Kulutusteräksen CO2-laserleikkaus

Kandidaatintyö jakaantuu kirjalliseen ja kokeelliseen osaan. Kirjallisessa katsauksessa käsitellään teoriaa erityisesti laserleikkausprosesseja, resonaattorivaihtoehtoja, laserleikkausparametreja, laserleikkauksen etuja ja haittoja sekä kulutusteräksiä. Työn kokeellisessa osassa käsitellään kulutusteräksen Raex 500 laserleikkausta neljälle eri pinnanlaadulle ainevahvuuden ollessa 12 mm.

Design of adjustable packaging line

Diplomityön tavoite oli tutkia, mitä toimintoja ja tekniikoita uusi, joustava kartonkipakkauslinja sisältää ja mitkä suuntaukset pakkausteollisuudessa tulevat olemaan tärkeitä tulevaisuudessa. Pakkauslinjan päätoimintoja tarkasteltiin nykyisten jatulevaisuuden tekniikoiden pohjalta. Erityisesti tarkasteltiin laser-sovellusten käytön mahdollisuutta pakkauslinjan eri osatoiminnoissa. Katsaus pakkausteollisuuden tulevaisuuden näkymiin luotiin kirjallisuuden ja aikaisempien tutkimusten pohjalta, minkä perusteella työssä oletetaan, että yksilölliset ja monitoimipakkaukset tulevat lisääntymään tulevaisuudessa. Eri tuotantoerien välillä olevat asetusajat tulee saada minimoitua, mutta millä keinoin joustavuus on saavutettavissa? Yksi ratkaisu pakkausten valmistamisessa on käyttää robottisolua, mikä on mahdollista luultavasti ainakin kuppimuotoisten pakkausten kohdalla. Muutenkin robotiikka on lisääntymässä pakkausteollisuudessa. Digitaalisten painotekniikoiden kehitys on mahdollistanut yksilölliset painatukset. Tulevaisuudessa painatus on mahdollista tehdä pakkauslinjan loppupäässä, jopa vasta täytön ja suljennan jälkeen. Laserleikkaus on jo nyt käytössä, mutta tulevaisuudessa myös saumaus ja perinteinen nuuttaus on mahdollista tehdä lasersovelluksia käyttäen. Kehittynyt, väyläpohjainen ohjausjärjestelmä on tulevaisuudessa välttämätön joustavassa pakkauslinjassa. Internetin välityksellä toimiva etäohjattu virheenkorjausdiagnostiikka tulee myös olemaan itsestäänselvyys tulevaisuudessa. Kustannussäästöjä voidaan saavuttaa käyttämälläpakkauslinjassa modulaarista rakennetta. Standardiosien ja standardiosajärjestelmien käyttäminen pienentää myös käyttö- ja huoltokustannuksia. Tärkeää on kuitenkin muistaa, ettei joustavuutta voida saavuttaa pelkästään yhtä ominaisuutta tai tekniikkaa hyödyntäen vaan monia menetelmiä yhdistäen. Suunniteltavan pakkauslinjan toiminta on myös hyvä varmistaa käyttäen apuna mallinnusta ja simulointia.

CO2-laserin soveltaminen WFU-paperin reunan leikkaamiseen

Tämän diplomityön tarkoitus oli selvittää CO2-laserin soveltuvuutta paperin reunan leikkaamiseen ennen liimapuristinta nopealle modernilleWFU-paperikoneelle. Merkittävimmät leikkauskokeet tehtiin leikkaamalla paperirataa todenmukaisissa olosuhteissa koekoneella. Koeleikkauksissa tutkittiin myös päällystettyjen paperilajien CO2-laserleikkausta. Paperin reunan koeleikkauksia suoritettiin leikkauspöytää vasten sekä telaa vasten. Leikkauspöytänä käytettiin korkeapainevesileikkaimelle suunniteltua leikkauspöytää, jota paranneltiin tämän työn yhteydessä paremmin laserleikkaukselle sopivaksi. Telaa vasten suoritetuilla leikkauksilla lasertehon tarve oli suurempi verrattuna pöytää vasten leikkaukseen samalla leikkausnopeudella ja samalla paperilajilla. Laserlaitteiston mitoittaminen oikein pelkkien arkkileikkauskokeiden perusteella ei ollut mahdollista. Myös rullilla tapahtuvia leikkauskokeita tarvittiin. Pöytää vasten tapahtuvaan leikkaamiseen tarvitaan 1000 W laserlaite paperin molemmille reunoille. Tämän tehoiset laserlaitteet riittävät kaikille Changshun PK 1:n paperilajeille niiden lajikohtaiseen maksimiajonopeuteen. Testatuista kolmesta polttovälistä antoi 5" polttoväli parhaat leikkaustulokset. Polttopisteen paikka voi vaihdella ± 0.75 mm paperin pinnasta vaikuttamatta silti merkittävästi lasertehon tarpeeseen. Laserleikatun paperin reuna oli hyvälaatuinen, eikä laserleikkaus aiheuttanut paperille epätoivottuja asioita kuten mustumista.

