ISEL - Eng. Mecan. - Dissertações de Mestrado
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- Análise das condições de deposição na produção de componentes híbridos por impressão 3DPublication . Paiva, Marcelo Kendrick de; Galvão, Ivan Rodolfo Pereira Garcia de; Almeida, Pedro Lúcio Maia Marques de; Leitão, Carlos Miguel AlmeidaO desenvolvimento de juntas híbridas entre metais e polímeros tem ganhado destaque em aplicações estruturais leves, especialmente nas indústrias automotiva e aeroespacial. Esse tema é de grande importância, pois, com o surgimento de novas técnicas de ligação entre materiais, como soldadura por fricção e união mecânica, a união híbrida de materiais distintos possibilita a criação de novos materiais que combinam as características e qualidades de cada um, resultando em componentes cada vez mais leves, resistentes e confiáveis. O objetivo deste trabalho destinou-se a analisar as condições de deposição na produção de componentes híbridos (metal-polímero) por modelação por deposição fundida (FDM). Em particular, foi estudada a ligação de chapa de alumínio (Al) a Ácido Polilático (PLA) impresso. Por forma a estudar as condições de adesão na interface metal-polímero, foram testadas diferentes condições topográficas dos componentes de Al. Sobre estas superfícies foram depositadas, por prensagem a quente, películas poliméricas, que funcionarão como camadas intermédias facilitadoras da deposição de material polimérico por FDM, para se avaliar e comparar a resistência da adesão entre os materiais sob essas diferentes preparações superficiais. Foram produzidas amostras em três condições distintas, sem preparação, com lixamento, e com texturização superficial. A caracterização morfológica foi realizada por microscopia óptica e microscopia digital, se analisando as condições de deposição do material polimérico na topografia da placa de Al. Os resultados mostraram que a texturização superficial melhorou as condições de adesão da junta, em comparação com as demais condições de preparação do substrato do Al, sugerindo uma melhor ancoragem mecânica da junta. A preparação da superfície do Al demostrou ser um fator crucial para a eficiência da junta híbrida Al/PLA, revelando a importância de se realizar um controlo topográfico neste tipo de aplicação para o fabrico aditivo pelo método de FDM.
- Analysis on the effectiveness of the weldability window in predicting results for explosive weldingPublication . Peladinho, Duarte Miguel Gonçalves; Galvão, Ivan Rodolfo Pereira Garcia de; Carvalho, Gustavo Henrique Senna de Freitas Ligeiro de; Leal, Rui Manuel FerreiraAbstract Explosive welding (EXW) is a solid-state joining process that relies on controlled detonation to achieve metallurgical bonding between similar or dissimilar materials. Its advantages include the ability to combine metals with large differences in melting point and thermal conductivity, the near absence of a heat-affected zone, and the potential for producing large-scale joints. Nevertheless, the main limitation of EXW remains the lack of a reliable theoretical framework capable of predicting weld quality. To address this limitation, the weldability window was introduced as a graphical tool relating collision velocity and collision angle to the likelihood of a successful weld. Although widely used, this model often fails to reproduce experimental results, mainly due to the diversity of proposed equations, the boundary conditions considered during their development, and the incomplete understanding of interfacial mechanisms such as wave formation and jetting. The objective of this work is to analyse the effectiveness of the weldability window in predicting the outcomes of explosive welding by reviewing and comparing the most relevant theoretical formulations with experimental results available in the literature. The examination of these approaches highlights the assumptions behind each model and reveals important divergences regarding their applicability to different materials and welding conditions. The analysis shows that current formulations contain inconsistencies that restrict their predictive capability, resulting in discrepancies between theoretical boundaries and actual weld behaviour. These limitations emphasize the need for further refinement of the weldability window in order to provide a more accurate and reliable framework for assessing the occurrence of successful welds in explosive welding processes.
