Toughened ZrO2 ceramics sintered with a La2O3-rich glass as additive

In this study, the influence of the glass addition and sintering parameters on the densification and mechanical properties of tetragonal zirconia polycrystals (3Y-TZP) ceramics were evaluated. High-purity tetragonal ZrO2 powder and La2O3-rich glass were used as starting powders. Two compositions based on ZrO2 and containing 5wt.% and 10wt.% of La2O3-rich glass were studied in this work. The starting powders were mixed/milled by planetary milling, dried at 90 degrees C for 24 h, sieved through a 60 mesh screen and uniaxially cold pressed under 80 MPa. The samples were sintered in air at 1200 degrees C, 1300 degrees C, 1400 degrees C for 60 min and at 1450 degrees C for 120 min, with heating and cooling rates of 10 degrees C/min. Sintered samples were characterized by relative density, X-ray diffraction (XRD) and scanningelectron microscopy (SEM). Hardness and fracture toughness were obtained by Vickers indentation method. Dense sintered samples were obtained for all conditions. Furthermore, only tetragonal-ZrO2 was identified as crystalline phase in sintered samples, independently of the conditions studied. Samples sintered at 1300 degrees C for 60 min presented the optimal mechanical properties with hardness and fracture toughness values near to 12 GPa and 8.5 MPa m(1/2) respectively. (c) 2007 Elsevier B.V, All rights reserved.

Dpws middleware to support agent-based manufacturing control and simulation

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Degradation of all-inkjet-printed organic thin-film transistors with TIPS-pentacene under processes applied in textile manufacturing

Printed electronics represent an alternative solution for the manufacturing of low-temperature and large area flexible electronics. The use of inkjet printing is showing major advantages when compared to other established printing technologies such as, gravure, screen or offset printing, allowing the reduction of manufacturing costs due to its efficient material usage and the direct-writing approach without requirement of any masks. However, several technological restrictions for printed electronics can hinder its application potential, e.g. the device stability under atmospheric or even more stringent conditions. Here, we study the influence of specific mechanical, chemical, and temperature treatments usually appearing in manufacturing processes for textiles on the electrical performance of all-inkjet-printed organic thin-film transistors (OTFTs). Therefore, OTFTs where manufactured with silver electrodes, a UV curable dielectric, and 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl) pentance (TIPS-pentacene) as the active semiconductor layer. All the layers were deposited using inkjet printing. After electrical characterization of the printed OTFTs, a simple encapsulation method was applied followed by the degradation study allowing a comparison of the electrical performance of treated and not treated OTFTs. Industrial calendering, dyeing, washing and stentering were selected as typical textile processes and treatment methods for the printed OTFTs. It is shown that the all-inkjet-printed OTFTs fabricated in this work are functional after their submission to the textiles processes but with degradation in the electrical performance, exhibiting higher degradation in the OTFTs with shorter channel lengths (L=10 μm).

The role of automatic shape and position recognitionin streamlining manufacturing

The main features of most components consist of simple basic functional geometries: planes, cylinders, spheres and cones. Shape and position recognition of these geometries is essential for dimensional characterization of components, and represent an important contribution in the life cycle of the product, concerning in particular the manufacturing and inspection processes of the final product. This work aims to establish an algorithm to automatically recognize such geometries, without operator intervention. Using differential geometry large volumes of data can be treated and the basic functional geometries to be dealt recognized. The original data can be obtained by rapid acquisition methods, such as 3D survey or photography, and then converted into Cartesian coordinates. The satisfaction of intrinsic decision conditions allows different geometries to be fast identified, without operator intervention. Since inspection is generally a time consuming task, this method reduces operator intervention in the process. The algorithm was first tested using geometric data generated in MATLAB and then through a set of data points acquired by measuring with a coordinate measuring machine and a 3D scan on real physical surfaces. Comparison time spent in measuring is presented to show the advantage of the method. The results validated the suitability and potential of the algorithm hereby proposed

