Mechanical and tribological characterization of TiB2 thin films

Titanium Diboride (TiB2) presents high mechanical and physical properties. Some wear studies were also carried out in order to evaluate its tribological properties. One of the most popular wear tests for thin films is the ball-cratering configuration. This work was focused on the study of the tribological properties of TiB2 thin films using micro-abrasion tests and following the BS EN 1071-6: 2007 standard. Due to high hardness usually patented by these films, diamond was selected as abrasive on micro-abrasion tests. Micro-abrasion wear tests were performed under five different durations, using the same normal load, speed rotation and ball. Films were deposited by unbalanced magnetron sputtering Physical Vapour Deposition (PVD) technique using TiB2 targets. TiB2 films were characterized using different methods as Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), Atomic Force Microscopy (AFM), X-ray Diffraction (XRD), Electron Probe Micro-Analyser (EPMA), Ultra Micro Hardness and Scratch-test Analysis, allowing to confirm that TiB2 presents adequate mechanical and physical properties. Ratio between hardness (coating and abrasive particles), wear resistance and wear coefficient were studied, showing that TiB2 films shows excellent properties for tribological applications.

Novos processos e produtos para o couro de base vegetal

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Sistema de auto calibração visual para robots do ISePorto, baseado em EKF

Os sistemas de perceção existentes nos robôs autónomos, hoje em dia, são bastante complexos. A informação dos vários sensores, existentes em diferentes partes do robôs, necessitam de estar relacionados entre si face ao referencial do robô ou do mundo. Para isso, o conhecimento da atitude (posição e rotação) entre os referenciais dos sensores e o referencial do robô é um fator critico para o desempenho do mesmo. O processo de calibração dessas posições e translações é chamado calibração dos parâmetros extrínsecos. Esta dissertação propõe o desenvolvimento de um método de calibração autónomo para robôs como câmaras direcionais, como é o caso dos robôs da equipa ISePorto. A solução proposta consiste na aquisição de dados da visão, giroscópio e odometria durante uma manobra efetuada pelo robô em torno de um alvo com um padrão conhecido. Esta informação é então processada em conjunto através de um Extended Kalman Filter (EKF) onde são estimados necessários para relacionar os sensores existentes no robô em relação ao referencial do mesmo. Esta solução foi avaliada com recurso a vários testes e os resultados obtidos foram bastante similares aos obtidos pelo método manual, anteriormente utilizado, com um aumento significativo em rapidez e consistência.

Adherend thickness effect on the tensile fracture toughness of a structural adhesive using an optical data acquisition method

Adhesive bonding is nowadays a serious candidate to replace methods such as fastening or riveting, because of attractive mechanical properties. As a result, adhesives are being increasingly used in industries such as the automotive, aerospace and construction. Thus, it is highly important to predict the strength of bonded joints to assess the feasibility of joining during the fabrication process of components (e.g. due to complex geometries) or for repairing purposes. This work studies the tensile behaviour of adhesive joints between aluminium adherends considering different values of adherend thickness (h) and the double-cantilever beam (DCB) test. The experimental work consists of the definition of the tensile fracture toughness (GIC) for the different joint configurations. A conventional fracture characterization method was used, together with a J-integral approach, that take into account the plasticity effects occurring in the adhesive layer. An optical measurement method is used for the evaluation of crack tip opening and adherends rotation at the crack tip during the test, supported by a Matlab® sub-routine for the automated extraction of these quantities. As output of this work, a comparative evaluation between bonded systems with different values of adherend thickness is carried out and complete fracture data is provided in tension for the subsequent strength prediction of joints with identical conditions.

Utilização de métodos ópticos de correlação de imagem para a determinação da tenacidade à fractura de adesivos estruturais

Mestrado em Engenharia Mecânica

Efeitos imediatos da MWM na dor, amplitude de movimento e funcionalidade, na osteoartrite da anca.