- Estudo da influência do Shot Peening no comportamento à fratura de ligas levesPublication . Neves, Daniela da Silva Ribeiro; Morgado, Teresa Leonor Ribeiro Cardoso MartinsNa indústria aeronáutica, reduzir o peso das aeronaves e prolongar a vida útil dos componentes é essencial para a eficiência e a segurança. O estudo de ligas leves, como alumínio e titânio), a aplicação de técnicas como o Shot Peening e o fabrico de componentes por Selective Laser Melting (SLM) constitui uma abordagem integrada para se alcançarem os objetivos atuais desta indústria e promover a sustentabilidade, tornando estas vertentes de investigação particularmente relevantes para o setor. Na presente tese, estudou-se o efeito do Shot Peening, aplicado com equipamento automático, em ligas leves de interesse industrial, a liga Al 7475-T7351 e a Ti-6Al-4V (obtida por SLM), com o propósito de compreender as alterações microestruturais, de dureza e de rugosidade induzidas. No caso da liga Ti-6Al-4V, realizou-se um estudo dos defeitos intrínsecos ao SLM, bem como das suas fraturas. Para tal, foram realizados ensaios com recurso a microscopia ótica, microscopia eletrónica de varrimento, nanotomografia de raios-X, medições de rugosidade e microdurezas, bem como ensaios de tração. Da análise de resultados das microdurezas, concluiu-se um aumento desta propriedade na zona mais superificial, diminuindo gradualmente em profundidade, em ambas as ligas. No caso da liga de Ti-6Al-4V, os valores de microdurezas foram superiores ao esperado, devido à formação de martensite α’ em grandes quantidades. A rugosidade aumentou em ambas as ligas, sendo mais acentuada no alumínio, refletindo que tem menor resistência ao impacto das granalhas e à deformação plástica localizada. Em conclusão, verificaram-se os efeitos esperados da aplicação do Shot Peening. Pela análise de defeitos, concluiu-se que existe necessidade de alteração dos parâmetros de produção de SLM, para os provetes de Ti-6Al-4V, nomeadamente da densidade de energia que deve ser aumentada. A qualidade dos pós usados deve também ser uma prioridade. As superfícies de fratura revelaram um material dúctil. A presença de oxigénio nas mesmas indicou falhas na atmosfera inerte. Por último, foi desenvolvido um modelo de previsão de vida à fadiga baseado nos resultados obtidos.
- Desenvolvimento de metodologias de gestão inovadoras em contexto de manutenção 4.0Publication . Rafael, João Vítor Menezes; Morgado, Teresa Leonor Ribeiro Cardoso MartinsA indústria 4.0 está a transformar os processos de manutenção industrial, tendo o fabrico aditivo (FA) como uma das suas principais técnicas. Com este intuito, este trabalho avaliou a aplicação do fabrico aditivo na produção de peças de substituição numa indústria de base florestal, especificamente para utilização na manutenção. As cadeias de abastecimento destas peças de substituição apresentam problemas com fornecedores, tais como, tempo de espera e custos elevados. A presente dissertação teve como objetivo o desenvolvimento de tecnologias de gestão inovadoras em contexto de manutenção 4.0. A metodologia experimental consistiu no desenvolvimento de uma estratégia inovadora para aplicação da manutenção preventiva sistemática baseado no fabrico aditivo de peças sobresselentes. Através do desenvolvimento de um fluxograma representativo do processo de tomada de decisão para a criação de peças fabricadas via FA, foram selecionados dois casos de estudo designados por "Rolete", "Finger Plate”. Os estudos consistiram na análise económica das peças selecionadas, seguido da análise de resistência dos materiais e da seleção de materiais alternativos, tendo em conta os processos de fabrico convencionais (laminagem a quente e injeção) e os aditivos (FDM - Fused Deposition Modeling e DLP - Digital Light Processing). Por fim foi realizado o estudo de previsão de durabilidade ao serviço. Da análise económica concluiu-se que o Rolete produzido por DLP apresentou uma redução de 55% nos custos, face ao fabrico convencional. No caso do “Finger Plate”, a peça produzida por FDM mostrou-se igualmente vantajosa, com uma redução de custos de 88,27%. Como trabalhos futuros é necessário validar a durabilidade prevista através da estratégia proposta e do tempo de serviço das novas peças dos casos "Rolete" e "Finger Plate"; para o caso de "Rotor" é necessário concluir o estudo já iniciado e validar resultados além de estipular e controlar parâmetros de qualidade para as peças fabricas por FA.
