ISEL - Eng. Mecan. - Dissertações de Mestrado
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- Projeto de uma Impressora 3D baseada num braço robótico de 6-eixosPublication . Maia, Gonçalo Alexandre Lopes; Carvalho, André Rui Dantas; Portal, Ricardo José FontesA evolução do fabrico aditivo tem levado à exploração de novas abordagens para a impressão 3D, incluindo a utilização de braços robóticos. Estes sistemas, em comparação com os sistemas convencionais, oferecem maior flexibilidade e permitem a impressão em superfícies complexas. Ainda assim, apresentam desafios ao nível do controlo, precisão e robustez estrutural. Este trabalho consiste no desenvolvimento do projeto mecânico de um sistema de impressão 3D utilizando um braço robótico de 6 eixos. O objetivo é demonstrar a viabilidade desta solução através do estudo e conceção da estrutura necessária para suportar o processo de extrusão. Para tal, este trabalho aborda todo os processos para o desenvolvimento do projeto, desde a definição dos pressupostos, desenvolvimento do projeto mecânico, e validação do sistema através da realização de simulações. Inicialmente é realizada uma análise ao contexto atual do fabrico aditivo, da robótica e da aliança entre estes dois temas. Ao longo do desenvolvimento do trabalho são apresentados os métodos adotados, tais como seleção e modelação de componentes, soluções encontradas para resolução de problemas, verificações numéricas, comparação de resultados, procedimentos iterativos para melhoria do projeto e obtenção de um modelo final. Na fase final deste documento são realizadas simulações estáticas e dinâmicas para verificação do modelo obtido. O projeto tem como finalidade apresentar uma solução acessível e de fácil implementação, que poderá servir como base para aplicações educacionais ou para explorar novas possibilidades na conciliação entre fabrico aditivo e robótica.
- Processos de revisão documental e processual em projetos industriaisPublication . Oliveira, Bernardo Viana de; Galvão, Ivan Rodolfo Pereira Garcia deO presente trabalho situa-se no âmbito de um estágio profissional levado a cabo na Mecwide S.A., incidindo nos processos de revisão documental e processual em projetos industriais. A escolha deste tema justifica-se pela crescente complexidade das instalações industriais e pela necessidade de garantir a conformidade com normas internacionais, requisitos regulamentares e diretivas setoriais. A adoção de uma gestão eficaz da documentação e dos processos técnicos revela-se fundamental para assegurar a rastreabilidade e a qualidade ao longo de todas as fases de execução. No decurso do estágio, foi analisada em detalhe a forma de atuação do Departamento da Qualidade da Mecwide, procurando-se assegurar o controlo de qualidade do produto final, a melhoria contínua dos processos de fabrico e o aumento da eficiência produtiva em três projetos de engenharia. Neste processo, examinaram-se métodos de controlo de qualidade e de gestão documental, abrangendo a elaboração de planos de inspeção, a supervisão das etapas de fabricação e montagem, bem como a gestão de subcontratados, assegurando o cumprimento dos prazos e requisitos estabelecidos em contrato. Como suporte tecnológico, recorreram-se a ferramentas como o SharePoint e o iDeals, que se mostraram determinantes na atualização e acessibilidade dos documentos a todas as partes envolvidas. Os resultados evidenciam que a adoção de boas práticas de gestão da qualidade e o uso de plataformas digitais permitem alcançar níveis elevados de conformidade e eficiência, agilizando significativamente o intervalo entre a conclusão da fase de execução e a entrega da documentação final. Neste sentido, conclui-se que uma gestão documental sólida, apoiada por um controlo de qualidade rigoroso, é imprescindível para o êxito de projetos industriais de grande envergadura. O trabalho apresentado contribuiu para o desenvolvimento de competências técnicas e de gestão, aplicando na prática os conhecimentos adquiridos no curso de Engenharia Mecânica e fomentando a preparação para novos desafios no setor.
