Innovative manufacturing process for hybrid pultruded products based on cork and polymeric pre-shapes

Pultruded products are being targeted by a growing demand due to its excellent mechanical properties and low chemical reactivity, ensuring a low level of maintenance operations and allowing an easier assembly operation process than equivalent steel bars. In order to improve the mechanical drawing process and solve some acoustic and thermal insulation problems, pultruded pipes of glass fibre reinforced plastics (GFRF) can be filled with special products that increase their performance regarding the issues previously referred. The great challenge of this work was drawing a new equipment able to produce pultruded pipes filled with cork or polymeric pre-shaped bars as a continuous process. The project was carried out successfully and the new equipment was built and integrated in the pultrusion equipment already existing, allowing to obtain news products with higher added-value in the market, covering some needs previously identified in the field of civil construction.

Mix design process of polyester polymer mortars modified with recycled GFRP waste materials

In this study, the effect of incorporation of recycled glass fibre reinforced plastics (GFRP) waste materials, obtained by means of shredding and milling processes, on mechanical behaviour of polyester polymer mortars (PM) was assessed. For this purpose, different contents of GFRP recyclates, between 4% up to 12% in weight, were incorporated into polyester PM materials as sand aggregates and filler replacements. The effect of the addition of a silane coupling agent to resin binder was also evaluated. Applied waste material was proceeding from the shredding of the leftovers resultant from the cutting and assembly processes of GFRP pultrusion profiles. Currently, these leftovers as well as non-conform products and scrap resulting from pultrusion manufacturing process are landfilled, with additional costs to producers and suppliers. Hence, besides the evident environmental benefits, a viable and feasible solution for these wastes would also conduct to significant economic advantages. Design of experiments and data treatment were accomplish by means of full factorial design approach and analysis of variance ANOVA. Experimental results were promising toward the recyclability of GFRP waste materials as partial replacement of aggregates and reinforcement for PM materials, with significant improvements on mechanical properties of resultant mortars with regards to waste-free formulations.

Finite Element Analysis (FEA) applied to heat transfer optimization process of pultrusion die systems

The aim of this study is to optimize the heat flow through the pultrusion die assembly system on the manufacturing process of a specific glass-fiber reinforced polymer (GFRP) pultrusion profile. The control of heat flow and its distribution through whole die assembly system is of vital importance in optimizing the actual GFRP pultrusion process. Through mathematical modeling of heating-die process, by means of Finite Element Analysis (FEA) program, an optimum heater selection, die position and temperature control was achieved. The thermal environment within the die was critically modeled relative not only to the applied heat sources, but also to the conductive and convective losses, as well as the thermal contribution arising from the exothermic reaction of resin matrix as it cures or polymerizes from the liquid to solid condition. Numerical simulation was validated with basis on thermographic measurements carried out on key points along the die during pultrusion process.

Saving energy in the GFRP pultrusion process

This study addresses to the optimization of pultrusion manufacturing process from the energy-consumption point of view. The die heating system of external platen heaters commonly used in the pultrusion machines is one of the components that contribute the most to the high consumption of energy of pultrusion process. Hence, instead of the conventional multi-planar heaters, a new internal die heating system that leads to minor heat losses is proposed. The effect of the number and relative position of the embedded heaters along the die is also analysed towards the setting up of the optimum arrangement that minimizes both the energy rate and consumption. Simulation and optimization processes were greatly supported by Finite Element Analysis (FEA) and calibrated with basis on the temperature profile computed through thermography imaging techniques. The main outputs of this study allow to conclude that the use of embedded cylindrical resistances instead of external planar heaters leads to drastic reductions of both the power consumption and the warm-up periods of the die heating system. For the analysed die tool and process, savings on energy consumption up to 60% and warm-up period stages less than an half hour were attained with the new internal heating system. The improvements achieved allow reducing the power requirements on pultrusion process, and thus minimize industrial costs and contribute to a more sustainable pultrusion manufacturing industry.