- Previsão de crescimento de fendas de fadiga utilizando elementos finitos e inteligência artificialPublication . Ferra, Tiago Henrique da Cruz; Baptista, Ricardo Miguel Gomes SimõesA análise da trajetória de propagação de fendas de fadiga constitui um desafio relevante na área da integridade estrutural, devido à complexidade associada à simulação numérica ou à experimentação. Em particular, o estudo de componentes sujeitos a carregamentos biaxiais revela-se ainda mais exigente, uma vez que envolve a aplicação simultânea e independente de forças em direções perpendiculares, aumentando significativamente a variabilidade dos cenários possíveis. Neste trabalho, foi estudada a propagação de fissuras em provetes cruciformes sob carregamentos cíclicos biaxiais em fadiga, combinando metodologias numéricas baseadas no Método dos Elementos Finitos (FEM) com a aplicação de técnicas de Inteligência Artificial (AI), nomeadamente redes neuronais artificiais (ANN). Para a geração dos dados de treino da rede, recorreu-se a simulações numéricas que permitiram determinar os fatores de intensidade de tensão para fendas com diferentes geometrias, comprimentos e orientações. Uma vez treinada, a rede mostrou-se capaz de prever, de forma quase imediata, os fatores de intensidade de tensão necessários ao cálculo da direção e da taxa de crescimento da fenda. Os resultados obtidos pela ANN foram comparados com as trajetórias de propagação calculadas exclusivamente por FEM. A análise dos desvios entre coordenadas, calculados através da raiz quadrada do erro médio quadrático (RMSE), revelaram um erro mínimo de 0,0006 mm e um erro máximo de 2,1890 mm, sendo o erro médio de 0,3613 mm. Assim, a abordagem híbrida FEM–IA revelou-se vantajosa pela sua elevada eficiência computacional, mantendo um nível de precisão adequado à previsão do comportamento em fadiga. Assim, os modelos baseados em redes neuronais demonstraram ser uma ferramenta promissora de apoio à análise estrutural, contribuindo para reduzir significativamente o tempo e os recursos necessários em estudos de propagação de fendas em regimes de carregamento complexo.
- Estudo de sistemas frigoríficos otimizados, utilizando fluidos naturaisPublication . Duarte, Diogo Miguel Cardoso; Garcia, João Nuno Pinto MirandaCom este Relatório de Estágio pretende-se adquirir valiosas técnicas que permitam projetar sistemas frigoríficos otimizados com a utilização de fluidos naturais. Relativamente ao trabalho desenvolvido no presente relatório de estágio, procedeu-se à análise de dois sistemas otimizados com fluidos naturais. Para tal, estudou-se dois sistemas distintos: opção nº1 referente a um Sistema Inundado a NH3 e Água Glicolada e opção nº2 baseada num Sistema Inundado em Cascata com CO2 e NH3. Inicialmente, com base nas condições de projeto, realizou-se o estudo das cargas térmicas do produto, envolvente, internas e de infiltrações, a dissipar nos Túneis de Congelação, Câmaras de Congelação e Refrigeração e, ainda, salas climatizadas, descrevendo-se o esquema de princípio e respetivo diagrama P-h com os vários pontos termodinâmicos, para ambos os ciclos. Determinou-se os parâmetros da instalação, o que permitiu dimensionar os equipamentos da mesma como os grupos compressores, Evaporadores, Condensadores Evaporativos, Separadores de Líquido e de Óleo, Arrefecedores intermédios, Bombas Circuladores, entre outros. Além do mais, estudou-se o impacto ambiental das soluções, com o cálculo das emissões de CO2, abordando as medidas de segurança e deteção de fugas a adotar. Por fim, realizou-se uma análise energética, onde se determinou a eficiência energética, efeito frigorífico e COP de ambos os sistemas, seguida de uma análise financeira, estimando custos de investimento inicial. Em relação à eficiência energética, verificou-se que o sistema da opção nº1 atinge um valor de 2,07, sendo que a opção nº2 apresenta um valor de 2,05. No que respeita aos consumos energéticos, constatou-se que a opção nº1 consome cerca de 1 472 599,8 kWh, ao passo que a opção nº2 gasta apenas 908 236,8 kWh. Relativamente aos custos da instalação, o sistema da opção nº1 exige um investimento inicial de 1 044 007,43 euros, sendo mais dispendioso cerca de 10,4%, em comparação com a opção nº2, que somente requer um investimento de 935 131,19 euros.