Introdução: A mobilização com movimento (MWM), segundo o Conceito Mulligan tem apresentado bons resultados na melhoria da dor, amplitude de movimento e funcionalidade em diversas disfunções. No entanto, existem poucos estudos sobre a articulação da anca e, até este momento, não foi avaliada a sua efetividade em indivíduos com osteoartrite da anca. Objectivo(s): Avaliar os efeitos imediatos da técnica de MWM na dor, na amplitude de movimento e na função física em indivíduos com osteoartrite da anca. Métodos: Foram incluídos 40 participantes com osteoartrite da anca, divididas de forma aleatória em dois grupos (experimental e placebo). Foram avaliadas as amplitudes de movimento de flexão e rotação medial da anca recorrendo ao goniómetro universal, a intensidade da dor através da Escala Numérica da Dor e a funcionalidade através de testes de função física, antes e imediatamente após a intervenção. Para o tratamento estatístico, foi utilizado um nível de significância de 0,05. Resultados: A aplicação de MWM resultou em diferenças significativas, com redução da dor na Escala Numérica da Dor (p=0,005), um aumento de amplitude de movimento de flexão (p=0,001) e de rotação medial (p=0,011), uma diminuição nos tempos dos testes de função física, o teste Timed “Up and Go” (p=0,037) e o teste “40m Self Placed Walk” (p=0,019), e um aumento nas repetições do teste ―30 seg Sit to Stand” (p=0,009), comparativamente ao grupo placebo. Conclusão: Os resultados sugerem que a técnica MWM parece produzir um efeito imediato significativo na diminuição da dor, aumento de amplitude articular e melhoria da função física em indivíduos com osteoartrite da anca. Este efeito foi maior para dor, para as amplitudes de movimento e para o teste de função física - ―30 seg Sit to Stand” quando se analisou a magnitude do efeito.

Efeitos Imediatos da Mobilização com Movimento na Rotação Medial da Gleno-umeral em Jogadores de Andebol

Introdução: No andebol, o ombro é elevado numa amplitude superior a 90º e move-se com elevada velocidade de execução o que pode originar deslocação anterior da cabeça do úmero e diminuição da rotação medial. A técnica MWM pode ser uma mais valia na correção da falha posicional e recuperação da amplitude de movimento de rotação medial da articulação gleno-umeral. Objetivo: Este estudo teve como objetivo verificar os efeitos imediatos da técnica de MWM na amplitude de movimento de rotação medial da articulação gleno-umeral em jogadores de andebol. Métodos: O presente estudo, duplamente cego, é do tipo experimental. Foram incluídos no estudo 30 indivíduos do sexo masculino, jogadores de andebol, distribuídos, aleatoriamente, em dois grupos de 15, experimental e controlo. Em ambos os grupos foi avaliada a amplitude de movimento da rotação medial da gleno-umeral, em dois momentos, pré e pós intervenção. O grupo experimental foi submetido à técnica de MWM no movimento de rotação medial da gleno-umeral no membro dominante. Ao grupo de controlo, foi solicitada a realização do movimento ativo de rotação medial no membro dominante, o fisioterapeuta manteve os mesmos contactos manuais mas não aplicou pressão na cabeça do úmero. Para a comparação entre os grupos experimental e controlo recorreu-se ao teste de Mann-Whitney e para analisar diferenças entre os dois momentos, para cada grupo, foi utilizado o teste de Wilcoxon. Resultados: Foram encontradas diferenças significativas no grupo experimental e controlo, contudo essa diferença foi superior no grupo experimental. Após a intervenção, o grupo experimental apresentou amplitudes de rotação medial da gleno-umeral significativamente mais elevadas às do grupo de controlo (U=0,50; p <0,001). Conclusão: A técnica de MWM para rotação medial produziu um aumento significativo na amplitude desse movimento.