Tuotteen suunnitteluketjun tehostaminen 3D-ympäristössä

Tämä diplomityö on tehty Andritz Oy:lle Washers & Filters tuoteryhmään. Työ on osa 3D-suunnittelujärjestelmän käyttöönottoprojektia. Tavoitteena on arvioida uuden laitesuunnittelujärjestelmän vaikutuksia yrityksen tietojärjestelmiin ja toimintatapoihin sekä etsiä potentiaalisia tulevaisuuden kehityskohteita. Suunnittelutietoa hyödyntäviä sidosryhmien edustajia haastattelemalla selvitettiin järjestelmille ja ohjelmistoille asetettavia vaatimuksia. Ohjelmistoihin tutustumalla saatiin käsitys niiden nykytilasta ja kehityssuunnista. 3D-geometrian hyödyntämiseen perustuvilla järjestelmillä voidaan poistaa päällekäistä työtä sekä lyhentää läpimenoaikoja suunnittelussa ja valmistuksessa sijoittamalla työvaiheita rinnakkain. Suurimmat 3D-suunnittelun edut saavutetaan tuotekehitysvaiheessa, tuotemuutoksia tehtäessä sekä valmistusprosesseja suunniteltaessa. Ongelmallisimmat osa-alueet tietojärjestelmien kehittämisessä ovat ensi-sijaisesti tiedonsiirto ohjelmistojen välillä, työntekijöiden muutosvastarinta sekä laadukkaiden järjestelmien korkea hinta. Laajojen tietojärjestelmä-projektien läpivienti on hyvin haastavaa ja onnistuminen vaatii kaikkien sidosryhmien mukana olemista ja tarkkaa projektin koordinointia.

Capçal extrusor per a un sistema de tecnologia additiva

El departament de GREP de la UdG disposa d’un sistema de tecnologia additiva, laFab@home model 1, una impressora 3D o també anomenada de prototipat ràpid. Ésuna màquina de dimensions reduïdes, versàtil i de cost reduït, que a partir d’un modelgenerat a CAD, es capaç de fabricar objectes sòlids tridimensionals mitjançant lasuperposició de capes horitzontals.Les impressores 3D neixen de la necessitat de realitzar, en un temps relativament curt,proves de geometries complexes, que executades en un procés de manofacturaciónormal pot ser llarg i d’elevat cost.Gran part de les màquines de característiques similars a la Fab@home, tenen modelspreparats fabricar / extrudir peces a partir de silicones, aliments o polímers. Ara bé, laconformació per extrusió de plàstic és a partir de polímer verge en forma de fil.El present projecte té l’objectiu de dissenyar un sistema de conformació que permetimanufacturar polímer en forma de gra i s’adapti al funcionament de la Fab@home, amb l’argot corresponent, es tracta d’adaptar la Fab@home al fused depositionmodeling (FDM)

Optimization and validation of a new 3D-US imaging robot to detect, localize and quantify lower limb arterial stenoses

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients. L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5).

L’impact de la stéréoscopie dans la reconnaissance, la perception et la constance de forme 3D