- Otimização de uma instalação frigorífica a NH3 / CO2, para a indústria alimentarPublication . Barroso, Gonçalo Velhinho; Garcia, João Nuno Pinto MirandaA refrigeração tem uma função crucial a nível mundial, sem ela a segurança alimentar ficaria comprometida. No entanto com os desafios ambientais e com os novos regulamentos, os sistemas tradicionais que utilizam fluidos com elevado potencial de aquecimento global (GWP) e com impacto na camada de ozono (ODP) tornam-se cada vez mais obsoletos. Nesse contexto, a utilização de fluidos frigorigéneos que não apresentem esses problemas, tais como o amoníaco e o dióxido de carbono, pode aparecer como uma solução mais sustentável e eficiente. Este trabalho teve como objetivo desenvolver uma proposta de otimização de uma instalação frigorífica já existente, passando de um fluido fluorado, R404A, para fluidos naturais, mais especificamente o dióxido de carbono (R744) e o amoníaco (R717), com o objetivo de melhorar a eficiência energética e reduzir os impactos ambientais. A proposta de otimização consistiu na centralização dos sistemas de refrigeração, que anteriormente eram independentes e integrando-os num sistema em cascata, com o fluido R744 na baixa temperatura, e o R717 na alta temperatura, utilizando os pontos positivos de cada fluido, para tentar maximizar o desempenho energético. Realizou-se o dimensionamento da instalação com os novos fluidos naturais. Os resultados demonstram ganhos expressivos: a potência elétrica absorvida foi reduzida em 35,2%, enquanto o COP registou um aumento de 2,11 para 3,26, correspondendo a uma melhoria de 54,4%. No âmbito ambiental, foi registada uma redução de 39,5% nas emissões anuais de CO₂ e uma diminuição de 40,5% no Índice de TEWI, o que corresponde a uma redução de 4,3 milhões de kgCO₂ ao longo da vida útil. Em termos económicos, os custos anuais de eletricidade baixaram cerca de 39,6%, resultando numa poupança na vida útil da instalação superior a 370 mil euros. O presente trabalho visou reforçar a viabilidade técnica e ambiental da transição para fluidos naturais em instalações industriais e propôs medidas futuras como a integração de fontes de energia renovável, bem como a aplicação de sistemas de controlo avançado, de modo a reforçar mais a eficiência global e o impacto ambiental.
- Desenvolvimento de programa para simulação de sistema integrado de energias renováveis para a produção e conservação de queijoPublication . Teixeira, Tiago Miguel Martins; Monteiro, Joaquim José RodriguesA presente dissertação consiste na elaboração de um programa de simulação destinado a efetuar a gestão energética de uma unidade de produção de queijo, integrando fontes de energia renovável, de modo a permitir a análise da sua viabilidade técnico-económica e, posteriormente, fundamentar a sua futura implementação prática. Para o desenvolvimento deste programa de simulação, estabeleceu-se como caso de estudo um protótipo de unidade queijeira, implementado no âmbito do projeto CASEUS e situada no Instituto Politécnico de Beja. Este protótipo integra painéis fotovoltaicos, coletores solares, uma turbina eólica e uma caldeira de pellets, permitindo colmatar os consumos energéticos associados à produção de queijo, através da energia obtida a partir de fontes renováveis. Foram realizados três ensaios diferentes, com o objetivo de permitir avaliar a viabilidade da solução proposta sob diferentes condições atmosféricas ao longo do ano e em várias regiões de Portugal. Os resultados obtidos através da aplicação informática elaborada foram posteriormente comparados com os resultados obtidos no protótipo da unidade queijeira e com os dados de indústrias queijeiras tradicionais, demonstrando melhorias económicas e ambientais da unidade em estudo. No primeiro ensaio registou-se um lucro de 0,0071 €/kgqueijo e umas emissões de 0,0188 kg CO2e/kgqueijo. Nos segundo e terceiro ensaios, obteve-se, respetivamente, um lucro de 0,0190 €/kgqueijo e um custo de 0,0551 €/kgqueijo, enquanto as emissões de CO2 situaram-se em 0,0109 e 0,0414 kg CO2e/kgqueijo, considerando um período semanal. Da comparação entre os resultados da ferramenta informática e os dados experimentais retirados do protótipo, evidenciou-se uma elevada fiabilidade do modelo, apresentando um erro de apenas 2,3% relativamente à quantidade de energia proveniente de fontes renováveis.
