The effect of melt viscosity on thermal efficiency for single screw extrusion of HDPE

In this work, a highly instrumented single screw extruder has been used to study the effect of polymer rheology on the thermal efficiency of the extrusion process. Three different molecular weight grades of high density polyethylene (HDPE) were extruded at a range of conditions. Three geometries of extruder screws were used at several set temperatures and screw rotation speeds. The extruder was equipped with real-time quantification of energy consumption; thermal dynamics of the process were examined using thermocouple grid sensors at the entrance to the die. Results showed that polymer rheology had a significant effect on process energy consumption and thermal homogeneity of the melt. Highest specific energy consumption and poorest homogeneity was observed for the highest viscosity grade of HDPE. Extruder screw geometry, set extrusion temperature and screw rotation speed were also found to have a direct effect on energy consumption and melt consistency. In particular, specific energy consumption was lower using a barrier flighted screw compared to single flighted screws at the same set conditions. These results highlight the complex nature of extrusion thermal dynamics and provide evidence that rheological properties of the polymer can significantly influence the thermal efficiency of the process.

A 1-D Vaneless Diffuser Model Accounting for the Effects of Spanwise Flow Stratification

The radial vaneless diffuser, though comparatively simple in terms of geometry, poses a significant challenge in obtaining an accurate 1-D based performance prediction due to the swirling, unsteady and distorted nature of the flow field. Turbocharger compressors specifically, with the ever increasing focus on achieving a wide operating range, have been recognised to operate with significant regions of spanwise separated flow, particularly at off design conditions.
Using a combination of single passage Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations and extensive gas stand test data for three geometries, the current study aims to evaluate the onset and impact of spanwise flow stratification in radial vaneless diffusers, and how the extent of the aerodynamic blockage presented to the flow throughout the diffuser varies with both geometry and operating condition. Having analysed the governing performance parameters and flow phenomena, a novel 1-D modelling method is presented and compared to an existing baseline method as well as test data to quantify the improvement in prediction accuracy achieved.

A 1-D radial vaneless diffuser model accounting for the effects of aerodynamic blockage

The radial vaneless diffuser, though comparatively simple in terms of geometry, poses a significant challenge in obtaining an accurate 1-D based performance prediction due to the swirling, unsteady and distorted nature of the flow field. Turbocharger compressors specifically, with the ever increasing focus on achieving a wide operating range, have been recognised to operate with significant regions of spanwise separated flow, particularly at off-design conditions.

Using a combination of single passage Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations and extensive gas stand test data for three geometries, the current study aims to evaluate the onset and impact of spanwise aerodynamic blockage in radial vaneless diffusers, and how the extent of the blocked region throughout the diffuser varies with both geometry and operating condition. Having analysed the governing performance parameters and flow phenomena, a novel 1-D modelling method is presented and compared to an existing baseline method as well as test data to quantify the improvement in prediction accuracy achieved.

An Evaluation of 1D Design Methods for the Off-Design Performance Prediction of Automotive Turbocharger Compressors

Several one-dimensional design methods have been used to predict the off-design performance of three modern centrifugal compressors for automotive turbocharging. The three methods used are single-zone, two-zone, and a more recent statistical method. The predicted results from each method are compared against empirical data taken from standard hot gas stand tests for each turbocharger. Each of the automotive turbochargers considered in this study have notably different geometries and are of varying application. Due to the non-adiabatic test conditions, the empirical data has been corrected for the effect of heat transfer to ensure comparability with the 1D models. Each method is evaluated for usability and accuracy in both pressure ratio and efficiency prediction. The paper presents an insight into the limitations of each of these models when applied to one-dimensional automotive turbocharger design, and proposes that a corrected single-zone modelling approach has the greatest potential for further development, whilst the statistical method could be immediately introduced to a design process where design variations are limited.