Les buts des recherches présentées dans cette thèse étaient d’évaluer le rôle de la stéréoscopie dans la reconnaissance de forme, dans la perception du relief et dans la constance de forme. La première étude a examiné le rôle de la stéréoscopie dans la perception des formes visuelles en utilisant une tâche de reconnaissance de formes. Les stimuli pouvaient être présentés en 2D, avec disparité normale (3D) ou avec disparité inversée. La performance de reconnaissance était meilleure avec les modes de présentation 2D et 3D qu’avec la 3D inversée. Cela indique que la stéréoscopie contribue à la reconnaissance de forme. La deuxième étude s’est intéressée à la contribution conjointe de l’ombrage et de la stéréoscopie dans la perception du relief des formes. Les stimuli étaient des images d’une forme 3D convexe synthétique présentée sous un point de vue menant à une ambigüité quant à sa convexité. L’illumination pouvait provenir du haut ou du bas et de la gauche ou de la droite, et les stimuli étaient présentés dichoptiquement avec soit de la disparité binoculaire normale, de la disparité inversée ou sans disparité entre les vues. Les participants ont répondu que les formes étaient convexes plus souvent lorsque la lumière provenait du haut que du bas, plus souvent avec la disparité normale qu’en 2D, et plus souvent avec absence de disparité qu’avec disparité inversée. Les effets de direction d’illumination et du mode de présentation étaient additifs, c’est-à-dire qu’ils n’interagissaient pas. Cela indique que l’ombrage et la stéréoscopie contribuent indépendamment à la perception du relief des formes. La troisième étude a évalué la contribution de la stéréoscopie à la constance de forme, et son interaction avec l’expertise perceptuelle. Elle a utilisé trois tâches de discrimination séquentielle de trombones tordus ayant subi des rotations en profondeur. Les stimuli pouvaient être présentés sans stéréoscopie, avec stéréoscopie normale ou avec stéréoscopie inversée. Dans la première moitié de l’Exp. 1, dans laquelle les variations du mode de présentation étaient intra-sujets, les performances étaient meilleures en 3D qu’en 2D et qu’en 3D inversée. Ces effets ont été renversés dans la seconde moitié de l’expérience, et les coûts de rotation sont devenus plus faibles pour la 2D et la 3D inversée que pour la 3D. Dans les Exps. 2 (variations intra-sujets du mode de présentation, avec un changement de stimuli au milieu de l’expérience) et 3 (variations inter-sujets du mode de présentation), les effets de rotation étaient en tout temps plus faibles avec stéréoscopie qu’avec stéréoscopie inversée et qu’en 2D, et plus faibles avec stéréoscopie inversée que sans stéréoscopie. Ces résultats indiquent que la stéréoscopie contribue à la constance de forme. Toutefois, cela demande qu’elle soit valide avec un niveau minimal de consistance, sinon elle devient stratégiquement ignorée. En bref, les trois études présentées dans cette thèse ont permis de montrer que la stéréoscopie contribue à la reconnaissance de forme, à la perception du relief et à la constance de forme. De plus, l’ombrage et la stéréoscopie sont intégrés linéairement.

Applying 3D modelling technology to traditional craftwork : rapid prototyping in artisanal jewellery making and its impact on the perceived value of jewellery

Depuis la révolution industrielle, l’évolution de la technologie bouleverse le monde de la fabrication. Aujourd'hui, de nouvelles technologies telles que le prototypage rapide font une percée dans des domaines comme celui de la fabrication de bijoux, appartenant jadis à l'artisanat et en bouscule les traditions par l'introduction de méthodes plus rapides et plus faciles. Cette recherche vise à répondre aux deux questions suivantes : - ‘En quoi le prototypage rapide influence-t-il la pratique de fabrication de bijoux?’ - ‘En quoi influence-t-il de potentiels acheteurs dans leur appréciation du bijou?’ L' approche consiste en une collecte de données faite au cours de trois entretiens avec différents bijoutiers et une rencontre de deux groupes de discussion composés de consommateurs potentiels. Les résultats ont révélé l’utilité du prototypage rapide pour surmonter un certain nombre d'obstacles inhérents au fait-main, tel que dans sa géométrie, sa commercialisation, et sa finesse de détails. Cependant, il se crée une distance entre la main du bijoutier et l'objet, changeant ainsi la nature de la pratique. Cette technologie est perçue comme un moyen moins authentique car la machine rappelle la production de masse et la possibilité de reproduction en série détruit la notion d’unicité du bijou, en réduisant ainsi sa charge émotionnelle. Cette recherche propose une meilleure compréhension de l'utilisation du prototypage rapide et de ses conséquences dans la fabrication de bijoux. Peut-être ouvrira-t-elle la voie à une recherche visant un meilleur mariage entre cette technique et les méthodes traditionnelles.

Efficient animal-serum free 3D cultivation method for adult human neural crest-derived stem cell therapeutics