Eco-efficiency approaches towards a sustainable composite materials manufacturing industry’

In this study the potential eco-efficiency performance of a pultrusion manufacturing company was assessed. Indicators values and eco-efficiency ratios were estimated taking into account the implementation of new proceedings and procedures in the production process of glass fibre reinforced polymers (GFRP) pultrusion profiles. Two different approaches were foreseen: 1)Adoption of a new heating system for pultrusion die in the manufacturing process, more effective and with minor heat losses; and 2) Recycling approach, with partial waste reuse of scrap material derived from manufacturing, cutting and assembly processes of GFRP profiles. These features lead to significant improvements on the sequent assessed eco-efficiency ratios of the present case study, yielding to a more sustainable product and manufacturing process of pultruded GFRP profiles.

Design of experiments applied to the mix design process of polymer mortar materials modified with GFRP recyclates

In this work, the effect of incorporation of recycled glass fibre reinforced plastics (GFRP) waste materials, obtained by means of shredding and milling processes, on mechanical behavior of polyester polymer mortar (PM) materials was assessed. For this purpose, different contents of GFRP recyclates (between 4% up to 12% in mass), were incorporated into polyester PM materials as sand aggregates and filler replacements. The effect of silane coupling agent addition to resin binder was also evaluated. Applied waste material was proceeding from the shredding of the leftovers resultant from the cutting and assembly processes of GFRP pultrusion profiles. Currently, these leftovers, jointly with unfinished products and scrap resulting from pultrusion manufacturing process, are landfilled, with supplementary added costs. Thus, besides the evident environmental benefits, a viable and feasible solution for these wastes would also conduct to significant economic advantages. Design of experiments and data treatment were accomplish by means of full factorial design approach and analysis of variance ANOVA. Experimental results were promising toward the recyclability of GFRP waste materials as aggregates and reinforcement for PM materials, with significant improvements on mechanical properties with regard to non-modified formulations.

Otimização de um processo produtivo e formulação de um novo produto utilizando ferramentas estatísticas

Na tentativa de se otimizar o processo de fabrico associado a uma tinta base aquosa (TBA), para minimizar os desvios de viscosidade final verificados, e de desenvolver um novo adjuvante plastificante para betão, recorreu-se a métodos e ferramentas estatísticas para a concretização do projeto. Relativamente à TBA, procedeu-se numa primeira fase a um acompanhamento do processo de fabrico, a fim de se obter todos os dados mais relevantes que poderiam influenciar a viscosidade final da tinta. Através de uma análise de capacidade ao parâmetro viscosidade, verificou-se que esta não estava sempre dentro das especificações do cliente, sendo o cpk do processo inferior a 1. O acompanhamento do processo resultou na escolha de 4 fatores, que culminou na realização de um plano fatorial 24. Após a realização dos ensaios, efetuou-se uma análise de regressão a um modelo de primeira ordem, não tendo sido esta significativa, o que implicou a realização de mais 8 ensaios nos pontos axiais. Com arealização de uma regressão passo-a-passo, obteve-se uma aproximação viável a um modelo de segunda ordem, que culminou na obtenção dos melhores níveis para os 4 fatores que garantem que a resposta viscosidade se situa no ponto médio do intervalo de especificação (1400 mPa.s). Quanto ao adjuvante para betão, o objetivo é o uso de polímeros SIKA ao invés da matériaprima comum neste tipo de produtos, tendo em conta o custo final da formulação. Escolheram-se 3 fatores importantes na formulação do produto (mistura de polímeros, mistura de hidrocarbonetos e % de sólidos), que resultou numa matriz fatorial 23. Os ensaios foram realizados em triplicado, em pasta de cimento, um para cada tipo de cimento mais utilizado em Portugal. Ao efetuar-se a análise estatística de dados obtiveram-se modelos de primeira ordem para cada tipo de cimento. O processo de otimização consistiu em otimizar uma função custo associada à formulação, garantindo sempre uma resposta superior à observada pelo produto considerado padrão. Os resultados foram animadores uma vez que se obteve para os 3 tipos de cimentocustos abaixo do requerido e espalhamento acima do observado pelo padrão.