Measurement of fibre fracture toughness using an alternative specimen geometry

This paper presents an experimental and numerical study focused on the tensile fibre fracture toughness characterisation of hybrid plain weave composite laminates using non-standardized Overheight Compact Tension (OCT) specimens. The position as well as the strain field ahead of the crack tip in the specimens was determined using a digital speckle photogrammetry system. The limitation on the applicability of standard data reduction schemes for the determination of the intralaminar fibre fracture toughness of composites is presented and discussed. A methodology based on the numerical evaluation of the strain energy release rate using the J-integral method is proposed to derive new geometric correction functions for the determination of stress intensity factor for alternative composite specimen geometries. A comparison between different methods currently available to compute the intralaminar fracture toughness in composites is also presented and discussed. Good agreement between numerical and experimental results using the proposed methodology was obtained.

High-Resolution Microwave Near-Field Imaging Using Resonance Probes

A novel microwave high-resolution near-field imaging technique is proposed and experimentally evaluated in reflectometry imaging scenarios involving planar metal-dielectric structures. Two types of resonance near field probes-a small helix antenna and a loaded subwavelength slot aperture are studied in this paper. These probes enable very tight spatial field localization with the full width at half maximum around one tenth of a wavelength, λ, at λ/100-λ/10 standoff distance. Importantly, the proposed probes permit resonance electromagnetic coupling to dielectric or printed conductive patterns, which leads to the possibility of very high raw image resolution with imaged feature-to-background contrast greater than 10-dB amplitude and 50° phase. In addition, high-resolution characterization of target geometries based on the cross correlation image processing technique is proposed and assessed using experimental data. It is shown that printed elements features with subwavelength size ~λ/15 or smaller can be characterized with at least 10-dB resolution contrast.

An Automated Design Framework for Assembly Task Simulation

This paper presents an automated design framework for the development of individual part forming tools for a composite stiffener. The framework uses parametrically developed design geometries for both the part and its layup tool. The framework has been developed with a functioning user interface where part / tool combinations are passed to a virtual environment for utility based assessment of their features and assemblability characteristics. The work demonstrates clear benefits in process design methods with conventional design timelines reduced from hours and days to minutes and seconds. The methods developed here were able to produce a digital mock up of a component with its associated layup tool in less than 3 minutes. The virtual environment presenting the design to the designer for interactive assembly planning was generated in 20 seconds. Challenges still exist in determining the level of reality required to provide an effective learning environment in the virtual world. Full representation of physical phenomena such as gravity, part clashes and the representation of standard build functions require further work to represent real physical phenomena more accurately.

Interacções intermoleculares fracas em materiais funcionais avançados: um estudo espectroscópico e computacional

A utilização combinada de espectroscopia vibracional e de cálculos envolvendo a teoria do funcional de densidade (DFT) possibilita o estudo de ligações de hidrogénio em fase condensada, assim como a análise da estrutura molecular dos sistemas em estudo. Por um lado, a espectroscopia vibracional permite a detecção de associações moleculares, enquanto os métodos computacionais auxiliam na obtenção de informação referente aos mecanismos de associação, nomeadamente no que diz respeito à possível estrutura de dímeros e compostos de inclusão em ciclodextrinas e às energias de interacção e de inclusão. O estudo que originou a presente dissertação pretende contribuir para o reforço da aplicação de estudos espectroscópicos e computacionais na elucidação de diversos fenómenos químicos, com especial destaque para o papel desempenhado por interacções intermoleculares fracas na estrutura e propriedades de materiais moleculares. No âmbito desta tese foram investigados os seguintes tópicos: polimorfismo e pseudopolimorfismo em sólidos farmacêuticos, transições de fase em misturas binárias de ácidos gordos, inclusão em ciclodextrinas, interacção de compostos farmacêuticos com superfícies metálicas e formação de agregados de água em materiais híbridos orgânicos-inorgânicos. Os sistemas foram analisados utilizando a espectroscopia vibracional – particularmente a espectroscopia de difusão de Raman – como técnica fundamental. Para uma melhor caracterização de processos envolvendo transições de fase, foram efectuados estudos com variação de temperatura, variação de humidade relativa e substituição isotópica. O estudo da interacção com superfícies metálicas foi realizado por espectroscopia de Raman intensificada à superfície. Dada a complexidade dos sistemas em estudo, a informação obtida por espectroscopia vibracional foi complementada por resultados de cálculos mecânico-quânticos. Em particular, os cálculos DFT foram utilizados para a optimização de geometrias e previsão de frequências vibracionais de moléculas e associações moleculares, permitindo assim a análise e interpretação de espectros vibracionais e a caracterização da estrutura de materiais.

