ISEP - DM – Engenharia Mecânica
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- EcoGrip: Developing sustainable gripper solutions for collaborative roboticsPublication . SOUSA, BRUNO MIGUEL PINTO DE; Campilho, Raul Duarte Salgueiral Gomes; Barbosa, Flávia VieiraWith the intensification of competition across industries, companies are increasingly adopting strategies to secure a competitive advantage. One such approach is the growing integration of robots into factories to optimize operations and enhance efficiency. However, this shift also results in workforce reductions. For that reason, organizations and policy makers are increasingly tasked with balancing technological advancement and the preservation of employment opportunities. This practice has led to the adoption of collaborative robots, and the development of robotic grippers for collaborative applications which are designed with safety in mind. On the other hand, a completely different topic that influences gripper design is the European Union’s Ecodesign for Sustainable Products Regulation. This regulation aims to reduce the environmental impact of products during the entirety of its lifecycle. Together, the need to enhance gripper safety for collaborative operations and the imperative to reduce their environmental impact have resulted in the demand for a new approach to the gripper development process. With this goal in mind, the objective of this dissertation is to create a methodology for the development of a collaborative robotic gripper that integrates Ecodesign principles to be employed in a practical use case. This use case proposes the creation of a vacuum based collaborative robotic gripper with four suction cups, capable of handling boxes of up to 10 kg with both 150 and 550 mm edge size. To have this capability, the gripper must be adjustable in the X-axis. In regard to weight, the gripper should weigh less than 1.5 kg and be fabricated using acrylonitrile styrene acrylate or polylactic acid. An important design characteristic was that access to the internal components of the gripper should be simple. Through the study of peer-reviewed scientific papers and also an analysis of existing gripper engineering solutions, the new methodological approach for gripper development was formulated. It encompasses six phases: Product planning, Product concept, Product architecture, Product detail, Product Prototyping, and Product testing and improvement. During the course of this work, a model is conceptualized that responds to the use case, safety, and Ecodesign requirements. The developed design is validated through numerical simulations. After validation, a physical prototype is fabricated and tested using additive manufacturing to assess its functionality and performance. The results of these tests also resulted in the creation of an improved prototype. The developed prototype was validated as a proof-of-concept, which demonstrated that Ecodesign requirements could be fully integrated into the gripper development process without compromising functionality or safety.
- Projeto mecânico de equipamentos alimentares modularesPublication . MORAIS, SIMÃO PEDRO DIAS; Campilho, Raul Duarte Salgueiral GomesA indústria alimentar tem apresentado uma crescente utilização de sistemas automatizados, principalmente em processos produtivos que exijam uma elevada repetibilidade, por forma a diminuir a presença humana nos processos. Esta mudança resultou num aumento da produtividade e numa diminuição da probabilidade de erro. Mais recentemente, a implementação e procura de soluções autónomas para a confeção de refeições aumentou, pelo que se registou o aparecimento de novos equipamentos capazes de realizar diferentes tipos de confeção sem auxílio humano. No entanto, as soluções existentes apresentam grandes dimensões, o que dificulta a sua implementação, e pouca capacidade de adaptação a diferentes confeções. É neste contexto que se insere o tema da presente dissertação, que tem como objetivo principal o projeto de um equipamento modular para a indústria alimentar, capaz de confecionar de forma autónoma diferentes tipos de confeção. Assim, é pretendido desenvolver um equipamento flexível e com dimensões reduzidas através da modularidade do mesmo. Além disso, pretende-se desenvolver este equipamento de raiz, com vista a validar o conceito pretendido para o mesmo. Desta forma, decidiu-se atribuir a confeção de alimentos fritos a este equipamento. Para o desenvolvimento deste equipamento seguiu-se a metodologia Design Science Research. O equipamento projetado satisfaz os requisitos definidos, designadamente capacidade de confeção autónoma e flexibilidade para diferentes confeções. Destacam-se as dimensões reduzidas que favorecem a implementação do equipamento em espaços reduzidos. Além disso, todos os módulos são unidos de forma simples e rápida, facilitando a montagem e reconfiguração do mesmo.