Força Muscular Isocinética após Reconstrução do Ligamento Cruzado Anterior – Influência do Tipo de Enxerto (Osso-Tendão-Osso/Isquio-Tibiais)

Introdução: É reconhecida a importância do ligamento cruzado anterior (LCA) no funcionamento normal do joelho. Em caso de rotura ligamentar, nomeadamente em desportos com marcada solicitação dos movimentos de rotação do joelho, é justificada a necessidade de reconstrução do LCA na maioria dos casos. Objetivo (s): Avaliar a influência do tipo de enxerto na reconstrução do ligamento cruzado anterior na força muscular isocinética, assim como na funcionalidade e sintomas após 6 meses. Métodos: Estudo transversal analítico, constituído por 20 indivíduos voluntários do sexo masculino, que haviam sido submetidos a uma ligamentoplastia do cruzado anterior, pelo mesmo cirurgião, seguido de uma intervenção individualizada por um fisioterapeuta. Em 10 indivíduos, o procedimento cirúrgico foi realizado com enxerto do tendão rotuliano (grupo OTO), e nos restantes 10 com enxerto do semitendinoso e gracilis (grupo STG). Como forma de avaliar a Força Muscular Isocinética (Peak Torque, Trabalho Total Muscular, ratio Isquiotibiais/Quadricipite), foi utilizado o Dinamómetro Isocinético Biodex. A avaliação foi efectuada apenas aos 6 meses após o procedimento cirúrgico. Para observação da funcionalidade, amplitude de movimento e sintomas, utilizou-se o questionário International Knee Documentation Committee (IKDC). Resultados: Foi possível observar que entre os grupos apenas se observaram diferenças significativas no peak torque de extensão a 180º no membro não lesado (p=0,019). Contudo, foi observada uma tendência para o grupo OTO apresentar um maior défice no peak torque e trabalho total muscular em extensão. Comparativamente ao membro contra-lateral, o membro lesado apresentou valores significativamente inferiores na maioria das variáveis ( p < 0,05). Conclusão: Após 6 meses de pós-cirúrgico com reabilitação de fisioterapia, não foi possível apontar qual o enxerto que garante uma melhor recuperação da força muscular. Aos 6 meses, ambos os grupos ainda apresentaram limitações musculares, quando comparados com o lado contra-lateral. Relativamente ao rácio isquiotibiais/quadricípite, assim como no IKDC, não se observaram diferenças entre os dois tipos de enxertos.

Development of a system to monitor surfer’s balance and plantar pressure and surfboard’s movement

O uso da tecnologia tem crescido nas últimas décadas nas mais diversas áreas, seja na indústria ou no dia-a-dia, e é cada vez mais evidente os benefícios que traz. No desporto não é diferente. Cada dia surgem novos desenvolvimentos objetivando a melhoria do desempenho dos praticantes de atividades físicas, possibilitando atingir resultados nunca antes pensados. Além disto, a utilização da tecnologia no desporto permite a obtenção de dados biomecânicos que podem ser utilizados tanto no treinamento quando na melhoria da qualidade de vida dos atletas auxiliando na prevenção de lesões, por exemplo. Deste modo, o presente projeto se aplica na área do desporto, nomeadamente, na modalidade do surfe, onde a ausência de trabalhos científicos ainda é elevada, aliando a tecnologia eletrônica ao desporto para quantificar informações até então desconhecidas. Três fatores básicos de desempenho foram levantados, sendo eles: equilíbrio, posicionamento dos pés e movimentação da prancha de surfe. Estes fatores levaram ao desenvolvimento de um sistema capaz de medi-los dinamicamente através da medição das forças plantares e da rotação da prancha de surfe. Além da medição dos fatores, o sistema é capaz de armazenar os dados adquiridos localmente através de um cartão de memória, para posterior análise; e também enviá-los através de uma comunicação sem fio, permitindo a visualização do centro de pressões plantares; dos ângulos de rotação da prancha de surfe; e da ativação dos sensores; em tempo real. O dispositivo consiste em um sistema eletrônico embarcado composto por um microcontrolador ATMEGA1280; um circuito de aquisição e condicionamento de sinal analógico; uma central inercial; um módulo de comunicação sem fio RN131; e um conjunto de sensores de força Flexiforce. O firmware embarcado foi desenvolvido em linguagem C. O software Matlab foi utilizado para receção de dados e visualização em tempo real. Os testes realizados demostraram que o funcionamento do sistema atende aos requisitos propostos, fornecendo informação acerca do equilíbrio, através do centro de pressões; do posicionamento dos pés, através da distribuição das pressões plantares; e do movimento da prancha nos eixos pitch e roll, através da central inercial. O erro médio de medição de força verificado foi de -0.0012 ± 0.0064 N, enquanto a mínima distância alcançada na transmissão sem fios foi de 100 m. A potência medida do sistema foi de 330 mW.