Cinética da transferência de calor em materiais com mudança de fase

É extensa a bibliografia dedicada a potenciais aplicações de materiais com mudança de fase na regulação térmica e no armazenamento de calor ou de frio. No entanto, a baixa condutividade térmica impõe limitações numa grande diversidade de aplicações com exigências críticas em termos de tempo de resposta curto ou com requisitos de elevada potência em ciclos de carga/descarga de calor latente. Foram desenvolvidos códigos numéricos no sentido de obter soluções precisas para descrever a cinética da transferência de calor com mudança de fase, com base em geometrias representativas, i.e. planar e esférica. Foram igualmente propostas soluções aproximadas, sendo identificados correspondentes critérios de validação em função das propriedades dos materiais de mudança de fase e de outros parâmetros relevantes tais como as escalas de tamanho e de tempo, etc. As referidas soluções permitiram identificar com rigor os fatores determinantes daquelas limitações, quantificar os correspondentes efeitos e estabelecer critérios de qualidade adequados para diferentes tipologias de potenciais aplicações. Os referidos critérios foram sistematizados de acordo com metodologias de seleção propostas por Ashby e co-autores, tendo em vista o melhor desempenho dos materiais em aplicações representativas, designadamente com requisitos ao nível de densidade energética, tempo de resposta, potência de carga/descarga e gama de temperaturas de operação. Nesta sistematização foram incluídos alguns dos compósitos desenvolvidos durante o presente trabalho. A avaliação das limitações acima mencionadas deu origem ao desenvolvimento de materiais compósitos para acumulação de calor ou frio, com acentuada melhoria de resposta térmica, mediante incorporação de uma fase com condutividade térmica muito superior à da matriz. Para este efeito, foram desenvolvidos modelos para otimizar a distribuição espacial da fase condutora, de modo a superar os limites de percolação previstos por modelos clássicos de condução em compósitos com distribuição aleatória, visando melhorias de desempenho térmico com reduzidas frações de fase condutora e garantindo que a densidade energética não é significativamente afetada. Os modelos elaborados correspondem a compósitos de tipo core-shell, baseados em microestruturas celulares da fase de elevada condutividade térmica, impregnadas com o material de mudança de fase propriamente dito. Além de visarem a minimização da fração de fase condutora e correspondentes custos, os modelos de compósitos propostos tiveram em conta a adequação a métodos de processamento versáteis, reprodutíveis, preferencialmente com base na emulsificação de líquidos orgânicos em suspensões aquosas ou outros processos de reduzidas complexidade e com base em materiais de baixo custo (material de mudança de fase e fase condutora). O design da distribuição microestrutural também considerou a possibilidade de orientação preferencial de fases condutoras com elevada anisotropia (p.e. grafite), mediante auto-organização. Outros estágios do projeto foram subordinados a esses objetivos de desenvolvimento de compósitos com resposta térmica otimizada, em conformidade com previsões dos modelos de compósitos de tipo core-shell, acima mencionadas. Neste enquadramento, foram preparados 3 tipos de compósitos com organização celular da fase condutora, com as seguintes características e metodologias: i) compósitos celulares parafina-grafite para acumulação de calor, preparados in-situ por emulsificação de uma suspensão de grafite em parafina fundida; ii) compósitos celulares parafina-Al2O3 para acumulação de calor, preparados por impregnação de parafina em esqueleto cerâmico celular de Al2O3; iii) compósitos celulares para acumulação de frio, obtidos mediante impregnação de matrizes celulares de grafite com solução de colagénio, após preparação prévia das matrizes de grafite celular. Os compósitos com esqueleto cerâmico (ii) requereram o desenvolvimento prévio de um método para o seu processamento, baseado na emulsificação de suspensões de Al2O3 em parafina fundida, com adequados aditivos dispersantes, tensioactivos e consolidantes do esqueleto cerâmico, tornando-o auto-suportável durante as fases posteriores de eliminação da parafina, até à queima a alta temperatura, originando cerâmicos celulares com adequada resistência mecânica. Os compósitos desenvolvidos apresentam melhorias significativos de condutividade térmica, atingindo ganhos superiores a 1 ordem de grandeza com frações de fase condutora inferior a 10 % vol. (4 W m-1 K-1), em virtude da organização core-shell e com o contributo adicional da anisotropia da grafite, mediante orientação preferencial. Foram ainda preparados compósitos de armazenamento de frio (iii), com orientação aleatória da fase condutora, obtidos mediante gelificação de suspensões de partículas de grafite em solução aquosa de colagénio. Apesar da estabilidade microestrutural e de forma, conferida por gelificação, estes compósitos confirmaram a esperada limitação dos compósitos com distribuição aleatória, em confronto com os ganhos alcançados com a organização de tipo core-shell.

