. Valotehot rekisteröitiin MARC resin calibrator -laitteella. Sensorin ja valokovettimen kärjen väliin asetettavat erilaiset komposiittilevyt olivat valmiiksi kovetettuja,1mm paksuisia, filleripitoisuuksiltaan neljää erilaista muovia. Valotehot rekisteröitiin jokaiselta etäisyydeltä komposiitin ollessa sensorin päällä. Rinnakkaisesti verrattiin myös etäisyyden vaikutusta valotehoon ilman esikovetettua materiaalia kovettimen kärjen ja valoa mittaavan sensorin välissä. Vertailun suorittamiseksi laskettiin intensiteettisuhdeluku muovillisen ja muovittoman arvon välillä aina tietyllä etäisyydellä Valokovettimen kärjen etäisyyden kasvattaminen sensorista (eli valokovetettavasta kohteesta) odotusten mukaisesti pienensi valotehoa. Laittamalla sensorin ja kovettimen väliin komposiittilevy, valoteho pieneni odotetusti vielä enemmän. Tutkittaessa intensiteettisuhdetta (valoteho muovin kanssa : valoteho ilman muovia) kuitenkin huomattiin, että 4-6mm:n kohdalla suhdeluku oli suurempi kuin 0,2,8 ja 10mm kohdalla. Johtopäätöksenä oli, että suurin mahdollinen valokovetusteho saavutetan laittamalla kovetuskärki mahdollisimman lähelle kohdetta. Jos valokovetettavan kohteen ja valokovettimen kärjen välissä oli kiinteä komposiittipalanen, suurin mahdollinen valokovetusteho kohteeseen saavutetaan edelleen laittamalla kovetuskärki kiinni muoviin. Jos etäisyyttä muovin pinnasta sen sijaan kasvatettiin, valokovetusteho ei laskenutkaan niin nopeasti kuin oli odotettu. Tämä voi liittyä siihen, että tehokkaan valokeilan halkaisijan koko on suurempi verrattuna komposiitin sekä sensorin halkaisian kokoon. Toiseksi on arvioitu, että resiinikomposiitin täyteaineet voisivat fokusoida läpi kulkevaa valoa sensoriin. Se, pitääkö tämä ilmiö paikkansa, vaatii kuitenkin enemmän tutkimusta

Exploring knowledge worker motivation in autonomous and interdependent problem solving tasks on virtual platforms

The objective of this study is to understand why virtual knowledge workers conduct autonomous tasks and interdependent problem solving tasks on virtual platforms. The study is qualitative case study including three case organizations that tap the knowledge of expert networks, and utilize virtual platforms in the work processes. Research data includes 15 interviews, that is, five experts from each case company. According to the findings there are some specific characteristics in motivation to work on tasks on online platforms. Autonomy, self-improvement, meaningful tasks, knowledge sharing, time management, variety of contacts, and variety of tasks, and projects motivate virtual knowledge workers. Factors that may enhance individuals’ engagement to work on tasks are trust, security of continuous task flow and income, feedback, meaningful tasks and tasks that contribute to self-improvement, flexibility and effectiveness in time management, and virtual tools that support social interaction. The results also indicate that there are some differences in individuals’ motivation based on the tasks’ nature. That is, knowledge sharing and variety of contacts motivated experts who worked on interdependent problem solving tasks. Then again, autonomy and variety of tasks motivated experts who worked on autonomous tasks.