Sustainability Improvement of a composite materials’ industry through recycling and re-engineering process approaches

Recent Advances in Mechanics and Materials in Design

Betão betuminoso com betume anti-querosene Formulação, aplicação e comportamento

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Optimização do tratamento de um efluente aquoso resultante da utilização de cola nas máquinas de produção de placas de madeira

O presente trabalho teve como principais objectivos, estudar e optimizar o processo de tratamento do efluente proveniente das máquinas da unidade Cold-press da linha de produção da Empresa Swedwood, caracterizar a solução límpida obtida no tratamento e estudar a sua integração no processo, e por fim caracterizar o resíduo de pasta de cola obtido no tratamento e estudar a possível valorização energética deste resíduo. Após caracterização inicial do efluente e de acordo com os resultados de um estudo prévio solicitado pela Empresa Swedwood a uma empresa externa, decidiu-se iniciar o estudo de tratabilidade do efluente pelo processo físico-químico a coagulação/floculação. No processo de coagulação/floculação estudou-se a aplicabilidade, através de ensaios Jar-test, dos diferentes agentes de coagulação/floculação: a soda cáustica, a cal, o cloreto férrico e o sulfato de alumínio. Os melhores resultados neste processo foram obtidos com a adição de uma dose de cal de 500 mg/Lefluente, seguida da adição de 400 mg/Lefluente de sulfato de alumínio. Contudo, após este tratamento o clarificado obtido não possuía as características necessárias para a sua reintrodução no processo fabril nem para a sua descarga em meio hídrico. Deste modo procedeu-se ao estudo de tratamentos complementares. Nesta segunda fases de estudo testaram-se os seguintes os tratamentos: a oxidação química por Reagente de Fenton, o tratamento biológico por SBR (sequencing batch reactor) e o leito percolador. Da análise dos resultados obtidos nos diferentes tratamentos conclui-se que o tratamento mais eficaz foi o tratamento biológico por SBR com adição de carvão activado. Prevê-se que no final do processo de tratamento o clarificado obtido possa ser descarregado em meio hídrico ou reintroduzido no processo. Como o estudo apenas foi desenvolvido à escala laboratorial, seria útil poder validar os resultados numa escala piloto antes da sua implementação industrial. A partir dos resultados do estudo experimental, procedeu-se ao dimensionamento de uma unidade de tratamento físico-químico e biológico à escala industrial para o tratamento de 20 m3 de efluente produzido na fábrica, numa semana. Dimensionou-se ainda a unidade (leito de secagem) para tratamento das lamas produzidas. Na unidade de tratamento físico-químico (coagulação/floculação) os decantadores estáticos devem possuir o volume útil de 4,8 m3. Sendo necessários semanalmente 36 L da suspensão de cal (Neutrolac 300) e 12,3 L da solução de sulfato de alumínio a 8,3%. Os tanques de armazenamento destes compostos devem possuir 43,2 litros e 96 litros, respectivamente. Nesta unidade estimou-se que são produzidos diariamente 1,4 m3 de lamas. Na unidade de tratamento biológico o reactor biológico deve possuir um volume útil de 6 m3. Para que este processo seja eficaz é necessário fornecer diariamente 2,1 kg de oxigénio. Estima-se que neste processo será necessário efectuar a purga de 325 litros de lamas semanalmente. No final da purga repõe-se o carvão activado, que poderá ser arrastado juntamente com as lamas, adicionando-se 100 mg de carvão por litro de licor misto. De acordo com o volume de lamas produzidos em ambos os tratamentos a área mínima necessária para o leito de secagem é de cerca de 27 m2. A análise económica efectuada mostra que a aquisição do equipamento tem o custo de 22.079,50 euros, o custo dos reagentes necessários neste processo para um ano de funcionamento tem um custo total de 508,50 euros e as necessidades energéticas de 2.008,45 euros.