Estudo da maquinabilidade das ligas Ti-6Al-4V e Co-28Cr-6Mo na fresagem de dispositivos biomédicos

Os estudos de maquinabilidade de biomateriais e outros materiais aplicados na área médica são extensos. Todavia, muitos destes estudos recorrem a modelos de geometria regular e operações elementares de maquinagem. Relativamente a estas, os estudos académicos atualmente disponíveis mostram que a tecnologia preferencial é o torneamento, opção que se fundamenta na simplicidade de análise (corte ortogonal). Saliente-se ainda que, neste contexto, a liga de titânio Ti-6Al-4V constitui o biomaterial mais utilizado. Numa perspetiva complementar, refira-se que as publicações científicas evidenciam que a informação disponível sobre a fresagem Ti-6Al-4V não é muito extensa e a do Co-28Cr-6Mo é quase inexistente. A presente dissertação enquadra-se neste domínio e representa mais uma contribuição para o estudo da maquinabilidade das ligas de Titânio e de crómio-cobalto. A aplicação de operações de maquinagem complexas, através do recurso a programas informáticos de fabrico assistido por computador (CAM), em geometrias complexas, como é o caso das próteses femorais anatómicas, e o estudo comparativo da maquinabilidade das ligas Co-28Cr-6Mo e Ti-6Al-4V, constituem os objetivos fundamentais deste trabalho de doutoramento. Neste trabalho aborda-se a problemática da maquinabilidade das ligas metálicas usadas nos implantes ortopédicos, nomeadamente as ligas de titânio, de crómiocobalto e os aços Inoxidáveis. Efetua-se ainda um estudo da maquinagem de uma prótese femoral com uma forma geométrica complexa, onde as operações de corte foram geradas recorrendo às tecnologias de fabrico assistido por computador (CAD/CAM). Posteriormente, procedeu-se ao estudo da maquinabilidade das duas ligas usadas neste trabalho, dando uma atenção particular à determinação das forças de corte para diferentes velocidades de corte. Para além da monitorização da evolução da força de corte, o desgaste das ferramentas, a dureza e a rugosidade foram avaliadas, em função da velocidade de corte imposta. Por fim, com base nas estratégias de maquinagem adotadas, analisa-se a maquinabilidade e selecionam-se os parâmetros de corte mais favoráveis para as ligas de Titânio e Crómio-cobalto. Os resultados obtidos mostram que a liga de crómio-cobalto induz maior valor de força de corte do que a liga de titânio. Observa-se um aumento progressivo das forças de corte quando a velocidade de corte aumenta, até atingir o valor máximo para a velocidade de corte de 80m/min, após a qual, a força de corte tende a diminuir. Apesar do fabricante das ferramentas recomendar a velocidade de corte de 50 m/min para ambos os materiais, conclui-se que a velocidade de corte de 65 m/min induz o mesmo desgaste na ferramenta de corte no caso da liga de titânio, e menor desgaste no caso da liga de crómio-cobalto.