Paperin ja kartongin laserleikkauksen teknistaloudellinen kannattavuus

Diplomityö on tehty kuitumateriaalien laserleikkauksen tutkimusprojektissa ILAC/PAPER. Päätavoitteena on selvittää laserleikkauksen kustannukset ja arvioida kahden laserleikkaussovelluksen taloudellista kannattavuutta. Teoriaosassa tavoitteena on etsiä teknologiainvestoinneista piirteitä, jotka tulee ottaa huomioon hanketta suunnitellessa. Työssä esitellään myös menetelmä teknologiainvestointien arviointiin. Työssä on kolme aihepiiriä; teknologiainvestointien arviointi, laserleikkauksen perusteet ja kuitumateriaalien laserleikkauskustannuksia käsittelevä empiriaosa. Teoriaosan lähdemateriaalina on käytetty toimintolaskentaa ja teknologiainvestointeja käsiteleviä julkaisuja. Empiriaosa on koottu teollisuuden tiedonannoista, tutkimusmateriaalista ja myyntitarjouksista. Teknologiainvestointien perusteleminen on vaikeaa perinteisillä investointilaskennan menetelmillä vähäisistä suorista kustannussäästöistä johtuen. Sopiva menetelmä arvioikin hankkeet laajempina kokonaisuuksina. Laserlaitteistojen vuosittaiset kustannukset ovat suuret. Luotettavuus, huoltovapaus ja joustavuus ovat hyötyjä, jotka tekevät laserlaitteistosta kannattavan. Hankintahinta ja tuottavuus ratkaisevat investoinnin kannattavuuden.

Kuluttajapakkauskartonkien laserleikattavuuden karakterisointi

Tämän diplomityön tarkoituksena oli karakterisoida kuluttajapakkauskartonkien laserleikattavuutta. Kirjallisuusosassa perehdyttiin asiaa käsittelevään kirjallisuuteen ja tutkimuksiin ja kokeellisessa osassa käsiteltiin kuitumateriaalien laserleikkausta erilaisin leikkausparametrein. Leikattujen näytteiden leikkausrailosta otetuista mikroskooppikuvista määritettiin leikkausrailon uraleveys, purseen ja mustumisen määrä. Työssä tutkitut materiaalit olivat koivu- ja mäntysellu, CTMP, päällystämätön ja päällystetty sellukartonki sekä päällystämätön CTMP-runkoinen nestepakkauskartonki. Työssä havaittiin, että tutkitut kuitumateriaalit soveltuivat erinomaisesti laserleikkaukseen. Leikattujen kuitumateriaalinäytteiden leikkausrailo oli hyvälaatuinen eli leikkausrailo oli kapea, täydellisesti näytteen lävitse, tasainen reunoiltaan, väriltään vaalea ( ei hiiltynyt ) ja ei sisältänyt railon reunassa pystyssä olevia katkenneita kuituja ( pursetta ). Työssä todettiin myös, että kuitumateriaaleja laserleikatessa leikkausnopeus ja laserteho riippuivat lineaarisesti toisistaan. Leikkausnopeuden kasvaessa tarvittiin enemmän lasertehoa hyvälaatuisen leikkausrailon saavuttamiseksi. Tällöin leikkausuran leveys pysyi lähes vakiona. Lisäksi huomattiin, että optimisijainti polttopisteelle olisi 0.1-0.4 mm materiaalin pinnan yläpuolella, vaikka kirjallisuudesta löydettiin suosituksia sijoittaa polttopiste materiaalin pinnan alapuolelle. Näillä polttopisteen sijainnin arvoilla saavutettiin suurimmat leikkausnopeudet ja kapeimmat urat.