- Estudo do impacto da ação do vento sobre painéis fotovoltaicosPublication . MONTEIRO, JOSÉ PEDRO RODRIGUES; Santos, Adriano Manuel de Almeida; Silva, António Ferreira daA presente dissertação desenvolve um estudo sobre o impacto da ação do vento em painéis solares. Tendo em conta o crescimento acelerado do aproveitamento da energia solar e a necessidade de garantir a segurança estrutural das instalações fotovoltaicas, o trabalho procura avaliar, de forma detalhada, as forças aerodinâmicas resultantes do escoamento atmosférico sobre painéis. A metodologia assenta na aplicação de técnicas de simulação numérica com recurso à Dinâmica dos Fluidos Computacional, utilizando o software ANSYS Fluent para analisar o comportamento do vento na interação com estruturas. Foram realizados modelos em duas e três dimensões, considerando diferentes direções e velocidades de vento, e procedeu-se à comparação dos resultados obtidos com os valores recomendados pelas normas técnicas vigentes. A análise centrou-se na determinação dos campos de pressão e velocidade, na identificação de zonas críticas de recirculação e na quantificação das forças atuantes sobre os painéis. Os resultados obtidos revelaram uma forte dependência da força do vento relativamente à inclinação do painel e à direção do escoamento, bem como a relevância dos efeitos tridimensionais na distribuição das pressões. Verificou-se uma boa concordância com os princípios teóricos da aerodinâmica, validando a aplicação da simulação Computational Fluid Dynamics (CFD) como ferramenta de apoio ao dimensionamento estrutural. Apesar das limitações associadas à simplificação dos modelos e aos recursos computacionais disponíveis, a investigação apresenta-se como um contributo sólido para o estudo da interação vento-estrutura em sistemas fotovoltaicos.
- Desenvolvimento de um sistema de aprendizagem em automação industrialPublication . AZEVEDO, INÊS SILVA; Pereira, Filipe Alexandre de Sousa; Santos, Adriano Manuel de AlmeidaAs aplicações de automação na educação facilitam o processo de aprendizagem em diversos setores, desempenhando um papel crucial na formação de profissionais da área. Este projeto consistiu no desenvolvimento e implementação de uma bancada didática em automação, integrada com múltiplas tecnologias da Indústria 4.0 num único sistema modular e acessível, ainda pouco explorado em soluções comerciais e académicas, com o objetivo de apoiar o ensino e a aprendizagem. O sistema foi desenvolvido para colmatar lacunas identificadas noutros sistemas de aprendizagem, tanto comerciais como de instituições de ensino. A sua avaliação foi realizada através de exercícios práticos e inquéritos a utilizadores. Os resultados demonstram que a bancada constitui uma ferramenta eficaz para o ensino em automação industrial, adequada para apoiar utilizadores iniciantes e, simultaneamente, motivadora para utilizadores mais experientes. Assim, o trabalho evidencia que a solução desenvolvida destaca-se como uma alternativa mais completa e acessível, capaz de ampliar as oportunidades de ensino em automação industrial.
