Diseño de un módulo de IFMIF para irradiación de envolturas regeneradoras basadas en metales líquidos para reactores de fusión

La fusión nuclear es, hoy en día, una alternativa energética a la que la comunidad internacional dedica mucho esfuerzo. El objetivo es el de generar entre diez y cincuenta veces más energía que la que consume mediante reacciones de fusión que se producirán en una mezcla de deuterio (D) y tritio (T) en forma de plasma a doscientos millones de grados centígrados. En los futuros reactores nucleares de fusión será necesario producir el tritio utilizado como combustible en el propio reactor termonuclear. Este hecho supone dar un paso más que las actuales máquinas experimentales dedicadas fundamentalmente al estudio de la física del plasma. Así pues, el tritio, en un reactor de fusión, se produce en sus envolturas regeneradoras cuya misión fundamental es la de blindaje neutrónico, producir y recuperar tritio (fuel para la reacción DT del plasma) y por último convertir la energía de los neutrones en calor. Existen diferentes conceptos de envolturas que pueden ser sólidas o líquidas. Las primeras se basan en cerámicas de litio (Li2O, Li4SiO4, Li2TiO3, Li2ZrO3) y multiplicadores neutrónicos de Be, necesarios para conseguir la cantidad adecuada de tritio. Los segundos se basan en el uso de metales líquidos o sales fundidas (Li, LiPb, FLIBE, FLINABE) con multiplicadores neutrónicos de Be o el propio Pb en el caso de LiPb. Los materiales estructurales pasan por aceros ferrítico-martensíticos de baja activación, aleaciones de vanadio o incluso SiCf/SiC. Cada uno de los diferentes conceptos de envoltura tendrá una problemática asociada que se estudiará en el reactor experimental ITER (del inglés, “International Thermonuclear Experimental Reactor”). Sin embargo, ITER no puede responder las cuestiones asociadas al daño de materiales y el efecto de la radiación neutrónica en las diferentes funciones de las envolturas regeneradoras. Como referencia, la primera pared de un reactor de fusión de 4000MW recibiría 30 dpa/año (valores para Fe-56) mientras que en ITER se conseguirían <10 dpa en toda su vida útil. Esta tesis se encuadra en el acuerdo bilateral entre Europa y Japón denominado “Broader Approach Agreement “(BA) (2007-2017) en el cual España juega un papel destacable. Estos proyectos, complementarios con ITER, son el acelerador para pruebas de materiales IFMIF (del inglés, “International Fusion Materials Irradiation Facility”) y el dispositivo de fusión JT-60SA. Así, los efectos de la irradiación de materiales en materiales candidatos para reactores de fusión se estudiarán en IFMIF. El objetivo de esta tesis es el diseño de un módulo de IFMIF para irradiación de envolturas regeneradoras basadas en metales líquidos para reactores de fusión. El módulo se llamará LBVM (del inglés, “Liquid Breeder Validation Module”). La propuesta surge de la necesidad de irradiar materiales funcionales para envolturas regeneradoras líquidas para reactores de fusión debido a que el diseño conceptual de IFMIF no contaba con esta utilidad. Con objeto de analizar la viabilidad de la presente propuesta, se han realizado cálculos neutrónicos para evaluar la idoneidad de llevar a cabo experimentos relacionados con envolturas líquidas en IFMIF. Así, se han considerado diferentes candidatos a materiales funcionales de envolturas regeneradoras: Fe (base de los materiales estructurales), SiC (material candidato para los FCI´s (del inglés, “Flow Channel Inserts”) en una envoltura regeneradora líquida, SiO2 (candidato para recubrimientos antipermeación), CaO (candidato para recubrimientos aislantes), Al2O3 (candidato para recubrimientos antipermeación y aislantes) y AlN (material candidato para recubrimientos aislantes). En cada uno de estos materiales se han calculado los parámetros de irradiación más significativos (dpa, H/dpa y He/dpa) en diferentes posiciones de IFMIF. Estos valores se han comparado con los esperados en la primera pared y en la zona regeneradora de tritio de un reactor de fusión. Para ello se ha elegido un reactor tipo HCLL (del inglés, “Helium Cooled Lithium Lead”) por tratarse de uno de los más prometedores. Además, los valores también se han comparado con los que se obtendrían en un reactor rápido de fisión puesto que la mayoría de las irradiaciones actuales se hacen en reactores de este tipo. Como conclusión al análisis de viabilidad, se puede decir que los materiales funcionales para mantos regeneradores líquidos podrían probarse en la zona de medio flujo de IFMIF donde se obtendrían ratios de H/dpa y He/dpa muy parecidos a los esperados en las zonas más irradiadas de un reactor de fusión. Además, con el objetivo de ajustar todavía más los valores, se propone el uso de un moderador de W (a considerar en algunas campañas de irradiación solamente debido a que su uso hace que los valores de dpa totales disminuyan). Los valores obtenidos para un reactor de fisión refuerzan la idea de la necesidad del LBVM, ya que los valores obtenidos de H/dpa y He/dpa son muy inferiores a los esperados en fusión y, por lo tanto, no representativos. Una vez demostrada la idoneidad de IFMIF para irradiar envolturas regeneradoras líquidas, y del estudio de la problemática asociada a las envolturas líquidas, también incluida en esta tesis, se proponen tres tipos de experimentos diferentes como base de diseño del LBVM. Éstos se orientan en las necesidades de un reactor tipo HCLL aunque a lo largo de la tesis se discute la aplicabilidad para otros reactores e incluso se proponen experimentos adicionales. Así, la capacidad experimental del módulo estaría centrada en el estudio del comportamiento de litio plomo, permeación de tritio, corrosión y compatibilidad de materiales. Para cada uno de los experimentos se propone un esquema experimental, se definen las condiciones necesarias en el módulo y la instrumentación requerida para controlar y diagnosticar las cápsulas experimentales. Para llevar a cabo los experimentos propuestos se propone el LBVM, ubicado en la zona de medio flujo de IFMIF, en su celda caliente, y con capacidad para 16 cápsulas experimentales. Cada cápsula (24-22 mm de diámetro y 80 mm de altura) contendrá la aleación eutéctica LiPb (hasta 50 mm de la altura de la cápsula) en contacto con diferentes muestras de materiales. Ésta irá soportada en el interior de tubos de acero por los que circulará un gas de purga (He), necesario para arrastrar el tritio generado en el eutéctico y permeado a través de las paredes de las cápsulas (continuamente, durante irradiación). Estos tubos, a su vez, se instalarán en una carcasa también de acero que proporcionará soporte y refrigeración tanto a los tubos como a sus cápsulas experimentales interiores. El módulo, en su conjunto, permitirá la extracción de las señales experimentales y el gas de purga. Así, a través de la estación de medida de tritio y el sistema de control, se obtendrán los datos experimentales para su análisis y extracción de conclusiones experimentales. Además del análisis de datos experimentales, algunas de estas señales tendrán una función de seguridad y por tanto jugarán un papel primordial en la operación del módulo. Para el correcto funcionamiento de las cápsulas y poder controlar su temperatura, cada cápsula se equipará con un calentador eléctrico y por tanto el módulo requerirá también ser conectado a la alimentación eléctrica. El diseño del módulo y su lógica de operación se describe en detalle en esta tesis. La justificación técnica de cada una de las partes que componen el módulo se ha realizado con soporte de cálculos de transporte de tritio, termohidráulicos y mecánicos. Una de las principales conclusiones de los cálculos de transporte de tritio es que es perfectamente viable medir el tritio permeado en las cápsulas mediante cámaras de ionización y contadores proporcionales comerciales, con sensibilidades