Aplicação de metodologias lean na manutenção da simoldes aços

O trabalho presente nesta dissertação incidiu sobre a aplicação das metodologias Lean no âmbito da manutenção de uma empresa metalomecânica de produção de Moldes – Simoldes Aços. No atual enquadramento, com os mercados nacionais e internacionais debaixo de feroz competição, as empresas são obrigadas a estudar métodos e técnicas que permitam eliminar desperdícios, reduzir custos e tempos de produção, ao mesmo tempo que são exigidos maiores níveis de qualidade dos produtos fabricados com vista ao aumento da competitividade. Sendo a Manutenção uma área funcional com um impacto elevado no desempenho da produção, é percebido que o desempenho desta, tem influência direta no comportamento do fluxo produtivo e nos respetivos níveis de eficácia e eficiência. No decorrer do trabalho desta dissertação de mestrado foi realizada uma análise abrangente do estado atual do sector de atividade de manutenção na empresa SIMOLDES SA, o que permitiu identificar as áreas e os pontos a intervir e desenhar as soluções de melhoria na atividade de manutenção. Na fase concludente do trabalho foram implementadas algumas dessas propostas de melhoria, ao passo que outras ficaram agendadas para futura implementação. Na base do trabalho desenvolvido esteve a metodologia Lean, que apresenta um papel relevante na implementação de uma abordagem integrada da função manutenção na manutenção dos objetivos da produção. O presente projeto baseou a sua estratégia de implementação na aplicação da ferramenta do 5S’ em paralelo com o TPM (Total Productive Maintenance). Ambas as ferramentas visam a redução de desperdícios e o aumento da fiabilidade dos processos, pelo aumento da disponibilidade dos equipamentos, da melhoria do desempenho dos processos e da plena integração de todos os colaboradores no processo de fabrico. Com a implementação das melhorias propostas, foram observados melhorias significativas no fluxo das atividades da manutenção, assim como uma maior visibilidade das mesmas em todo o processo produtivo.