Shoulder Kinematics Is Not Influenced by External Load During Elevation in the Scapular Plane

The current study aimed to compare the shoulder kinematics (3D scapular orientation, scapular angular displacement and scapulohumeral rhythm) of asymptomatic participants under unloaded and loaded conditions during unilateral shoulder elevation in the scapular plane. We used a repeated-measures design with a convenience sample. Eleven male participants with an age range of 21–28 years with no recent history of shoulder injury participated in the study. The participants performed isometric shoulder elevation from a neutral position to approximately 150 degrees of elevation in the scapular plane in intervals of approximately 30 degrees during unloaded and loaded conditions. Shoulder kinematic data were obtained with videogrammetry. During shoulder elevation, the scapula rotated upwardly and externally, and tilted posteriorly. The addition of an external load did not affect 3D scapular orientation, scapular angular displacement, or scapulohumeral rhythm throughout shoulder elevation (P > .05). In clinical practice, clinicians should expect to observe upward and external rotation and posterior tilt of the scapula during their assessments of shoulder elevation. Such behavior was not influenced by an external load normalized to 5% of body weight when performed in an asymptomatic population.

The influence of task design on upper limb muscles fatigue during low-load repetitive work: A systematic review

Ergonomic interventions such as increased scheduled breaks or job rotation have been proposed to reduce upper limb muscle fatigue in repetitive low-load work. This review was performed to summarize and analyze the studies investigating the effect of job rotation and work-rest schemes, as well as, work pace, cycle time and duty cycle, on upper limb muscle fatigue. The effects of these work organization factors on subjective fatigue or discomfort were also analyzed. This review was based on relevant articles published in PubMed, Scopus and Web of Science. The studies included in this review were performed in humans and assessed muscle fatigue in upper limbs. 14 articles were included in the systematic review. Few studies were performed in a real work environment and the most common methods used to assess muscle fatigue were surface electromyography (EMG). No consistent results were found related to the effects of job rotation on muscle activity and subjective measurements of fatigue. Rest breaks had some positive effects, particularly in perceived discomfort. The increase in work pace reveals a higher muscular load in specific muscles. The duration of experiments and characteristics of participants appear to be the factors that most have influenced the results. Future research should be focused on the improvement of the experimental protocols and instrumentation, in order to the outcomes represent adequately the actual working conditions. Relevance to industry: Introducing more physical workload variation in low-load repetitive work is considered an effective ergonomic intervention against muscle fatigue and musculoskeletal disorders in industry. Results will be useful to identify the need of future research, which will eventually lead to the adoption of best industrial work practices according to the workers capabilities.

Immediate effects of hip mobilization with movement in patients with hip osteoarthritis: A randomised controlled trial