en el orden de 10-9 Bq/m3. Los resultados son aplicables a todos los experimentos, incluso si son cápsulas a bajas temperaturas o si llevan recubrimientos antipermeación. Desde un punto de vista de seguridad, el conocimiento de la cantidad de tritio que está siendo transportada con el gas de purga puede ser usado para detectar de ciertos problemas que puedan estar sucediendo en el módulo como por ejemplo, la rotura de una cápsula. Además, es necesario conocer el balance de tritio de la instalación. Las pérdidas esperadas el refrigerante y la celda caliente de IFMIF se pueden considerar despreciables para condiciones normales de funcionamiento. Los cálculos termohidráulicos se han realizado con el objetivo de optimizar el diseño de las cápsulas experimentales y el LBVM de manera que se pueda cumplir el principal requisito del módulo que es llevar a cabo los experimentos a temperaturas comprendidas entre 300-550ºC. Para ello, se ha dimensionado la refrigeración necesaria del módulo y evaluado la geometría de las cápsulas, tubos experimentales y la zona experimental del contenedor. Como consecuencia de los análisis realizados, se han elegido cápsulas y tubos cilíndricos instalados en compartimentos cilíndricos debido a su buen comportamiento mecánico (las tensiones debidas a la presión de los fluidos se ven reducidas significativamente con una geometría cilíndrica en lugar de prismática) y térmico (uniformidad de temperatura en las paredes de los tubos y cápsulas). Se han obtenido campos de presión, temperatura y velocidad en diferentes zonas críticas del módulo concluyendo que la presente propuesta es factible. Cabe destacar que el uso de códigos fluidodinámicos (e.g. ANSYS-CFX, utilizado en esta tesis) para el diseño de cápsulas experimentales de IFMIF no es directo. La razón de ello es que los modelos de turbulencia tienden a subestimar la temperatura de pared en mini canales de helio sometidos a altos flujos de calor debido al cambio de las propiedades del fluido cerca de la pared. Los diferentes modelos de turbulencia presentes en dicho código han tenido que ser estudiados con detalle y validados con resultados experimentales. El modelo SST (del inglés, “Shear Stress Transport Model”) para turbulencia en transición ha sido identificado como adecuado para simular el comportamiento del helio de refrigeración y la temperatura en las paredes de las cápsulas experimentales. Con la geometría propuesta y los valores principales de refrigeración y purga definidos, se ha analizado el comportamiento mecánico de cada uno de los tubos experimentales que contendrá el módulo. Los resultados de tensiones obtenidos, han sido comparados con los valores máximos recomendados en códigos de diseño estructural como el SDC-IC (del inglés, “Structural Design Criteria for ITER Components”) para así evaluar el grado de protección contra el colapso plástico. La conclusión del estudio muestra que la propuesta es mecánicamente robusta. El LBVM implica el uso de metales líquidos y la generación de tritio además del riesgo asociado a la activación neutrónica. Por ello, se han estudiado los riesgos asociados al uso de metales líquidos y el tritio. Además, se ha incluido una evaluación preliminar de los riesgos radiológicos asociados a la activación de materiales y el calor residual en el módulo después de la irradiación así como un escenario de pérdida de refrigerante. Los riesgos asociados al módulo de naturaleza convencional están asociados al manejo de metales líquidos cuyas reacciones con aire o agua se asocian con emisión de aerosoles y probabilidad de fuego. De entre los riesgos nucleares destacan la generación de gases radiactivos como el tritio u otros radioisótopos volátiles como el Po-210. No se espera que el módulo suponga un impacto medioambiental asociado a posibles escapes. Sin embargo, es necesario un manejo adecuado tanto de las cápsulas experimentales como del módulo contenedor así como de las líneas de purga durante operación. Después de un día de después de la parada, tras un año de irradiación, tendremos una dosis de contacto de 7000 Sv/h en la zona experimental del contenedor, 2300 Sv/h en la cápsula y 25 Sv/h en el LiPb. El uso por lo tanto de manipulación remota está previsto para el manejo del módulo irradiado. Por último, en esta tesis se ha estudiado también las posibilidades existentes para la fabricación del módulo. De entre las técnicas propuestas, destacan la electroerosión, soldaduras por haz de electrones o por soldadura láser. Las bases para el diseño final del LBVM han sido pues establecidas en el marco de este trabajo y han sido incluidas en el diseño intermedio de IFMIF, que será desarrollado en el futuro, como parte del diseño final de la instalación IFMIF. ABSTRACT Nuclear fusion is, today, an alternative energy source to which the international community devotes a great effort. The goal is to generate 10 to 50 times more energy than the input power by means of fusion reactions that occur in deuterium (D) and tritium (T) plasma at two hundred million degrees Celsius. In the future commercial reactors it will be necessary to breed the tritium used as fuel in situ, by the reactor itself. This constitutes a step further from current experimental machines dedicated mainly to the study of the plasma physics. Therefore, tritium, in fusion reactors, will be produced in the so-called breeder blankets whose primary mission is to provide neutron shielding, produce and recover tritium and convert the neutron energy into heat. There are different concepts of breeding blankets that can be separated into two main categories: solids or liquids. The former are based on ceramics containing lithium as Li2O , Li4SiO4 , Li2TiO3 , Li2ZrO3 and Be, used as a neutron multiplier, required to achieve the required amount of tritium. The liquid concepts are based on molten salts or liquid metals as pure Li, LiPb, FLIBE or FLINABE. These blankets use, as neutron multipliers, Be or Pb (in the case of the concepts based on LiPb). Proposed structural materials comprise various options, always with low activation characteristics, as low activation ferritic-martensitic steels, vanadium alloys or even SiCf/SiC. Each concept of breeding blanket has specific challenges that will be studied in the experimental reactor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). However, ITER cannot answer questions associated to material damage and the effect of neutron radiation in the different breeding blankets functions and performance. As a reference, the first wall of a fusion reactor of 4000 MW will receive about 30 dpa / year (values for Fe-56) , while values expected in ITER would be <10 dpa in its entire lifetime. Consequently, the irradiation effects on candidate materials for fusion reactors will be studied in IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility). This thesis fits in the framework of the bilateral agreement among Europe and Japan which is called “Broader Approach Agreement “(BA) (2007-2017) where Spain plays a key role. These projects, complementary to ITER, are mainly IFMIF and the fusion facility JT-60SA. The purpose of this thesis is the design of an irradiation module to test candidate materials for breeding blankets in IFMIF, the so-called Liquid Breeder Validation Module (LBVM). This proposal is born from the fact that this option was not considered in the conceptual design of the facility. As a first step, in order to study the feasibility of this proposal, neutronic calculations have been performed to estimate irradiation parameters in different materials foreseen for liquid breeding blankets. Various functional materials were considered: Fe (base of structural materials), SiC (candidate material for flow channel inserts, SiO2 (candidate for antipermeation coatings), CaO (candidate for insulating coatings), Al2O3 (candidate for antipermeation