- Otimização dos parâmetros de impressão 3D e caracterização da liga 1.2709 pelo processo de Selective Laser MeltingPublication . ISIDRO, EDUARDO NUNO TEIXEIRA; Campilho, Raul Duarte Salgueiral Gomes; Resende, Pedro Miguel RebeloO fabrico aditivo de metais tem ganho uma grande relevância nas últimas duas décadas, pela capacidade de produzir peças complexas e otimizadas, com menor desperdício de material e elevada liberdade geométrica, que seriam difíceis ou até mesmo impossíveis de obter por processos convencionais. Entre as várias tecnologias existentes dentro do fabrico aditivo, o selective laser melting consolidou-se como uma das tecnologias mais promissoras, na medida em que permite a produção de ligas de alto desempenho, como o aço maraging 1.2709, com elevada densidade e propriedades mecânicas competitivas. Esta tecnologia utiliza um feixe de laser de elevada potência para fundir camadas de pó metálico, previamente espalhadas sobre a plataforma de construção. Contudo, é reconhecido que pequenas variações nestes parâmetros podem ter impacto significativo no desempenho final do material, o que justifica a necessidade de trabalhos experimentais que explorem e otimizem estas condições. Apesar das vantagens, o fabrico por selective laser melting (SLM) introduz desafios específicos. De referir a solidificação rápida e os gradientes térmicos elevados, que originam microestruturas com presença de austenite retida, porosidade e anisotropias dependentes da orientação de construção, bem como a rugosidade superficial elevada, característica intrínseca do processo que pode afetar negativamente o seu desempenho, nomeadamente em fadiga. Neste contexto, a presente dissertação teve como objetivo estudar a influência dos parâmetros de impressão, nomeadamente a energia volumétrica e a estratégia de varrimento (chessboard e stripes), bem como do tratamento térmico de envelhecimento, nas propriedades finais do aço maraging 1.2709 produzido por SLM. Para tal, foram fabricados provetes cúbicos e de tração, que foram submetidos a ensaios de massa volúmica, rugosidade, dureza Vickers e tração, tanto no estado como impresso como após envelhecimento. A metodologia seguiu normas internacionais de ensaio e recorreu a uma matriz experimental que permitiu avaliar de forma comparativa diferentes combinações de parâmetros de processo. Os resultados mostraram que energias elevadas conduzem a provetes densificados (99,5%) e com boas propriedades mecânicas, enquanto energias reduzidas originam porosidade elevada e degradação significativa do desempenho. A dureza aumentou de 350-380 HV no estado como impresso para 540-580 HV após envelhecimento, confirmando o endurecimento por precipitação. Nos ensaios de tração, registou-se um aumento da resistência última de 1014 MPa para 1923 MPa após envelhecimento, acompanhado de uma redução da deformação na rotura de 8% para 2%. Em conclusão, este estudo demonstrou que a combinação de parâmetros de fabrico adequados e tratamento de envelhecimento permite produzir aço maraging 1.2709 por SLM com propriedades equivalentes às obtidas por meios convencionais. Estes resultados reforçam o potencial desta tecnologia para aplicações estruturais de elevado desempenho e fornecem dados experimentais úteis para futuros trabalhos.
- Estudo da combustão num motor de combustão internaPublication . MONTEIRO, SIMÃO PEDRO COSTA; Ribeiro, Leonardo Jose da SilvaO mundo hodierno enfrenta desafios urgentes, entre os quais se destaca a dependência energética associada a elevadas emissões poluentes. O setor dos transportes, particularmente resistente à transição energética, é um dos mais críticos. Neste contexto, este trabalho investiga o uso de misturas de combustível com diferentes proporções, em volume, de metano e hidrogénio em motores que operam segundo os ciclos teóricos de Otto e Atkinson. Foram analisadas as emissões de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e monóxido de azoto (NO) em função de diferentes razões de compressão (Otto) e de expansão (Atkinson), considerando variações na composição do combustível e na quantidade de ar admitida. A modelação teórica baseou-se no cálculo do equilíbrio químico via folha de cálculo em Excel, para compreensão do processo de combustão, complementada por simulações de cinética química realizadas através de uma rotina de cálculo escrita em linguagem Python, permitindo acompanhar a formação e destruição de poluentes durante a expansão. A formação de NO foi estimada pelo método de Zeldovich. Os resultados indicam que temperaturas e pressões mais baixas reduzem as emissões. Combustíveis com menor poder calorífico produzem menos poluentes. Maior teor de metano aumenta as concentrações de CO, CO2 e NO, devido ao incremento energético e disponibilidade do carbono para reação. O aumento de ar admitido reduz a temperatura e a formação de CO em detrimento do CO2. Com a diminuição da quantidade de ar verifica-se o inverso. Elevadas quantidades de ar promovem menor temperatura e conseguinte menor formação de NO após a combustão, mas no fim da expansão, devido à maior presença de oxigénio, são as misturas com maior excesso de ar que apresentam maior concentração de NO. As razões de compressão e expansão influenciam apenas as concentrações na medida em que afetam o volume da câmara de combustão, sem alterar as quantidades molares totais.