- Estudo térmico e medidas de promoção de eficiência energética numa nave oficinalPublication . Medeiros, André da Costa; Casaca, Cláudia Sofia Séneca da Luz; Duarte, Gonçalo Nuno de OliveiraA adoção de práticas sustentáveis tem vindo a ser um tema crescente nos últimos anos. Num contexto nacional, a utilização racional de energia e o desempenho térmico dos edifícios é especialmente importante, dada a dependência energética que Portugal possui e a pobreza energética do parque habitacional. Esta pobreza estende-se a outras tipologias de edifícios como os industriais, muitas vezes devido à sua idade e práticas construtivas adotadas na época. A nave oficinal em estudo apresenta desafios em termos de conforto térmico e qualidade do ar interior, resultantes das suas características construtivas e da obsolescência dos sistemas de climatização. Foram propostas medidas para o aumento do conforto térmico e qualidade do ar interior tendo em conta a promoção da eficiência energética. Foi elaborada uma caracterização térmica do edifício no seu estado atual que levou a propostas de melhoria ao mesmo, sendo estas analisadas numericamente com recurso ao programa de simulação dinâmica HAP, desenvolvido pela Carrier. As melhorias consistem na aplicação de isolamento na cobertura, na fachada sul e a implementação de vãos envidraçados e portões de acesso que possuem um desempenho térmico superior. Para este efeito foi utilizado o EPS, variando a sua espessura, e vãos envidraçados e portões de acesso com um coeficiente global de transmissão térmica inferior. Foi determinado o caudal de ar novo mínimo necessário e dimensionada uma unidade de tratamento de ar para as duas medidas propostas com o maior impacto térmico para o edifício, assim como uma proposta para os pontos de insuflação, extração e extração localizada para a medida que apresenta o maior impacto térmico. Finalmente, analisou-se o consumo energético da instalação variando o caudal de ar novo a insuflar, contemplando os ventiladores, chiller e a bomba de calor, constatando que o menor consumo para o chiller acontece para 80% de ar novo devido ao free-cooling.
- Desenvolvimento de uma aplicação computacional para o cálculo de cargas térmicas em edifíciosPublication . Agostinho, Abel Mateus Lopes; Casaca, Cláudia Sofia Séneca da Luz; Carreira, Fernando Paulo Neves da Fonseca CardosoO presente trabalho visa o desenvolvimento de uma aplicação computacional para o cálculo de cargas térmicas em edifícios que possa ser utilizada através da internet. A modelação dos edifícios é realizada através da definição e parametrização dos vários elementos construtivos dos espaços, nomeadamente, paredes exteriores e interiores, cobertura, pavimento e vãos envidraçados. A aplicação também permite parametrizar as cargas térmicas internas existentes num edifício, tais como, a iluminação, equipamentos e cargas adicionadas devido à atividade humana. Esta parametrização é realizada através de uma interface gráfica inserida numa arquitetura cliente-servidor, desenvolvida em HTML e PHP, sendo os dados armazenados numa base de dados em MySQL, para permitir a utilização através da internet, num sistema multiutilizador. O cálculo das cargas térmicas foi desenvolvido em Python, implementando o método da função de transferência. A transmissão de calor que ocorre no edifício é calculada com base nos mecanismos de condução, convecção e radiação, considerando as condições climatéricas, materiais, elementos construtivos, espaços, iluminação, equipamentos, perfis de ocupação, entre outros. Além disso, foi integrado o cálculo da radiação solar incidente, a complementar as condições climatéricas. Os resultados obtidos pelos módulos de cálculo desenvolvidos foram validados através da comparação com um programa comercial destinado ao cálculo de cargas térmicas. Como caso de estudo, analisou-se um espaço de escritórios, tendo-se observado um desvio máximo de 5,8%, na carga térmica de uma parede orientada a norte. No que respeita à carga térmica sensível total, obteve-se um valor de 4301 W com um desvio relativo de apenas 0,2% face ao programa comercial utilizado, evidenciando a boa concordância do programa de cálculo desenvolvido. Estes resultados permitiram validar o programa de cálculo desenvolvido em Python, assim como a eficácia da aplicação web proposta.
- Projeto de sistema de lavagem para tanques de armazenamento de produtos alimentaresPublication . Lomelino, Pedro Miguel Alves; Carreira, Fernando Paulo Neves da Fonseca Cardoso; Campos, Francisco Mateus Marnoto OliveiraAs alterações climáticas são um tema, nos dias que correm, cada vez mais relevante e que suscita preocupação na realidade das empresas e dos consumidores. Neste contexto, é importante procurar substituir os métodos tradicionais quando existirem soluções tecnológicas mais avançadas e com menor impacto ambiental. Estas devem reduzir a utilização de recursos e aumentar a eficácia dos processos. Desta forma, para além dos benefícios ambientais, as empresas tornar-se-ão mais competitivas no mercado de que fazem parte. O presente trabalho propõe uma solução tecnológica mais avançada em relação ao mercado da lavagem de tanques de armazenamento de produtos. A presente solução foi idealizada para uma herdade onde os tanques de armazenamento são utilizados para a produção de vinho. Na solução aqui apresentada propõe-se, por um lado, automatizar os processos de lavagem, através de um sistema para lavar sequencialmente vários tanques de armazenamento sem a intervenção dos operadores. Por outro lado, tentou-se reduzir os custos de lavagem, selecionando um elemento terminal de lavagem (cabeça de lavagem rotativa) mais atual relativamente à solução presentemente utilizada na herdade (bola de lavagem fixa). Os resultados obtidos, quando comparadas as duas soluções, mostram que a solução proposta tem efeitos positivos a nível do consumo de recursos (água e detergente) com uma redução em cerca de 30%. Por outro lado, verificou-se que a nível económico, existe retorno do investimento inicial a médio-longo prazo. Concluiu-se então que o sistema desenvolvido apresenta benefícios que podem constituir uma mais-valia na herdade para onde foi dimensionado. De uma forma geral, os estudos realizados sugerem que, para empresas onde exista um maior volume de lavagens de tanques, os benefícios do sistema proposto serão mais acentuados.