and insulating coatings) and AlN (candidate for insulation coating material). For each material, the most significant irradiation parameters have been calculated (dpa, H/dpa and He/dpa) in different positions of IFMIF. These values were compared to those expected in the first wall and breeding zone of a fusion reactor. For this exercise, a HCLL (Helium Cooled Lithium Lead) type was selected as it is one of the most promising options. In addition, estimated values were also compared with those obtained in a fast fission reactor since most of existing irradiations have been made in these installations. The main conclusion of this study is that the medium flux area of IFMIF offers a good irradiation environment to irradiate functional materials for liquid breeding blankets. The obtained ratios of H/dpa and He/dpa are very similar to those expected in the most irradiated areas of a fusion reactor. Moreover, with the aim of bringing the values further close, the use of a W moderator is proposed to be used only in some experimental campaigns (as obviously, the total amount of dpa decreases). The values of ratios obtained for a fission reactor, much lower than in a fusion reactor, reinforce the need of LBVM for IFMIF. Having demonstrated the suitability of IFMIF to irradiate functional materials for liquid breeding blankets, and an analysis of the main problems associated to each type of liquid breeding blanket, also presented in this thesis, three different experiments are proposed as basis for the design of the LBVM. These experiments are dedicated to the needs of a blanket HCLL type although the applicability of the module for other blankets is also discussed. Therefore, the experimental capability of the module is focused on the study of the behavior of the eutectic alloy LiPb, tritium permeation, corrosion and material compatibility. For each of the experiments proposed an experimental scheme is given explaining the different module conditions and defining the required instrumentation to control and monitor the experimental capsules. In order to carry out the proposed experiments, the LBVM is proposed, located in the medium flux area of the IFMIF hot cell, with capability of up to 16 experimental capsules. Each capsule (24-22 mm of diameter, 80 mm high) will contain the eutectic allow LiPb (up to 50 mm of capsule high) in contact with different material specimens. They will be supported inside rigs or steel pipes. Helium will be used as purge gas, to sweep the tritium generated in the eutectic and permeated through the capsule walls (continuously, during irradiation). These tubes, will be installed in a steel container providing support and cooling for the tubes and hence the inner experimental capsules. The experimental data will consist of on line monitoring signals and the analysis of purge gas by the tritium measurement station. In addition to the experimental signals, the module will produce signals having a safety function and therefore playing a major role in the operation of the module. For an adequate operation of the capsules and to control its temperature, each capsule will be equipped with an electrical heater so the module will to be connected to an electrical power supply. The technical justification behind the dimensioning of each of these parts forming the module is presented supported by tritium transport calculations, thermalhydraulic and structural analysis. One of the main conclusions of the tritium transport calculations is that the measure of the permeated tritium is perfectly achievable by commercial ionization chambers and proportional counters with sensitivity of 10-9 Bq/m3. The results are applicable to all experiments, even to low temperature capsules or to the ones using antipermeation coatings. From a safety point of view, the knowledge of the amount of tritium being swept by the purge gas is a clear indicator of certain problems that may be occurring in the module such a capsule rupture. In addition, the tritium balance in the installation should be known. Losses of purge gas permeated into the refrigerant and the hot cell itself through the container have been assessed concluding that they are negligible for normal operation. Thermal hydraulic calculations were performed in order to optimize the design of experimental capsules and LBVM to fulfill one of the main requirements of the module: to perform experiments at uniform temperatures between 300-550ºC. The necessary cooling of the module and the geometry of the capsules, rigs and testing area of the container were dimensioned. As a result of the analyses, cylindrical capsules and rigs in cylindrical compartments were selected because of their good mechanical behavior (stresses due to fluid pressure are reduced significantly with a cylindrical shape rather than prismatic) and thermal (temperature uniformity in the walls of the tubes and capsules). Fields of pressure, temperature and velocity in different critical areas of the module were obtained concluding that the proposal is feasible. It is important to mention that the use of fluid dynamic codes as ANSYS-CFX (used in this thesis) for designing experimental capsules for IFMIF is not direct. The reason for this is that, under strongly heated helium mini channels, turbulence models tend to underestimate the wall temperature because of the change of helium properties near the wall. Therefore, the different code turbulence models had to be studied in detail and validated against experimental results. ANSYS-CFX SST (Shear Stress Transport Model) for transitional turbulence model has been identified among many others as the suitable one for modeling the cooling helium and the temperature on the walls of experimental capsules. Once the geometry and the main purge and cooling parameters have been defined, the mechanical behavior of each experimental tube or rig including capsules is analyzed. Resulting stresses are compared with the maximum values recommended by applicable structural design codes such as the SDC- IC (Structural Design Criteria for ITER Components) in order to assess the degree of protection against plastic collapse. The conclusion shows that the proposal is mechanically robust. The LBVM involves the use of liquid metals, tritium and the risk associated with neutron activation. The risks related with the handling of liquid metals and tritium are studied in this thesis. In addition, the radiological risks associated with the activation of materials in the module and the residual heat after irradiation are evaluated, including a scenario of loss of coolant. Among the identified conventional risks associated with the module highlights the handling of liquid metals which reactions with water or air are accompanied by the emission of aerosols and fire probability. Regarding the nuclear risks, the generation of radioactive gases such as tritium or volatile radioisotopes such as Po-210 is the main hazard to be considered. An environmental impact associated to possible releases is not expected. Nevertheless, an appropriate handling of capsules, experimental tubes, and container including purge lines is required. After one day after shutdown and one year of irradiation, the experimental area of the module will present a contact dose rate of about 7000 Sv/h, 2300 Sv/h in the experimental capsules and 25 Sv/h in the LiPb. Therefore, the use of remote handling is envisaged for the irradiated module. Finally, the different possibilities for the module manufacturing have been studied. Among the proposed techniques highlights the electro discharge machining, brazing, electron beam welding or laser welding. The bases for the final design of the LBVM have been included in the framework of the this work and included in the intermediate design report of IFMIF which will be developed in future, as part of the IFMIF facility final design.