- Desenvolvimento de um kit formativo para a aprendizagem de robótica colaborativaPublication . PINTO, MARGARIDA SOFIA DE SOUSA; Santos, Adriano Manuel de Almeida; Pereira, Filipe Alexandre de SousaA robótica colaborativa tem vindo a assumir um papel de destaque no panorama industrial, ao permitir a interação segura entre humanos e robôs em estações de trabalho partilhadas. Esta evolução tecnológica, alinhada com os princípios das Indústrias 4.0 e 5.0, exige profissionais que apresentem competências técnicas e pessoais adequadas às necessidades atuais. Para responder a este desafio, torna-se essencial desenvolver ferramentas didáticas que aproximem o ensino académico da realidade industrial. O objetivo desta dissertação consistiu na conceção, implementação e validação de uma bancada didática baseada no robô colaborativo UR3e, orientada para o ensino de robótica colaborativa, em contexto académico. A metodologia aplicada integrou a revisão bibliográfica, a definição dos fundamentos teóricos, a modelação e construção da estrutura, a integração dos equipamentos, o desenvolvimento de exercícios com níveis de dificuldade progressivos e a elaboração de material de apoio. A discussão dos resultados evidenciou que a qualidade das instruções fornecidas, a modularidade da bancada e a progressividade do nível de dificuldade dos exercícios constituem fatores determinantes para a eficácia pedagógica da solução proposta. A validação experimental com estudantes e docentes confirmou a utilidade da bancada e evidenciou benefícios no desenvolvimento de competências técnicas, nomeadamente na consolidação de conhecimentos de programação e automação. No domínio das competências pessoais, verificou-se um contributo significativo no reforço da autonomia, da confiança e da capacidade de resolução de problemas. Os resultados obtidos permitem concluir que a bancada didática desenvolvida representa uma estrutura funcional, replicável e alinhada com as exigências das Indústrias 4.0 e 5.0. Apesar da ausência de acesso remoto e da integração restrita de tecnologias complementares, a bancada permitiu reforçar a ligação entre a prática laboratorial e a realidade industrial. Deste modo, a dissertação constitui uma base sólida para evoluções futuras e contribui significativamente para a inovação pedagógica no ensino de robótica colaborativa.
- Processos de internacionalização das PME da região Norte de PortugalPublication . SOUSA, JOSÉ LUÍS VIANA SEIXAS DE; Araújo, Susana Cláudia Nicola deA internacionalização das PME portuguesas assume uma importância crescente para o seu desenvolvimento sustentável, uma vez que o mercado nacional, por vezes, se revela insuficiente para garantir a sua viabilidade a longo prazo. Estas empresas têm vindo a consolidar o seu papel na economia nacional, representando uma fatia significativa do tecido empresarial e contribuindo de forma decisiva para a criação de emprego e o crescimento económico. Este estudo teve como objetivo identificar as principais dificuldades enfrentadas pelas PME portuguesas no processo de exportação de produtos e serviços, bem como analisar as estratégias utilizadas para ultrapassar esses desafios. A exportação foi o modo de internacionalização central considerado, dado tratar-se da abordagem mais comum entre este tipo de empresas. A investigação adotou uma metodologia qualitativa e exploratória, com base em entrevistas semiestruturadas realizadas a três PME do distrito de Viana do Castelo. Procurou-se compreender os modos de atuação destas empresas no mercado externo e os obstáculos que enfrentam. Os resultados evidenciam que, apesar da existência de diversas barreiras à internacionalização, estas não se revelam impeditivas. As PME demonstraram resiliência e capacidade de adaptação, recorrendo a soluções que lhes permitem manter e expandir a sua presença nos mercados internacionais.
- Ferramentas da melhoria contínua e o impacto na eficiência operacionalPublication . NEVES, JOSÉ EMANUEL BRANDÃO CORREIA DAS; Pires, António ManuelA presente dissertação analisa a aplicação de ferramentas de melhoria contínua e o seu impacto na eficiência operacional em contextos industriais. Numa conjuntura de elevada competitividade e constante necessidade de adaptação, ferramentas como o PDCA, Six Sigma, Lean, Kaizen e 5S assumem um papel central na otimização de processos e na promoção de uma cultura de excelência. A metodologia adotada combina revisão bibliográfica, análise de casos de estudo reais e a realização de três estudos de casos práticos, implementados em ambiente industrial. Os resultados evidenciam reduções significativas em tempos de ciclo, retrabalho e desperdícios, bem como melhorias na organização do trabalho e na motivação das equipas. A dissertação destaca os fatores críticos de sucesso, como o envolvimento das equipas, a liderança ativa e o acompanhamento de indicadores, mas também os principais obstáculos enfrentados, como a resistência à mudança e a necessidade de formação contínua. A componente prática permitiu validar a eficácia das ferramentas estudadas e adaptá-las às particularidades da organização analisada. Conclui-se que, quando bem implementadas, estas metodologias contribuem decisivamente para o aumento da produtividade, da qualidade e da capacidade de resposta das empresas.