Background Mobilization with movement (MWM) has been shown to reduce pain, increase range of motion (ROM) and physical function in a range of different musculoskeletal disorders. Despite this evidence, there is a lack of studies evaluating the effects of MWM for hip osteoarthritis (OA). Objectives To determine the immediate effects of MWM on pain, ROM and functional performance in patients with hip OA. Design Randomized controlled trial with immediate follow-up. Method Forty consenting patients (mean age 78 ± 6 years; 54% female) satisfied the eligibility criteria. All participants completed the study. Two forms of MWM techniques (n = 20) or a simulated MWM (sham) (n = 20) were applied. Primary outcomes: pain recorded by numerical rating scale (NRS). Secondary outcomes: hip flexion and internal rotation ROM, and physical performance (timed up and go, sit to stand, and 40 m self placed walk test) were assessed before and after the intervention. Results For the MWM group, pain decreased by 2 points on the NRS, hip flexion increased by 12.2°, internal rotation by 4.4°, and functional tests were also improved with clinically relevant effects following the MWM. There were no significant changes in the sham group for any outcome variable. Conclusions Pain, hip flexion ROM and physical performance immediately improved after the application of MWM in elderly patients suffering hip OA. The observed immediate changes were of clinical relevance. Future studies are required to determine the long-term effects of this intervention.

Adhesive thickness effects of a ductile adhesive by optical measurement techniques

Adhesive bonding is an excellent alternative to traditional joining techniques such as welding, mechanical fastening or riveting. However, there are many factors that have to be accounted for during joint design to accurately predict the joint strength. One of these is the adhesive layer thickness (tA). Most of the results are for epoxy structural adhesives, tailored to perform best with small values of tA, and these show that the lap joint strength decreases with increase of tA (the optimum joint strength is usually obtained with tA values between 0.1 and 0.2 mm). Recently, polyurethane adhesives were made available in the market, designed to perform with larger tA values, and whose fracture behaviour is still not studied. In this work, the effect of tA on the tensile fracture toughness (View the MathML source) of a bonded joint is studied, considering a novel high strength and ductile polyurethane adhesive for the automotive industry. This work consists on the fracture characterization of the bond by a conventional and the J-integral techniques, which accurately account for root rotation effects. An optical measurement method is used for the evaluation of crack tip opening (δn) and adherends rotation at the crack tip (θo) during the test, supported by a Matlab® sub-routine for the automated extraction of these parameters. As output of this work, fracture data is provided in traction for the selected adhesive, enabling the subsequent strength prediction of bonded joints.

Tensile fracture characterization of adhesive joints by standard and optical techniques

The use of adhesive joints has increased in recent decades due to its competitive features compared with traditional methods. This work aims to estimate the tensile critical strain energy release rate (GIC) of adhesive joints by the Double-Cantilever Beam (DCB) test. The J-integral is used since it enables obtaining the tensile Cohesive Zone Model (CZM) law. An optical measuring method was developed for assessing the crack tip opening (δn) and adherends rotation (θo). The proposed CZM laws were best approximated by a triangular shape for the brittle adhesive and a trapezoidal shape for the two ductile adhesives.

A simplified four-branch model for the analytical study of the out-of-plane performance of regular stone URM walls

During the last years, several studies have been made aiming to assess the out-of-plane seismic response of unreinforced stone masonry structures. This fact led to the development of a wide variety of models and approaches, ranging from simple kinematic based analytical models up to complex numerical simulations. Nevertheless, for the sake of simplicity, the out-of-plane seismic response of a masonry wall pier may be obtained by means of a simple single-degree-of-freedom system while still providing good results. In fact, despite the assumptions associated with such a simple formulation, it is also true that the epistemic uncertainty inherent with the selection of appropriate input parameters in more complex models may render them truly ineffective. In this framework, this paper focuses on the study of the out-of-plane bending of unreinforced stone masonry walls (cantilevers) by proposing a simplified analytical approach based on the construction of a linearized four-branch model, which is used to characterize the linear and nonlinear response of such structural elements through an overturning moment-rotation relationship. The formulation of the four-branch model is presented and described in detail and the meaningful parameters used for its construction are obtained from a set of experimental laboratory tests performed on six full-scale unreinforced regular sacco stone masonry specimens. Moreover, a parametric analysis aiming to evaluate the effect of these parameters’ variation on the final configuration of the model is presented and critically discussed. Finally, the results obtained from the application of the developed four-branch model on real unreinforced regular sacco stone masonry walls are thoroughly analysed and the main conclusions obtained from its application are summarized.