Diseño de un cuadricóptero de bajo coste basado en herramientas de software libre

El presente proyecto tiene como objetivo la realización de un cuadricóptero de bajo coste desarrollado con herramientas de software libre, con el fin de permitir el acceso y modificación del mismo a cualquiera que posea los conocimientos necesarios. Los cuadricópteros se definen como un vehículo aéreo no tripulado con cuatro rotores en los extremos. Los ejemplos existentes de estos tipos de vehículos son casi siempre de grandes cuadricópteros, los cuales utilizan diferentes tecnologías en los motores y control de los mismos. Los cuadricópteros de similar tamaño al que se pretende realizar son por lo general de compañías con hardware y software cerrado. En el caso de este proyecto se ha realizado un cuadricóptero de tamaño menor a 5 x 5 cm. La innovación que se propone con este proyecto es una forma de detectar obstáculos para cuadricópteros de tamaño similar, en los que la limitación del peso del dron supone una disminución de las opciones disponibles. Se desea que el cuadricóptero sea capaz de realizar un vuelo estable detectando y esquivando obstáculos sin necesidad de ayuda externa como operadores con mando de radio frecuencia. Para la creación del cuadricóptero, se ha realizado tanto el diseño de los esquemáticos como el diseño de las huellas para la utilización en el desarrollo de la PCB. Para ello se ha hecho uso de herramientas de software libre como es Kicad, software para el desarrollo de esquemáticos y placas de circuito impreso con las funcionalidades principales de cualquier software privativo relacionado. Se pretende de esta forma aportar a la literatura, un aspecto práctico de la realización de cuadricópteros, tanto desde los aspectos teóricos del diseño como los aspectos prácticos de la fabricación y soldadura de los componentes del cuadricóptero. En la realización del presente proyecto se ha tenido en cuenta los diferentes algoritmos que existen para la fusión de datos de la unidad de medida inercial, tanto la facilidad de implementación de los mismos como la facilidad de los cálculos resultantes de esta implementación. Se ha hecho una implementación de un filtro complementario, dando resultados satisfactorios debido a las características intrínsecas de la unidad de medida inercial. Además del filtro complementario, se ha realizado una implementación del filtro diseñado por Sebastian Madgwick [1]. Este filtro está especialmente diseñado para la fusión de los datos provenientes de la unidad de medida inercial, proporcionando la orientación del sistema haciendo uso de la representación en cuaternios de los datos del acelerómetro y giróscopo, permitiendo el uso del método del gradiente para el cálculo del error del giróscopo. Para la selección de los componentes, se ha hecho un análisis pormenorizado de las diferentes opciones disponibles, tomando como punto de partida los cuadricópteros que existen en la actualidad. Se han elegido estos componentes en función de las características de los mismos, prestando especial atención al tamaño, relacionado directamente con el peso de los mismos así como del precio, para lograr un cuadricóptero fácilmente reproducible de bajo coste. En este análisis se ha tenido en cuenta las dificultades existentes en la selección de determinados componentes como son los motores y las hélices. Al ser estos dos componentes caracterizados mediante tablas creadas por los fabricantes y usuarios de los mismos, la selección de los mismos se ha visto dificultada a la hora de elegir componentes de coste reducido al poseer poca información sobre los mismos. En especial, las formulas desarrolladas para el cálculo del empuje de los motores están directamente relacionados con los parámetros de las hélices. Estos parámetros están caracterizados para la mayoría de las hélices comerciales utilizadas en cuadricópteros. Para caracterizar las hélices se utiliza un banco de trabajo en donde es posible medir el empuje realizado por el conjunto del motor y hélice. En el caso del presente proyecto, no se disponía de la herramienta necesaria por lo que se ha realizado una estimación de los parámetros en función de las tablas disponibles para hélices similares de mayor tamaño. Para la elección de los sensores para la detección de los obstáculos se ha realizado un estudio de los diferentes sensores disponibles, analizando las ventajas y desventajas de los mismos para la elección del más adecuado para el proyecto. Se ha decidido el uso de sensores de distancia basados en tecnología infrarroja por ser los únicos que se adaptan a los requisitos de peso impuesto por el modelo. Además en este proyecto se ha realizado el montaje y soldadura de los componentes de la PCB. Estos componentes al ser de tamaño reducido, se ha comprobado que para la soldadura de los mismos es necesario el uso de herramientas especializadas, como puede ser estaciones de soldadura y pistola de aire caliente lo que dificulta su soldadura de manera no profesional. Al término de este proyecto se ha comprobado la dificultad de la realización de una correcta soldadura de los componentes, lo que introduce errores de conectividad entre los componentes, en concreto se ha detectado errores entre el microprocesador y unidad de medida inercial. Además de estos errores, se ha comprobado la dificultad de regular el sistema, no logrando un vuelo estable en el tiempo de escritura del presente proyecto. Por último se presenta el prototipo creado a lo largo del proyecto, al cual se le pueden hacer diferentes modificaciones como posibles líneas futuras, entre las que se encuentran una mejor regulación que permita el vuelo de un conjunto de drones.