Due to their broad differentiation potential and their persistence into adulthood, human neural crest-derived stem cells (NCSCs) harbour great potential for autologous cellular therapies, which include the treatment of neurodegenerative diseases and replacement of complex tissues containing various cell types, as in the case of musculoskeletal injuries. The use of serum-free approaches often results in insufficient proliferation of stem cells and foetal calf serum implicates the use of xenogenic medium components. Thus, there is much need for alternative cultivation strategies. In this study we describe for the first time a novel, human blood plasma based semi-solid medium for cultivation of human NCSCs. We cultivated human neural crest-derived inferior turbinate stem cells (ITSCs) within a blood plasma matrix, where they revealed higher proliferation rates compared to a standard serum-free approach. Three-dimensionality of the matrix was investigated using helium ion microscopy. ITSCs grew within the matrix as revealed by laser scanning microscopy. Genetic stability and maintenance of stemness characteristics were assured in 3D cultivated ITSCs, as demonstrated by unchanged expression profile and the capability for self-renewal. ITSCs pre-cultivated in the 3D matrix differentiated efficiently into ectodermal and mesodermal cell types, particularly including osteogenic cell types. Furthermore, ITSCs cultivated as described here could be easily infected with lentiviruses directly in substrate for potential tracing or gene therapeutic approaches. Taken together, the use of human blood plasma as an additive for a completely defined medium points towards a personalisable and autologous cultivation of human neural crest-derived stem cells under clinical grade conditions.

Monitoring the process of densification of 3D and 4D (tridirectional and tetradirectional) carbon/carbon composites

Carbon fiber reinforced carbon composites can be made by iterative liquid impregnation or gas phase carbon deposition routes. In both cases, at the final processing stage the carbon fiber is embedded in carbon matrix which results in unique properties such as low density, high thermal conductivity and thermal shock resistance, low thermal expansion and high modulus, in relation to other refractory materials. In the present study assembled three-directional and four-directional preforms, having 50% volume of pores, were densified by iterative cycles of thermoset resin impregnation followed by pyrolysis under inert atmosphere, until appropriate densities were achieved. The thermoset resin is converted in a carbon matrix during pyrolysis. The iterative manufacturing process of the carbon fiber reinforced carbon composites is evaluated by means of nondestructive techniques based on X-ray computed tomography and electrical resistivity. X-ray computed tomography gives a general mapping view of the filling pores of the preforms which impacts results of the electrical resistivity. After six processing cycles and heat treatments up to 2000?, the final densities of the three-directional and four-directional carbon fiber reinforced carbon composites were 1.16g/cm(3) and an electrical resistivity of approximate to 0.07m. The configuration of preforms, three-directional or four-directional, did not alter the densification profile, in terms of increasing density and reducing porosity during the processing cycles.

Análise e aferição de uma fresadora CNC através da utilização das tecnologias assistidas por computador, no escaneamento 3D de amostras e processamento de imagens

The use of computer-assisted technologies such as CAD - Computed Aided Design, CAM - Computed Aided Manufacturing, CAE - Computed Aided Engineering and CNC - Computed Numerical Control, are priorities in engineering and product designers. However, the dimensional measurement between the virtual and the real product design requires research, and dissemination procedures among its users. This work aims to use these technologies, through analysis and measurement of a CNC milling machine, designed and assembled in the university. Through the use of 3D scanning, and analyzing images of the machined samples, and its original virtual files, it was possible to compare the sizes of these samples in counterposition to the original virtual dimensions, we can state that the distortions between the real and virtual, are within acceptable limits for this type of equipment. As a secondary objective, this work seeks to disseminate and make more accessible the use of these technologies.

Ethanol Production from Hardboard Manufacturing Process Wastewater: Methods for Improving Product Yields from Hemicellulose Hydrolysates

Waste effluents from the forest products industry are sources of lignocellulosic biomass that can be converted to ethanol by yeast after pretreatment. However, the challenge of improving ethanol yields from a mixed pentose and hexose fermentation of a potentially inhibitory hydrolysate still remains. Hardboard manufacturing process wastewater (HPW) was evaluated at a potential feedstream for lignocellulosic ethanol production by native xylose-fermenting yeast. After screening of xylose-fermenting yeasts, Scheffersomyces stipitis CBS 6054 was selected as the ideal organism for conversion of the HPW hydrolysate material. The individual and synergistic effects of inhibitory compounds present in the hydrolysate were evaluated using response surface methodology. It was concluded that organic acids have an additive negative effect on fermentations. Fermentation conditions were also optimized in terms of aeration and pH. Methods for improving productivity and achieving higher ethanol yields were investigated. Adaptation to the conditions present in the hydrolysate through repeated cell sub-culturing was used. The objectives of this present study were to adapt S. stipitis CBS6054 to a dilute-acid pretreated lignocellulosic containing waste stream; compare the physiological, metabolic, and proteomic profiles of the adapted strain to its parent; quantify changes in protein expression/regulation, metabolite abundance, and enzyme activity; and determine the biochemical and molecular mechanism of adaptation. The adapted culture showed improvement in both substrate utilization and ethanol yields compared to the unadapted parent strain. The adapted strain also represented a growth phenotype compared to its unadapted parent based on its physiological and proteomic profiles. Several potential targets that could be responsible for strain improvement were identified. These targets could have implications for metabolic engineering of strains for improved ethanol production from lignocellulosic feedstocks. Although this work focuses specifically on the conversion of HPW to ethanol, the methods developed can be used for any feedstock/product systems that employ a microbial conversion step. The benefit of this research is that the organisms will the optimized for a company's specific system.