- Study and characterization of specimens obtained through additive manufacturing technologies with thermoplastic matrix and carbon fibrePublication . Silva, Miguel Filipe Lola da; Leite, Afonso Manuel da Costa Sousa; Portal, Ricardo José Fontes; Novo, Paulo Jorge da Costa ParenteAbstract The use of thermoplastic matrix in continuous fibres composites is relatively recent with the number of potential applications steadily growing. However, the use of thermoplastics as a matrix comes with several challenges since thermoplastic polymers present much higher viscosity than thermosets, resulting in much more difficult and complex reinforcement impregnation and consequent consolidation tasks. This research focuses on the study and characterization of specimens produced through two additive manufacturing (AM) technologies: Fused Filament Fabrication (FFF) and Automated Fibre Placement (AFP). Both techniques employ a polyamide thermoplastic matrix reinforced with continuous carbon fibre, and mechanical behaviour will be evaluated by analysing their tensile, flexural and interlaminar shear strength properties. To characterize the materials and specimens, several techniques were used, such as SEM, DSC, TGA, FTIR calcination or Micro-CT. For the production of FFF specimens a commercially available 3D printer capable of printing continuous fibre filaments was used, and to produce the AFP specimens, a functional prototype was first developed and then the tapes produced. With all the necessary conditions reached, the specimens were produced. To analyse the AFP specimens a Design of Experiments was implemented, with the influence of the most pertinent process variables also being analysed. Finally, the specimens produced by the different additive manufacturing techniques were evaluated and compared in terms of their mechanical properties and pose.
- Study of simple and complex structures in composite materialsPublication . Gamito, Simão Pedro Brissos Sousa Jesus; Leite, Afonso Manuel da Costa de Sousa; Loja, Maria Amélia RamosAbstract The use of composite materials has been increasing exponentially in various engineering fields, not only in fiber-based materials but also in advanced particle composites, such as Functionally Graded Materials (FGM). This work focuses on fiber-based materials, which, by considering the appropriate fiber direction within each layer, can achieve different mechanical properties, leading to widespread use. However, due to the heterogeneous and orthotropic nature of these materials, failure prediction becomes challenging. Combining analytical methods (often using symbolic computing platforms) and/or numerical methods allows for failure prediction. Despite using a single or combined method approach, verifying the results with alternative references is crucial. This study aimed to develop and implement a numerical-analytical and experimental approach to characterize the mechanical behavior of fiber-based composite plates with an epoxy matrix. The study considered carbon fiber/epoxy plates with varying numbers of layers and fiber orientations. Four approaches were employed: the first and second approaches, based on the Finite Element Method (FEM) using ANSYS Mechanical Parametric Design Language (Mechanical APDL) and ANSYS WORKBENCH, respectively; the third approach involved analytical results obtained through the MAPLESOFT symbolic computing software; the fourth approach relied on experimental tensile tests of the composite plates, using strain gauges to measure resulting strains from a bi-axial tensile device. Additionally, a three-dimensional static study of a triathlon guide was calculated using Solidworks Simulation FEM software. The results indicate that while some numerical methods can predict failure in composite materials with reasonable accuracy, this prediction is fundamentally linked to the failure criterion used in the analysis.