Arte de ensayar con el soplete, cualitativa y cuantitativamente, los minerales, aleaciones y productos metalúrgicos /

Índice.

Modelação de juntas adesivas por modelos de dano coesivo utilizando o método direto

A utilização de adesivos hoje em dia encontra-se de tal forma disseminada que é transversal a diversos setores do mercado, como a indústria aeroespacial, aeronáutica, automóvel e do desporto. De facto, o uso de ligações adesivas em estruturas mecânicas tem vindo a crescer, na medida em que estes têm substituído os métodos de ligação convencionais, tais como brasagem, rebitagem, ligações aparafusadas e soldadura. No geral, as ligações adesivas apresentam diversas vantagens, desde a diminuição do peso, redução da concentração de tensões, facilidade de fabrico, bom comportamento a solicitações cíclicas e capacidade de unir materiais dissimilares. O crescente interesse da indústria nas ligações adesivas tem por base o aumento da confiabilidade nos métodos de previsão de resistência de estruturas adesivas. Neste contexto surgem os Modelos de Dano Coesivo, que permitem simular o crescimento do dano em estruturas, após introdução das leis coesivas previamente estimadas nos modelos numéricos. Uma das fases mais importantes neste método de previsão é a estimativa das leis coesivas em tração e corte, pelo que se torna de grande relevância a existência e validação de métodos precisos para a obtenção destas leis. Este trabalho visa a validação de leis coesivas em tração e corte, estimadas pela aplicação do método direto, na previsão da resistência de juntas com geometria de solicitação mista. Neste âmbito, ensaiaram-se JSS e JSD com diferentes comprimentos de sobreposição e com adesivos de diferente ductilidade. Foram considerados os adesivos Araldite® AV138, de elevada resistência e baixa ductilidade, o Araldite® 2015, de moderada ductilidade e resistência intermédia, e o SikaForce® 7752, de baixa resistência e elevada ductilidade. As leis coesivas em modo puro serviram de base para a criação de leis simplificadas triangulares, trapezoidais e linearesexponenciais, que foram testadas para cada um dos adesivos. A validação das mesmas consumou-se por comparação das previsões numéricas com os resultados experimentais. Procedeu-se também a uma análise de tensões de arrancamento e de corte no adesivo, de modo a compreender a influência das tensões na resistência das juntas. A utilização do método direto permitiu obter previsões de resistência bastante precisas, indicando as formas de leis coesivas mais adequadas para cada conjunto adesivo/geometria de junta. Para além disso, para as condições geométricas e materiais consideradas, este estudo permitiu concluir que não se cometem erros significativos na escolha de uma lei menos adequada.

