Design and manufacture of a microdistillation column

Abstract

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.

Työn tarkoitus oli suunnitella ja valmistaa pienikokoinen mikrotislain. Työn kirjallisessa osassa käsitellään ruostumattomia teräksiä ja niiden hitsausta, materiaalin työstöä lasereilla ja perusteita teknisestä suunnittelusta ja tislauksesta. Työn varsinainen painopiste on kuitenkin kokeellisessa osassa.

Kokeellinen osa on jaettu löyhästi viiteen osaan. Ensimmäisessä osassa esitellään tislain ja sen komponentit. Toinen osa on työn tärkein osa; siinä suunnitellaan laite osa osalta ja askel askeleelta. Suunnittelu tässä työssä koostuu lähinnä laitteen yksityiskohtien ja valmistettavuuden suunnittelusta, koska tislain keksittiin Teknillisessä korkeakoulussa ja myös ensimmäiset piirustukset luonnosteltiin siellä jo ennen työn aloitusta. Kolmas osa käsittelee laitteen valmistusta jälleen osa osalta. Laitteen lopullinen kokoonpano on jätetty työn ulkopuolelle. Neljännessä osassa suoritetaan laitteen valmistukseen liittyviä koehitsauksia ja analysoidaan hitsausten tuloksia. Lopuksi esitetään joitain ideoita jatkotutkimuksiin liittyen.

Työn tärkein päämäärä saavutettiin: tislain on kokoonpanoa vaille valmis. Työn aikana selveni esimerkiksi se, miten vaikeaa on valmistaa pieniä ja tarkkoja teräsosia perinteisillä työstömenetelmillä. Teräsaihioiden valmistuksessa syntyneet sisäiset jännitykset ja työstön aikana ilmenevät lämpövaikutukset pilaavat helposti kappaleen. Hitsauskiinnittimien järkevä suunnitteleminen on tärkeä vaihe pientenkin kappaleiden valmistuksessa, tosin joskus kappaleet voidaan toki suunnitella niin, ettei kiinnittimiä tarvita.

Lasertyöstö on lupaava työkalu esimerkiksi tässä työssä vaadittavaan materiaalin työstöön, koska se on joustava menetelmä, laserleikkausjälki on laadukas ja laserhitsaus on erittäin hyvä pienten kappaleiden liittämismenetelmä tarkasta ja vähäisestä lämmöntuonnista johtuen.