Päällystyksen vaikutus paperin ja kartongin laserleikattavuuteen

Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää päällystyksen vaikutusta paperin ja kartongin laserleikattavuuteen. Aiheeseen liittyi myös laserparametrien vaikutuksen selvittäminen leikattaessa päällystettyjä paperi- ja kartonkilaatuja. Päällystepigmentteinä käytettiin kalsiumkarbonaattia ja kaoliinia sekä niiden seosta. Leikkausnopeus alenee päällystyspigmentistä ja sen määrästä riippuen 5 – 20 % verrattuna saman neliöpainoisiin päällystämättömiin materiaaleihin. Yli 1000 W:n laserteholla leikkausnopeuden kasvu tehon funktiona pysähtyy kalsiumkarbonaatilla päällystetyillä kartongeilla. Päällystetyllä paperilla vastaava tehoraja on 1400 W. Polttopisteen optimi paikkaan päällystyksellä ei ole vaikutusta. Myöskään leikatun reunan laatuun päällystyksellä ei ole suurta vaikutusta. Leikkauksessa muodostuvat savut ovat pääasiassa selluloosan pilkkoutumistuotteita. Suuri osa savuista on myrkyllisiä, joten leikkauskohdan riittävästä ilmanvaihdosta on huolehdittava. Sopivilla prosessiparametreilla voidaan saada 10 – 20 %:n parannuksia leikkausnopeuteen.

Jauhinterien valmistuksen kehittäminen

Diplomityö käsittelee eräälle paperiteollisuuden komponentteja valmistavalle yritykselle tehtyä tutkimusta, jossa tutkittiin erilaisia valmistusmenetelmiä, joilla voidaan valmistaa uudenlaisia jauhinteriä. Diplomityössä ideoitiin erilaisia jauhinteränkonstruktiovaihtoehtoja. Vaihtoehtoja havainnollistamaan piirrettiin jokaisesta ratkaisusta 3D- mallit. Vaihtoehtojen pohjalta päätettiin suoritettavat valmistustestaukset. Työssä suoritettiin valmistustestejä kuitulaserilla, hiilidioksidilaserilla sekä hienosädeplasmalla. Näiden testien perusteella saatiin näkemys siitä, mikä konstruktiovaihto on valmistusteknisesti paras, täyttäen samalla jauhinterälle asetetut vaatimukset. Diplomityön tuloksena syntyi toimiva ja kustannustehokas ratkaisu jauhinterien valmistamiseksi.

Ruostumattomien terästen kuitulaserleikkaus

Työ jakaantuu kirjalliseen tutkimukseen sekä kokeelliseen osaan. Työn kirjallisuustutkimus käsittelee laserleikkausta yleisesti ja kartoittaa tämän hetken tilannetta kuitulaserin mahdollisuuksista ruostumattomien terästen leikkauksessa. Työn kokeellinen osuus käsittelee ruostumattomien terästen kuitulaserleikkauksesta levypaksuuksilla 3 mm ja 6 mm. Kokeissa tutkitaan leikkauspään leikkaussuunnan mukaisen kulman muutoksen vaikutusta leikkausnopeuteen. Leikkauksissa määritetään neljälle eri leikkauspään kulmalle suurin mahdollinen leikkausnopeus.

Koneinvestoinnin suunnittelu valmistavaan teollisuuteen

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutustua ohutlevyjen nykyaikaisiin koneellisiin leikkausmenetelmiin ja tutkia niiden soveltuvuutta yrityksen tarpeisiin. Kohdeyrityksessä investoinnin tarve jakautui tuottavuusinvestoinnin, korvausinvestoinnin ja strategisen investoinnin kesken. Tavoitteena oli luoda investointipolku, jonka avulla poissuljettiin menetelmät, jotka eivät soveltuneet yrityksen tuotantoon. Työn kirjallisuusosuudessa tarkastellaan teoriatietoja, jotka liittyvät yleisesti nykyaikaisiin ohutlevyjen leikkausmenetelmiin sekä investointiprojektin suunnitteluun ja toteutuksen teoriaan. Lisäksi käsitellään investointeihin liittyviä kannattavuus- ja kustannuslaskennan perusperiaatteita. Työn empiirisessä osassa selvitettiin yrityksen ohutlevyosien valmistuksen periaatteita nykytila-analyysin avulla. Tämän perusteella määritettiin nykyaikaisista markkinoilla olevista menetelmistä yritykselle soveltuvin. Tutkimuksen perusteella laserleikkaus oli menetelmistä soveltuvin. Perusinvestoinniltaan laser oli vaihtoehtoisista menetelmistä kallein, mutta se soveltui käytettävyyden, tehokkuuden, joustavuuden ja muiden ominaisuuksiensa perusteella parhaiten tuotannon tarpeisiin. Työn merkittävimmät tulokset osoittivat, että investoinnin kannattavuus riippui koneelle saatavasta käyttösuhteesta. Uusien koneiden tehokkuus lyhentäisi tuotannon läpimenoaikoja, mutta ilman riittävää kapasiteetin käyttöastetta kappaleiden omakustannusarvo nousisi. Lopputulokset ja suositukset on esitetty työn lopussa.