Análisis y evaluación del control del actuador de un robot

Un robot es hoy día un elemento importante de la producción que se caracteriza principalmente por su flexibilidad. Esta flexibilidad lo convierte en una herramienta de propósito general, que puede adaptarse a aquello que debe producirse en cualquier momento simplemente mediante un cambio de programa. Esta característica los hace novedosos con respecto a las máquinas automáticas. En la Universidad del Valle, Departamento de Electricidad, se está realizando un proyecto en robótica industrial que tiene como fin construir un prototipo de un robot de soldadura, basados en el robot Miller MR-5 evaluado en Univalle y utilizado actualmente en la empresa Codinter Uda.

Aerogenerador de eje vertical

Este proyecto nace de la necesidad de tener energía eléctrica en cada hogar, debido al aumento de nuevos aparatos eléctricos, del aumento del coste de la energía por parte de las compañías eléctricas y de la inminente desaparición de los materiales fósiles como el petróleo o el carbón para la generación de electricidad. Para ello se crea este proyecto, para que comunidades de vecinos o viviendas aisladas, tengan la posibilidad de autoabastecerse de energía eléctrica. A pesar de un primer desembolso de dinero para su implantación, tras su implantación se verá reducida la factura de la luz. Este proyecto se compone de dos grandes subgrupos, la parte mecánica y la parte eléctrica o electrónica. De estas dos, nos hemos centrado en la parte mecánica. Que se descompone en varios subconjuntos que son; la base del aerogenerador, la jaula completa y el posicionamiento o la parte superior del aerogenerador. Cada subconjunto se divide en mas subconjunto y finalmente en cada componente. Para ello se ha realizado un pequeño estudio aerodinámico de las zonas ideales de colocación del aerogenerador, altura mínima de colocación para una optima generación. Por otra parte, para la elección del numero de alabes del rotor se ha tomado en cuenta un estudio realizado en un túnel de viento realizado por Ben F. Blackwell, Robert E. Sheldahl y Louis V. Feliz. En la que se llega a la conclusión que mas alabes no aumenta la eficiencia del aerogenerador. Por lo que se optó por un aerogenerador de dos alabes. Puesto que la eficiencia era pequeña debido a que cuando el aire golpea en un rotor desnudo, disminuye la velocidad de giro de éste por que el aire golpea en sus partes cóncavas y convexas generando fuerzas en sentidos opuestos. Por lo que se desarrollo un estator para la canalización del flujo del aire a los alabes del rotor. Este estator es de aberturas regulables según el caudal de aire que se disponga, también funciona como mecanismo de seguridad en caso de velocidades muy grandes de viento, para evitar que el rotor se embale y genere daños dentro de este. Este mecanismo de posicionamiento de los alabes del estator se regulan mediante un PLC que tiene varios sensores por el aerogenerador para abrir o cerrar el estator cuando haga falta. Debido a que el estator es semiautomático, se han previsto una serie de medidas de prevención de riesgos para evitar daños físicos. También es necesario que se coloque una barandilla que limite el espacio del aerogenerador o por el contrario delimitar el acceso de las azoteas a personal autorizado. El posicionamiento de los alabes del estator se controlan desde la parte superior del aerogenerador, mediante un motor step, un reductor y un disco del cual salen vástagos con garfios en el extremo que se unen al alabe móvil. La fijación entre vástago y garfio se realiza mediante un pasador. El motor step es quien proporciona un torque pequeño que al pasar por el reductor aumenta hasta darnos el par necesario para mover el conjunto de los alabes del estator con rachas de viento hasta . El motor step va fijado mediante una brida metálica al soporte de reductor para evitar que se mueva. El reductor se fija a la pieza mediante la cual pivota el disco de posicionamiento. La pieza de pivote se le han realizado una serie de rebajes disminuir el peso, por lo que para su conformado se realizará mediante inyección de plástico al igual que el garfio y el disco de posicionamiento. El aerogenerador esta sujeto mediante seis pilares inferiores y un pilar central que se encarga de sustentar el rotor. Estos pilares reparten el peso del aerogenerador y a su vez sostienen la pletina exterior que esconde los elementos que hay debajo como; la multiplicadora, el alternador, el cardan y el PLC. La pletina tendrá una abertura por la que el operario tendrá acceso a sus partes. La pletina exterior estará formada por varias láminas de acero unidas por cordones de soldadura. La pletina estará sujeta mediante tornillería a los pilares. El montaje de los subconjuntos se realizarán en el sitio donde se vaya a colocar el aerogenerador a excepción del reductor que es posible su montaje en taller. Previamente se tendrán que colocar barras roscadas en el suelo de la azotea para la posterior colocación y amarre de los pilares. En ese instante se colocará la multiplicadora y el alternador. La jaula junto con los alabes se montará encima de los pilares y a su vez se colocará el rotor. Posteriormente se colocará la tapa y el mecanismo de posicionamiento de los alabes y la cúpula. Una vez fijado el rotor se colocará el cardan que unirá rotor y multiplicadora. Se colocará el acople entre alternador y la multiplicadora. Se finalizara con el cierre de la pletina. Se colocarán los aparatos electrónicos que harán que el aerogenerador se comporte como un aparato semiautomático. En un compartimento dentro del edificio se colocarán baterías que acumularán la energía generada. En este habitáculo se colocará un aparato donde se visualice la potencia que se esta generando así como la velocidad de rotación y la velocidad del viento. Junto a este aparato un pulsador de parada de emergencia. Alrededor del aerogenerador se colocarán señales que indiquen los peligros que se pueden dar así como, las precauciones a tener en cuenta. Las medidas vendrán escritas en un documento junto con los mantenimientos que se han de dar. En la puerta de acceso a la azotea y en la ventana de acceso a los interiores del aerogenerador habrá un resumen del documento anteriormente descrito.