Optimização do tratamento por lamas activadas do efluente líquido da Mundotêxtil

A Mundotêxtil foi fundada em 1975 tendo iniciado a sua actividade na área comercial de produtos têxteis. Actualmente é o maior produtor nacional de atoalhados de felpo e emprega 575 colaboradores. Como resultado do seu crescimento e sobretudo da actividade de tingimento de fio e felpo, as necessidades de água são consideráveis e o volume de efluentes gerados nos processos industriais é cada vez maior a empresa avançou com a construção de uma estação de tratamento por lamas activadas, colocando-a em funcionamento em Setembro de 2004. Inicialmente surgiram dificuldades para a remoção da cor e da concentração da Carência Química de Oxigénio (CQO) de modo a cumprir os limites máximos de emissão permitidos nas normas de descarga no rio Ave e no Decreto-Lei nº 236/98, de 1 de Agosto. Com a descarga de parte dos efluentes no SIDVA e a utilização de um coagulante adicionado ao reactor o tratamento passou a apresentar melhores resultados. O intuito deste trabalho é o de apresentar soluções de modo a optimizar o funcionamento do tratamento biológico da Mundotêxtil. A optimização pode começar na concepção dos produtos, pode incidir no processo de fabrico para além de poder ser efectuada no seio da estação de tratamento biológico. Foi efectuado um estudo do tratamento biológico por lamas activadas no Laboratório de Tecnologia Química Profª Doutora Lída de Vasconcelos, laboratório tecnológico do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP) que decorreu nos meses de Maio, Junho e Julho de 2010. O estudo laboratorial foi efectuado para três situações distintas: 1) tratamento do efluente bruto sem qualquer tipo de pré-tratamento (ensaios 1 a 3); 2) tratamento do efluente bruto submetido a pré-tratamento com coagulante Ambifloc BIO MD (ensaios 4 e 5) e 3) tratamento com adição de fungos ao tanque de arejamento (ensaio 6). Foram utilizadas duas instalações de tratamento alimentadas a partir do mesmo tanque de alimentação. Os dois sistemas eram idênticos, diferiram nos caudais de alimentação de efluente que foram alterados ao longo do estudo. O efluente a tratar foi fornecido pela empresa Mundotêxtil, sendo recolhido por diversas vezes ao longo dos ensaios. Este efluente foi retirado após o pré-tratamento da empresa, ou seja este efluente é o mesmo que alimenta o tratamento biológico da Mundotêxtil. Devido a este facto o efluente usado no estudo laboratorial teve uma variabilidade no período em que decorreu o estudo, nomeadamente em termos de concentração de CQO e cor. A relação entre a Carência Bioquímica (CBO5) e a CQO situouse entre 0,47 e 0,63 o que traduz que está dentro dos valores típicos para um efluente têxtil. Os melhores resultados globais de remoção de CQO foram obtidos no ensaio 5 e estiveram compreendidos entre 73,2% e 77,5% para o ensaio 5.1 e entre 62,9 e 73,2% para o ensaio 5.2. Neste ensaio foi utilizado o coagulante. Todos os valores de concentração de CQO obtidos nos efluentes dos decantadores para os ensaios 2, 5 e 6 são inferiores aos valores limite de descarga definidos nas normas de descarga no rio Ave e o Decreto-Lei 236/98. Os valores de concentração de Sólidos Suspensos Totais (SST), pH, fósforo, CBO5 e cor nos decantadores cumpriram os limites de descarga definidos nas normas de descarga no rio Ave e no Decreto-Lei nº 236/98 em todos os ensaios. Os parâmetros cinéticos obtidos para os ensaios com descorante são os que melhor se ajustam ao projecto de uma instalação de tratamento biológico por lamas activadas do efluente da Mundotêxtil. Os valores obtidos, após ajuste, são os seguintes: k=0,015 L/(mgSSV*d); Sn=12 mg/L; a=0,7982 kgO2/kgCBO5; b=0,0233 [kgO2/(kgSSV*d); y=0,2253 kgSSV/kgCBO5; kd=0,0036 kgSSV/(kgSSV*d. Com base nos parâmetros cinéticos obtiveram-se os seguintes resultados para o projecto de uma estação de tratamento biológico por lamas activadas: · Tempo de retenção hidráulica no reactor de 1,79 d, · Volume do reactor igual a 3643 m3 · Consumo de oxigénio no reactor de 604 kg/d · Razão de recirculação igual a 0,8 · Volume total do decantador secundário igual a 540 m3 · Diâmetro do decantador secundário igual a 15 m A quantidade de oxigénio necessário é baixa e o valor mais adequado deverá ser da ordem de 1200 kg/d. Também foi efectuada uma análise aos produtos químicos consumidos pela empresa na área das tinturarias com a finalidade de identificar as substâncias com uma maior influência potencial no funcionamento da Estação de Tratamento Biológico. O encolante CB, Cera Têxtil P Líquida, Perfemina P-12, Meropan DPE-P, Meropan BRE-P, Indimina STS e Benzym TEC são os produtos químicos que têm uma influência potencial mais significativa na qualidade dos efluentes. Devido ao facto das temperaturas do efluente alimentado ao tratamento biológico da Mundotêxtil oscilarem entre 35 ºC e 43ºC efectuou-se um estudo às necessidades de água quente das tinturarias e por outro lado à capacidade de aquecimento dos efluentes disponíveis. Actualmente a racionalização dos consumos de água é cada vez mais premente, por isso também é apresentado neste trabalho um estudo para a substituição das máquinas convencionais das tinturarias com uma relação de banho 1:10 por máquinas de banho curto (1:6,5). Verifica-se a redução de consumos de 40% de água, 52% de energia eléctrica, 35% de produtos químicos, 51% das necessidades de vapor e por consequência um aumento da produtividade. A empresa pode reduzir os consumos de água em cerca de 280.000 m3/ano. A utilização do pré-tratamento com o coagulante permitirá baixar a concentração da CQO e reduzir a cor à entrada do reactor tratamento biológico. Deste modo é possível manter um tratamento eficiente à saída do tratamento biológico nas situações de descarga de cores carregadas e carga orgânica elevada. Com este conjunto de soluções, quer sejam aplicadas na totalidade ou não, a empresa Mundotêxtil pode enfrentar o futuro com mais confiança podendo estar preparada para fazer face à escassez de água e custos cada vez maiores da energia. Por outro lado pode tratar os seus efluentes a custos menores. A substituição das máquinas de tingimento por máquinas com relação de banho mais baixa (banho curto) implica investimentos elevados mas estes investimentos são necessários não só por motivos ambientais mas também devido à grande competitividade dos mercados.