THE USE OF LIFE-CYCLE ANALYSIS TO REDUCE THE ENVIRONMENTAL IMPACT OF MATERIALS IN MANUFACTURING

This thesis is composed of three life-cycle analysis (LCA) studies of manufacturing to determine cumulative energy demand (CED) and greenhouse gas emissions (GHG). The methods proposed could reduce the environmental impact by reducing the CED in three manufacturing processes. First, industrial symbiosis is proposed and a LCA is performed on both conventional 1 GW-scaled hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H)-based single junction and a-Si:H/microcrystalline-Si:H tandem cell solar PV manufacturing plants and such plants coupled to silane recycling plants. Using a recycling process that results in a silane loss of only 17 versus 85 percent, this results in a CED savings of 81,700 GJ and 290,000 GJ per year for single and tandem junction plants, respectively. This recycling process reduces the cost of raw silane by 68 percent, or approximately $22.6 and $79 million per year for a single and tandem 1 GW PV production facility, respectively. The results show environmental benefits of silane recycling centered around a-Si:H-based PV manufacturing plants. Second, an open-source self-replicating rapid prototype or 3-D printer, the RepRap, has the potential to reduce the environmental impact of manufacturing of polymer-based products, using distributed manufacturing paradigm, which is further minimized by the use of PV and improvements in PV manufacturing. Using 3-D printers for manufacturing provides the ability to ultra-customize products and to change fill composition, which increases material efficiency. An LCA was performed on three polymer-based products to determine the CED and GHG from conventional large-scale production and are compared to experimental measurements on a RepRap producing identical products with ABS and PLA. The results of this LCA study indicate that the CED of manufacturing polymer products can possibly be reduced using distributed manufacturing with existing 3-D printers under 89% fill and reduced even further with a solar photovoltaic system. The results indicate that the ability of RepRaps to vary fill has the potential to diminish environmental impact on many products. Third, one additional way to improve the environmental performance of this distributed manufacturing system is to create the polymer filament feedstock for 3-D printers using post-consumer plastic bottles. An LCA was performed on the recycling of high density polyethylene (HDPE) using the RecycleBot. The results of the LCA showed that distributed recycling has a lower CED than the best-case scenario used for centralized recycling. If this process is applied to the HDPE currently recycled in the U.S., more than 100 million MJ of energy could be conserved per annum along with significant reductions in GHG. This presents a novel path to a future of distributed manufacturing suited for both the developed and developing world with reduced environmental impact. From improving manufacturing in the photovoltaic industry with the use of recycling to recycling and manufacturing plastic products within our own homes, each step reduces the impact on the environment. The three coupled projects presented here show a clear potential to reduce the environmental impact of manufacturing and other processes by implementing complimenting systems, which have environmental benefits of their own in order to achieve a compounding effect of reduced CED and GHG.

Rapid Manufacturing in der Kleinserienproduktion

Die enormen Fortschritte der Rechentechnik in den vergangenen 60 Jahren ermöglichten vielfältige Berechnungen, Simulationen und nicht zu letzt 3D-Konstruktionen sowie deren einheitliches Beschreiben mittels 3D-Flächendaten. Ebenso wurde es möglich real existierende Gegenstände zu vermessen und als 3D-Geometrie datentechnisch zu hinterlegen.