Aplicação do método de Elementos Finitos eXtendido (MEFX) para a previsão da resistência de juntas adesivas de sobreposição dupla

As ligações adesivas têm sido utilizadas em diversas áreas de aplicação. A utilização das juntas adesivas em aplicações industriais tem vindo a aumentar nos últimos anos, por causa das vantagens significativas que apresentam comparativamente com os métodos tradicionais de ligação tais como soldadura, ligações aparafusadas e rebitadas. A redução de peso, redução de concentrações de tensões e facilidade de fabrico são algumas das principais vantagens das ligações adesivas. Devido à crescente utilização das ligações adesivas, torna-se necessário a existência de ferramentas que permitam prever a resistência das juntas com elevada precisão. Assim, para a análise de juntas adesivas, está a ser cada vez mais utilizado o método de Elementos Finitos. Neste âmbito o Método de Elementos Finitos eXtendido (MEFX) perfila-se como um método capaz de prever o comportamento da junta, embora este ainda não esteja convenientemente estudado no que diz respeito à aplicação a juntas adesivas. Neste trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico pelo MEFX de juntas de sobreposição dupla, nas quais são aplicados adesivos que variam desde frágeis e rígidos, como o caso do Araldite® AV138, até adesivos mais dúcteis, como o Araldite® 2015 e o Sikaforce® 7888. Foram considerados substratos de alumínio (AW6082-T651) em juntas com diferentes comprimentos de sobreposição, sendo sujeitos a esforços de tração de forma a avaliar o seu desempenho. Na análise numérica foi realizada uma análise da distribuição de tensões na camada adesiva, a previsão da resistência das juntas pelo MEFX segundo critérios de iniciação de dano baseados em tensões e deformações, e ainda um estudo sobre o critério energético de propagação de dano. A análise por MEFX revelou que este método é bastante preciso quando usados os critérios de iniciação de dano MAXS e QUADS, e parâmetro com valor de 1 no critério energético de propagação de dano. Apesar de ser um método pouco estudado na literatura comparativamente com outros, o MEFX apresentou resultados muito satisfatórios.

Gestão Técnica Centralizada em Edifícios da Força Aérea

A investigação centra-se na aplicação da Gestão Técnica Centralizada como instrumento para a melhoria da eficiência energética dos edifícios e infraestruturas da Força Aérea Portuguesa e diminuição de pessoal afeto à sua manutenção, tendo por base, dois casos de estudo, o edifício QC12 do Centro de Formação Militar e Técnica da Força Aérea e o ECOTERMOLAB, pertencente ao Instituto de Soldadura e Qualidade. Da análise desenvolvida conclui-se que o funcionamento dos edifícios ECOTERMOLAB e QC12, com controlo por GTC, representam anualmente uma diminuição de consumo energético em 30% e 44% respetivamente e, uma redução de 50% nos recursos humanos afetos à instalação do QC12. Da viabilidade económica obtiveram-se as métricas de Valor Atual Líquido e a Taxa Interna de Rentabilidade positivos e um Período de Recuperação do Investimento, de 11,5 anos para ECOTERMOLAB e 10,7 anos para QC12. Por fim, teceram-se algumas recomendações, dirigidas à Força Aérea Portuguesa, com o intento de melhorar a eficiência energética elétrica e a redução de recursos humanos afetos. Abstract: The research is focused in the application of the Centered Technique Management as an instrument to improve the Portuguese Air Force buildings and infrastructures’ energetic efficiency and to reduce the staff in charge of its maintenance, based on two study cases, QC 12 building in The Air Force Military and Technique Training Center and ECOTERMOLAB, which belongs to Instituto de Soldadura e Qualidade (Quality and Welding Institute). From the analysis, one can conclude that the functioning of the ECOTERMOLAB and QC12 buildings, with GTC control, represents an annual consumption of less 30% and 44% respectively and a 50% reduction in the human resources of the QC 12. From the economical viability, it was possible to get the figures of the Net Present Value and the Internal Rate of Return and a Period of Return on Investment of 11,5 years for ECOTERMOLAB and 10,7 years for QC 12. Finally, some recommendations to the Portuguese Air Force were made, aiming the improvement of the electrical energetic efficiency and a reduction in human resources.

Generación de trayectorias y evaluación de desempeño de robots manipuladores

Actualmente, en los procesos de fabricación industrial los robots manipuladores son componentes esenciales, esto se debe a las diversas tareas que son capa es de realizar, tales como: ensamble, soldadura, manipulación de objetos, dispensación, entre otras. Sin embargo, di has aplicaciones son para escenarios geométricos limitados y simplificados, además la programación es compleja, por lo que se consume mucho tiempo en la programación. Entonces, cuando el volumen de producción es bajo o está en continuo cambio, sigue siendo necesaria la intervención de humanos expertos para realizar estas tareas. De acuerdo a lo anterior, en esta tesis se propone una metodología basada en sensores de unidad de medición inercial, en inglés Inertial Measurement Units (IMU), y fusión de sensores para la adquisición de las trayectorias realizadas por un humano, estimación de orientación en dos dimensiones y estimación de posición en 3 dimensiones. Además, se involucra el modelado de robots manipuladores, generación de trayectorias, control cinemático empleado en la programación del robot, y por último una evaluación de desempeño del movimiento del robot basado en índices de desempeño. Los resultados experimentales obtenidos muestran que la metodología aplicada es capaz de estimar la trayectoria (en posición y orientación) a partir de los datos adquiridos de la trayectoria realizada por un humano sin el uso de Sistemas de Visión Computacional (SVC). El propósito principal de esta investigación es el desarrollo de una metodología, en la cual los datos coordenados de las trayectorias realizadas por humanos expertos puedan ser emuladas lo más preciso posible por robots manipuladores, sin consumir demasiado tiempo en la programación manual de posición y movimiento del robot en cada punto de la trayectoria deseada.