Qualidade do chocolate: estudo de alguns parâmetros

O chocolate é considerado uma emulsão complexa e um alimento de luxo, que durante o seu consumo provoca estímulos que activam os centros de prazer do cérebro Humano. Tendo em conta a importância deste alimento torna-se necessário estudar e avaliar a melhor forma de melhorar a qualidade do chocolate. Este trabalho teve como objectivo verificar e analisar a qualidade do processo de fabrico da massa de chocolate, no que respeita (i) a rastreabilidade das matérias-primas e do produto acabado e, por outro lado, (ii) determinar e estudar o efeito de alguns parâmetros do processo nas características da massa, através das variáveis viscosidade, tensão de corte, tensão de corte crítica (“yield value”) e granulometria. Estas variáveis foram medidas em massas de chocolate de leite com o nome de formulação CAI e provenientes das duas unidades fabris da empresa (UF1 e UF2). Os parâmetros estudados na UF1 foram a influência das conchas e dos ingredientes. Na UF2 estudou-se a influência dos inutilizados de fabrico e a influência dos inutilizados de fabrico juntamente com o efeito de um ingrediente que foi o açúcar. Os resultados da viscosidade, tensão de corte e tensão de corte crítica (“yield value”) foram analisados estatisticamente por análise de variância (ANOVA), recorrendo aos testes de Komolgorov-Smirnov, Shapiro-Wilk e de Levene para verificar as condições de aplicabilidade desta análise. Os resultados da granulometria como não aderiram a uma distribuição normal foram analisados pelo método não paramétrico de Kruskal-Wallis. Estas análises foram executadas no programa “Statistical Package for the Social Sciences” (SPSS). Pelos resultados obtidos, conclui-se que, para a UF1, a concha afecta a tensão de corte, viscosidade e a tensão de corte crítica do chocolate produzido, na medida em que existem diferenças entre as conchas estudadas. Para esta unidade conclui-se que os ingredientes também influenciam a granulometria da massa. No caso da UF2, conclui-se que a tensão de corte é afectada apenas pelo lote de açúcar, a viscosidade é afectada tanto pelo lote de açúcar como pela presença de inutilizados de fabrico e a tensão de corte crítica não é afectada por nenhum destes efeitos. A granulometria, nesta unidade é afectada pelos lotes de açúcar estudados.

An approach for reliability-based robust design optimisation of angle-ply composites

Variations of manufacturing process parameters and environmental aspects may affect the quality and performance of composite materials, which consequently affects their structural behaviour. Reliability-based design optimisation (RBDO) and robust design optimisation (RDO) searches for safe structural systems with minimal variability of response when subjected to uncertainties in material design parameters. An approach that simultaneously considers reliability and robustness is proposed in this paper. Depending on a given reliability index imposed on composite structures, a trade-off is established between the performance targets and robustness. Robustness is expressed in terms of the coefficient of variation of the constrained structural response weighted by its nominal value. The Pareto normed front is built and the nearest point to the origin is estimated as the best solution of the bi-objective optimisation problem.

A case study on the eco-efficiency performance of a composite processing industry: evaluation and quantification of potential improvements

In this study, an attempt was made in order to measure and evaluate the eco-efficiency performance of a pultruded composite processing company. For this purpose the recommendations of World Business Council for Sustainable Development (WCSD) and the directives of ISO 14301 standard were followed and applied. The main general indicators of eco-efficiency, as well as the specific indicators, were defined and determined. With basis on indicators’ figures, the value profile, the environmental profile, and the pertinent eco-efficiency ratios were established and analyzed. In order to evaluate potential improvements on company eco-performance, new indicators values and eco-efficiency ratios were estimated taking into account the implementation of new proceedings and procedures, at both upstream and downstream of the production process, namely: i) Adoption of a new heating system for pultrusion die-tool in the manufacturing process, more effective and with minor heat losses; ii) Recycling approach, with partial waste reuse of scrap material derived from manufacturing, cutting and assembly processes of GFRP profiles. These features lead to significant improvements on the sequent assessed eco-efficiency ratios of the present case study, yielding to a more sustainable product and manufacturing process of pultruded GFRP profiles.