- Projeto e fabrico de um túnel de vento de circuito aberto em escala reduzidaPublication . SILVA, JOÃO AFONSO OLIVEIRA; Areal, Pedro Miguel Rosas de Almeida; Silva, Andresa Baptista daNo presente trabalho foi concretizado a conceção, projeto e fabrico de um túnel de vento subsónico de circuito aberto em escala reduzida com o objetivo de criar uma ferramenta acessível para estudos didáticos nos cursos do departamento de engenharia mecânica do ISEP. O túnel de vento foi dimensionado com base na literatura apresentada, visando garantir um escoamento estável e uniforme. Tomou-se como base a secção de teste, tendo sido definida uma secção de entrada de 200x200 mm, comprimento de 500 mm e uma secção de saída de 203x203 mm. Aplicando uma razão de contração de 6:1 obteve-se uma secção de entrada da contração de 490x490 mm e um comprimento de cerca de 613 mm aplicando um fator de 1,25 vezes o diâmetro hidráulico da secção de entrada. Relativamente ao difusor foi selecionada uma razão de expansão de 1:2,5 e ângulo de expansão de 4°, resultando numa secção de saída de 321x321 mm e comprimento de 844 mm. Com os meios disponíveis, foram selecionados materiais possíveis de operar manualmente, com exceção da etapa de corte de materiais para a contração através de uma máquina fresadora CNC. Utilizou-se PVC, madeira, placas de poliuretano, espuma expansiva, manta de fibra de vidro e juta para a construção da contração, tendo esta demorado cerca de um mês para ser finalizada. A estrutura do favo de abelha foi construída a partir de um aro com ripas de madeira e tubos de PVC com 16 mm de diâmetro interior e 2 mm de espessura. Selecionou-se uma razão entre 𝐿ℎ e 𝐷ℎ de 7,5, resultando num comprimento de 120 mm. Para a câmara de estabilização, utilizou-se placas de madeira contraplacada e ripas de madeira. A seleção da rede teve em conta a razão de área aberta recomendada na literatura. Para construir a secção de teste selecionou-se o ABS e recorreu-se a uma impressora 3D, tendo sido necessário dividir a secção de teste em quatro partes devido às dimensões da impressora. Cada base demorou cerca de 16 horas e cada tampa cerca de 7 horas. Posteriormente foram acopladas e coladas placas de policarbonato, permitindo a visualização para o interior da secção de teste. Para o difusor utilizou-se madeira contraplacada e ripas de madeira. A seleção do ventilador MV 30 teve em consideração o caudal necessário para a velocidade de escoamento inicialmente estipulada de 20 m/s, no entanto devido a questões burocráticas o mesmo apenas foi entregue na última semana da submissão da dissertação. Assim sendo, foi utilizado um ventilador de um radiador de um automóvel, um manómetro de pressão diferencial digital e um tubo de Pitot estático para a realização de cinquenta medições da pressão dinâmica e da velocidade do escoamento ao longo da secção de teste, tendo-se verificado que o escoamento permanece estável e uniforme, apresentando variações de velocidade entre 0,1 e 0,3 m/s e uma velocidade média de 13,6 m/s. Medições realizadas entre a entrada e a saída da secção de teste com o ventilador MV 30 devolveram variações de velocidade idênticas e uma velocidade média de cerca de 18 m/s. Com os resultados obtidos constatou-se que o túnel de vento se revela adequado para fins educativos e para o teste de corpos em pequena escala, contribuindo como uma base prática para conciliar com a teoria abordada durante as aulas, assim como para investigar e desenvolver melhorias em objetos de estudo.