- Implementação do processo manutenção centrada na fiabilidade no setor ferroviárioPublication . Silva, João Pedro Marques; Sobral, José Augusto da SilvaAo longo da evolução do contexto industrial, tem sido notória a crescente exigência relativamente ao produto final, obrigando as empresas a garantir uma elevada qualidade, mesmo produzindo em larga escala e de forma automatizada. Paralelamente, a crescente exigência no que respeita à prestação de serviços e execução de manutenção, tornou a fiabilidade, a disponibilidade e a durabilidade dos ativos, fatores determinantes para a competitividade das organizações. A atual complexidade e modernização dos equipamentos, conduz à necessidade de conhecimento profundo dos mesmos e dos processos em que estão inseridos. Assim, a manutenção revelou-se uma das áreas com mais impacto e relevo no que diz respeito à indústria uma vez que a mesma luta pela otimização qualitativa e quantitativa das atividades de uma empresa, tanto ao nível técnico, como económico. A manutenção torna-se essencial visto ser uma das principais áreas responsáveis por gerar riqueza dentro de uma organização. A presente dissertação tem como objetivo a aplicação do processo RCM2 (Reliability Centred Maintenance – “Manutenção Centrada na Fiabilidade”) ao sistema de Produção e Tratamento de Ar comprimido (PTA) pertencente às unidades duplas diesel da série 0450 da frota da CP – Comboios de Portugal. A implementação do processo referido, visa à otimização dos planos de manutenção para as referidas unidades motoras, no seu contexto operacional. Trata de analisar quais as funções, falhas funcionais, modos de falha e seus efeitos de falha inerentes ao sistema estudado. O processo RCM, permite ainda classificar cada modo de falha de acordo com a sua consequência, seja ela, evidente ou oculta, com consequências ao nível ambiental, segurança, operacional ou não operacional, permitindo uma tomada de decisão sobre a melhor estratégia, com uma periodicidade de intervenção ajustada. O estudo RCM2, desenvolve uma base de dados, que garante a passagem de conhecimento transversal do sistema acima indicado, que futuramente, resultará na otimização dos planos/atividades de manutenção, na melhoria da manutibilidade e acréscimo da fiabilidade da série de material circulante e da disponibilidade, garantindo a prestação de um serviço seguro e de qualidade.
- Modelação e análise de dispositivos de proteção personalizadosPublication . Gonçalves, Ana Sofia Alberto; Loja, Maria Amélia Ramos; Barbosa, Inês de Carvalho JerónimoO trabalho desenvolvido sobre a modelação e análise de dispositivos de proteção pessoal teve como principal objetivo a construção de modelos a partir das dimensões do próprio utilizador, tendo como base técnicas de engenharia inversa e considerando a sua eventual produção por manufatura aditiva. Desse modo, o primeiro passo consistiu no desenvolvimento do modelo tridimensional da cabeça do utilizador através dos resultados de uma tomografia computorizada. Os programas InVesalius e 3D Slicer permitiram a leitura destes ficheiros e a reconstrução da respetiva nuvem de pontos. Importando estes resultados para o software Meshlab, realizou-se a limpeza da nuvem e a reconstrução das superfícies. Após uma análise comparativa dos resultados obtidos, concluiu-se que o modelo da cabeça com melhor qualidade superficial foi obtido através do InVesalius. Recorrendo ao software SolidWorks, desenvolveram-se dois dispositivos a partir da superfície reconstruída: um capacete e uma máscara de proteção. Para iniciar a análise e verificação destes modelos, foi necessário assumir a aplicação do capacete no ciclismo e o uso da máscara por jogadores de futebol que sofreram lesões faciais. Mais especificamente, realizaram-se análises dinâmicas não-lineares que permitiram simular o impacto destes dispositivos com objetos externos. A avaliação do desempenho de proteção destes equipamentos teve como foco as tensões verificadas no modelo da cabeça do utilizador. Em particular, definiu-se o valor limite de 10 kPa, identificado no estudo de Cao et al. (2024), a partir do qual podem ocorrer lesões cerebrais para o utilizador. Adicionalmente, estes estudos incluíram simulações com diferentes materiais e dimensões nos modelos. As análises comparativas dos resultados obtidos para as diferentes simulações permitiram identificar os modelos do capacete e da máscara que fornecem o melhor desempenho de proteção ao utilizador.