New HDPE/MCM41 nanocomposites with improved mechanical performance: synthesis and characterizatio

Ordered mesoporous silicas with a channel structure of well-defined geometries and dimensions at nanometer scale are excellent candidates to host intercalation reactions. In recent years, our research group has shown that mesoporous silicas of the M41S class combined with metallocene complexes give rise to excellent supported catalysts for ethylene polymerisation. Due to the support characteristics, the reaction is allowed to occur in the channels and in this way hybrid organic-inorganic materials can be prepared within a large range of nanofiller concentration. These HDPE/MCM-41 nanocomposites exhibit an improved mechanical performance and an easier degradability due to the additional role of MCM-41 as a promoter for PE degradation.

Computational analysis of quinoxalines N,N-Dioxide and ITS Derivates

A quinoxalina e seus derivativos são uma importante classe de compostos heterocíclicos, onde os elementos N, S e O substituem átomos de carbono no anel. A fórmula molecular da quinoxalina é C8H6N2, formada por dois anéis aromáticos, benzeno e pirazina. É rara em estado natural, mas a sua síntese é de fácil execução. Modificações na estrutura da quinoxalina proporcionam uma grande variedade de compostos e actividades, tais como actividades antimicrobiana, antiparasitária, antidiabética, antiproliferativa, anti-inflamatória, anticancerígena, antiglaucoma, antidepressiva apresentando antagonismo do receptor AMPA. Estes compostos também são importantes no campo industrial devido, por exemplo, ao seu poder na inibição da corrosão do metal. A química computacional, ramo natural da química teórica é um método bem desenvolvido, utilizado para representar estruturas moleculares, simulando o seu comportamento com as equações da física quântica e clássica. Existe no mercado uma grande variedade de ferramentas informaticas utilizadas na química computacional, que permitem o cálculo de energias, geometrias, frequências vibracionais, estados de transição, vias de reação, estados excitados e uma variedade de propriedades baseadas em várias funções de onda não correlacionadas e correlacionadas. Nesta medida, a sua aplicação ao estudo das quinoxalinas é importante para a determinação das suas características químicas, permitindo uma análise mais completa, em menos tempo, e com menos custos.

Drilling tool geometry evaluation for reinforced composite laminates

In this work, a comparative study on different drill point geometries and feed rate for composite laminates drilling is presented. For this goal, thrust force monitoring during drilling, hole wall roughness measurement and delamination extension assessment after drilling is accomplished. Delamination is evaluated using enhanced radiography combined with a dedicated computational platform that integrates algorithms of image processing and analysis. An experimental procedure was planned and consequences were evaluated. Results show that a cautious combination of the factors involved, like drill tip geometry or feed rate, can promote the reduction of delamination damage.

Low-loss austempered ductile iron gears: experimental evaluation comparing materials and lubricants

An experimental study to evaluate the power dissipation of gears was performed. Three low-loss gear models were manufactured using standard 20° pressure angle tools. Austempered ductile iron (ADI) and 20MnCr5 carburized steel gears were tested in an FZG gear test machine using mineral, ester and polyalphaolephine (PAO)-based oils. The results compare power dissipation, the influence of different tooth flank geometries, materials and lubricants. This work concludes that conventional power-transmission gears can be replaced by these improved and more efficient low–loss models, which can be produced using common tools and that steel gears can be successfully replaced by austempered ductile iron gears.

Mode III interlaminar fracture of carbon/epoxy laminates using the edge crack torsion (ECT) test

The mode III interlaminar fracture of carbon/epoxy laminates was evaluated with the edge crack torsion (ECT) test. Three-dimensional finite element analyses were performed in order to select two specimen geometries and an experimental data reduction scheme. Test results showed considerable non-linearity before the maximum load point and a significant R-curve effect. These features prevented an accurate definition of the initiation point. Nevertheless, analyses of non-linearity zones showed two likely initiation points corresponding to GIIIc values between 850 and 1100 J/m2 for both specimen geometries. Although any of these values is realistic, the range is too broad, thus showing the limitations of the ECT test and the need for further research.