- Análise de risco em sistemas de transporte de hidrogénioPublication . Salvado, Gonçalo Rodrigues; Sobral, José Augusto da SilvaA presente dissertação foi desenvolvida no âmbito de conclusão do curso de Mestrado de Engenharia Mecânica – Perfil de Manutenção e Produção. Sob uma orientação bem definida, a principal motivação deste trabalho consistiu na elaboração de uma Análise de Riscos em Sistemas de Transporte de Hidrogénio, com especial foco no transporte de hidrogénio através de pipelines. Numa primeira fase foram abordados métodos de produção, tipos de armazenamento e transporte de hidrogénio, dando especial importância aos pipelines, como estes são projetados, quais os componentes constituintes, etapas de construção, fase de operação e manutenção e aspetos relacionados com a segurança. Seguidamente foi apresentado um estudo exemplificativo que visa avaliar a quantidade ótima de hidrogénio injetável numa rede existente de pipelines de hidrogénio, terminando com a apresentação dos maiores riscos e desafios no transporte de hidrogénio em pipelines existentes. Posteriormente, foi abordado o tema do risco de uma forma genérica, seguindo as normas ISO 31000 e ISO 31010, com o objetivo de identificar as técnicas e ferramentas existentes para a sua aplicação de modo a mitigar os riscos inerentes a um sistema e/ou processos. Por fim foi elaborada uma FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) aplicada a pipelines de hidrogénio, com o principal objetivo de identificar modos de falha, causas e consequências.
- Estudo de incorporação de H2 no gás natural e seu impacto em equipamento motrizPublication . Valente, Ruben Miguel Canelas; Costa, Jorge Filipe Oliveira de Mendonça e; Domingues, Nuno Alexandre SoaresA utilização de hidrogénio tem desempenhado um papel fulcral na transição energética que visa alcançar um futuro mais sustentável. Neste sentido, foi concebido um estudo experimental que permite aferir o impacte técnico, ambiental e económico da incorporação deste combustível no gás natural. Os ensaios experimentais foram conduzidos numa unidade demonstrativa GUNT ET 792, caracterizada por operar segundo um ciclo a gás com configuração twin-shaft. O equipamento, originalmente apto para a queima de propano, foi adaptado para admitir gás natural e misturas de gás natural com hidrogénio em frações volúmicas de 5%, 10% e 20%. Os testes efetuados permitiram, em primeiro lugar, garantir a viabilidade da utilização destas misturas na ótica da segurança. Por outro lado, do ponto de vista qualitativo, foi possível avaliar as principais diferenças da utilização destes gases combustíveis a nível das temperaturas e pressões que caracterizam os principais pontos do ciclo a gás, pressão de injeção, razões ar-combustível, excesso de ar, potência produzida, eficiência global do ciclo e emissões de NOX. Indiretamente foi possível estimar uma redução de emissões de CO2, que pode alcançar os 9,49% através da utilização da mistura com 20% de hidrogénio, com um impacto a nível do custo de operação, que variará entre os 15,85% e os 53,94%.
- Projeto de um sistema AVAC para uma unidade farmacêutica de enchimento assético de injetáveisPublication . Fernandes, Margarida Isabel Gonçalves Assis; Cardoso, João Antero Nascimento dos SantosO fabrico e manuseio de produtos farmacêuticos requerem salas limpas, onde o controlo rigoroso de contaminantes e microorganismos é essencial. A qualidade do ar interior é crucial para garantir a segurança do produto, dos trabalhadores e do meio ambiente. Parâmetros como temperatura, humidade relativa, partículas no ar, fluxo de ar, pressão interior e cargas internas devem ser cuidadosamente monitorizados para evitar contaminações. Com o presente trabalho, pretende-se desenvolver a componente aeráulica de um sistema de AVAC para um conjunto de salas limpas de classe C e D. Para a elaboração do projeto e para alcançar a solução proposta, foi fundamental considerar a legislação vigente e realizar cálculos essenciais, como as necessidades de ar novo e extração, o dimensionamento aeráulico (utilizando os métodos de redução de velocidade para insuflação e perda de carga constante para extração), além dos cálculos de potências de arrefecimento e aquecimento necessários. Também foram consideradas as perdas de carga nos circuitos aeráulicos. O dimensionamento dos sistemas e equipamentos, assim como as cargas térmicas do edifício, foi apoiado pelo software Carrier – HAP (Hourly Analysis Program). Conhecendo as potências necessárias a vencer, 73,4 kW no caso do arrefecimento e 66,5 kW no aquecimento, partiu-se para a seleção da solução, optando-se por duas Unidades de Tratamento de Ar (UTA) com apoio de difusores de insuflação, como unidades terminais. A escolha de utilizar duas UTA deve-se à necessidade de distribuir de forma equilibrada as elevadas cargas térmicas, permitindo um controlo mais eficaz da temperatura nas diferentes zonas do ambiente. Esta abordagem garante maior flexibilidade, redundância e eficiência no desempenho do sistema, além de assegurar que as variáveis térmicas sejam atendidas de maneira otimizada. A implementação do sistema projetado visa então garantir a conformidade com os padrões da indústria farmacêutica, proporcionando um ambiente seguro e controlado, essencial para a produção de medicamentos de alta qualidade.