Alumiinipainevalujen purseen- ja jäysteenpoiston kehitysmahdollisuudet

Valupurseiden ja jäysteiden poistaminen on osa alumiinipainevalujen tuotantoprosessia. Työssä on tutkittu käytössä olevien ja uusien menetelmien mahdollisuuksia taloudellisempaan tuotantoon. Purseiden ja jäysteiden poistamiseen käytettävien menetelmien lisäksi tutkimuskohteita ja ideoita on haettu muista metallien työstömenetelmistä. Valupurseiden ja jäysteiden määritelmiä, muodostumista ja luokittelua on esitelty laajasti. Menetelmien tutkimus on painottunut valupurseiden poistamiseen ja valun jälkeistä leikkaamista on tutkittu erityisesti sisäpuolisten muotojen työstämiseen käytettyjen pistintyökalujen kautta. Muotin ulostyöntötapin purseen poistaminen on ollut tärkeä asia menetelmien tutkimuksissa. Valupurseiden, leikkaus- ja koneistusjäysteiden poistamiseksi lastuavista työstömenetelmistä tutkittuja ovat koneistaminen koneistuskeskuksella, aventaminen, hiertopuhallus, suihkuhiertäminen, vesisuihkuleikkaus, ultraäänityöstö, harjaus, painehiertäminen, hiominen kohdistetuilla ja kohdistamattomilla menetelmillä. Myös terminen jäysteenpoistomenetelmä (TEM), kemiallinen työstö (ECM) ja laserleikkaus on otettu esiin tutkimuksessa. Työn tuloksena on näkemys tutkittujen menetelmien jatkokehitystarpeesta ja mahdollisuudesta soveltaa niitä sarjatuotantoon.

Suunnittelun mahdollisuudet alumiiniveneen rungon valmistuskustannusten optimointiin mitoitusdirektiivi huomioiden

Tässä diplomityössä tutkittiin valmistuksellisia ja rakenteellisia mahdollisuuksia alumiiniveneen rungon valmistuskustannusten optimointiin vallitseva runkomitoitusdirektiivi huomioiden. Varsinaista kustannussäästötavoitetta työlle ei määritetty, mutta tavoitteena oli selvittää runkokonstruktion kustannusten painopisteiden mukaisesti kehityskohteet ja uusi kehitetty runkokonstruktio, joka täyttää mitoitusdirektiivin vaatimukset. Nykyistä ja kehitettyä runkokonstruktiota verrataan kustannusten sekä valmistettavuuden kannalta ja tehdään johtopäätökset. Kehityskohteiden löytämisessä sovellettiin valmistus- ja kokoonpanoystävällisen suunnittelun DFM(A)-periaatteita ja teoriaa, jotka esiteltiin työn teoriaosuudessa. Valmistuskustannusten määrittämisen tueksi teoriaosuudessa esiteltiin hitsauksen ja osavalmistuksen (laserleikkaus, särmäys) kustannusmallit, joita hyödynnettiin soveltuvin osin kustannuslaskennassa. Merkittävänä osana selvitystyötä oli myös SFS-EN ISO 12215-5-(6) runkomitoitusstandardin tulkitseminen ja referointi työn kannalta merkittäviin osa - alueisiin. Nykyisen runkokonstruktion kustannusanalyysin ja valmistettavuusarvion pohjalta päädyttiin rakenteellisiin ja valmistuksellisiin kehitystoimenpiteisiin, jotka täyttävät runkomitoitusdirektiivin rakenteelliset vaatimukset. Rakenteelliset toimenpiteet käsittivät mm. materiaalivahvuuksien, jäykisterakenteen ja osamäärän optimointia. Valmistukselliset toimenpiteet liittyivät mm. hitsauksen tuottavuuden tehostamiseen ja sen kustannusvaikutuksiin. Rakenteellisilla kehitystoimenpiteillä olisi mahdollista saavuttaa noin 6 % säästö ja valmistusmenetelmien kehittämisellä noin 17 % säästö valmistuskustannuksista.

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.