Organização e gestão da manutenção dos ativos físicos do projeto Sonaref

Esta dissertação desenvolveu-se no âmbito da Organização e Gestão da Manutenção dos Ativos Físicos no Projeto Sonaref, que compreende a construção da nova Refinaria do Lobito na província de Benguela em Angola, com um orçamento de 6,4 mil milhões de dólares, propriedade da Sociedade Nacional de Combustíveis de Angola (Sonangol), dona da obra, em parceria com a multinacional Americana KBR (Kellogg, Brown & Root) responsável pelo desenho do projeto e fiscalização da sua execução, e a Odebrecht Angola que executa as obras de infraestruturas de apoio necessárias à instalação da nova Refinaria do Lobito, na qual a gestão dos equipamentos é responsável pela manutenção de todos os equipamentos do projeto. Possui um efetivo de 170 colaboradores (158 Nacionais e 12 Expatriados), controla uma frota de 141 equipamentos pesados, de 20 marcas diferentes (incluindo grupos geradores, torres de iluminação e máquinas de soldadura), e 47 equipamentos ligeiros. Durante o período de 2013 a 2014 teve um valor de aquisição de equipamentos orçamentado em 20,667,361.42USD, atingindo um valor residual técnico de 67% e contabilístico de 74%, perfazendo um total de 274,557 horas trabalhadas, tendo atingindo uma média anual de disponibilidade de 86%, e um rácio de equipamentos parados de 7%. A atividade manutenção está focada em dois grandes tipos de intervenções - preventiva, e corretiva/curativa - tendo esta última como causas principais, acidentes ocorridos e avarias (mecânica, elétrica ou outra). Porém, existem várias dificuldades, tais como a falta de um software de manutenção, problemas relacionados com a qualidade da execução das intervenções de manutenção devido à falta de técnicos especializados, num mercado com pouca disponibilidade de recursos, seja humanos com formação técnica adequada, seja na oferta de peças de reserva, o que obriga a recorrer a países terceiros, o que implica um tempo acrescido de espera. Constatou-se a necessidade de implementação de um software de gestão da manutenção e um processo de formação técnica especializada.

Implementación del método de aprendizaje basado en Proyectos en asignaturas de Ingeniería de Fabricación de los Grados de la Universidad de Málaga

El presente trabajo de innovación educativa pretende desarrollar las capacidades y competencias de los alumnos mediante la aplicación de un Proyecto que potencia el aprendizaje cooperativo. El alumno verá enriquecido su dominio de la disciplina a través de una coherente aplicación de los conocimientos adquiridos en una primera parte teórica de la asignatura. La interacción directa con otros alumnos, la exigibilidad individual, la reflexión sobre el funcionamiento del grupo y el desarrollo de las habilidades interpersonales son la base del aprendizaje cooperativo y la implementación del presente proyecto posibilita reducir las carencias que en estos aspectos muestra el alumnado universitario. El Proyecto puede ser denominado por el siguiente titular: ¿CÓMO SE FABRICA Y CÓMO FUNCIONA? En cada curso académico el Área de Ingeniería de Procesos de Fabricación (IPF) adquirirá un conjunto mecánico de complejidad media (p. e. cortasetos) que esté compuesto de un número adecuado de piezas fabricadas con distintos materiales (metal, polímeros, cerámicos, compuestos) y mediante diferentes procesos de fabricación (fundición, mecanizado, soldadura, deformación plástica, etc.). El proyecto partirá de una inicial descomposición por explosion de la totalidad de las piezas que forman el conjunto. Un posterior análisis establecerá las relaciones funcionales de los diferentes componentes y la naturaleza del material de cada uno de ellos, así como de las posibles alternativas a emplear en su fabricación.

Projeto de chassis para Formula Student

Neste trabalho é relatado o processo de projeto de um chassis para um veículo de Formula Student. Ao longo do relatório são abordados aspetos regulamentares, requisitos e objetivos técnicos, a interligação com os diversos sistemas do veículo, os aspetos relacionados com o projeto da estrutura, métodos de modelação para análise com recurso ao método dos elementos finitos, e por fim a análise dos esforços aplicados ao chassis e a validação do mesmo.

Melhoria contínua na indústria da metalomecânica

O principal objetivo deste projeto é compreender como se poderá aplicar a filosofia Lean Thinking, através das suas ferramentas e técnicas, e as melhorias que esta poderá potenciar à empresa no sector de metalomecânica. De forma a alcançar este objetivo, foi necessário observar as operações do fluxo produtivo, identificar as áreas e pontos críticos, realizar medições de tempo e distâncias percorridas, por forma a reduzir ou eliminar as atividades que não acrescentam valor ao produto, logo responsáveis pelo desperdício. Nos aspetos relativos à organização do espaço de trabalho, decidiu-se aplicar a metodologia 5S e realizar alterações ao layout, com o intuito de reduzir ou eliminar os desperdícios, aumentar a produtividade e eficiência, assim como facilitar a realização das tarefas dos colaboradores e reduzir custos. Relativamente ao tempo despendido pelos colaboradores para selecionarem, identificarem e obterem os itens na linha de montagem, foi possível reduzir significativamente para 73% devido à implementação da metodologia 5S e à otimização do layout. Em relação às deslocações desnecessárias que os colaboradores realizavam para selecionar, identificar e transportar os itens na secção de soldadura, obteve-se uma diminuição de aproximadamente 83% após a implementação da metodologia 5S e a otimização do layout, assim como no armazém 1 principal e a criação de um novo armazém de acesso exclusivo à secção de soldadura e linha de montagem. De facto, e face aos resultados obtidos, verifica-se que a implementação da filosofia Lean Thinking permitiu benefícios, tendo sido possível atingir o objetivo principal, deste trabalho: aplicar práticas de lean numa empresa metalomecânica. Adicionalmente, é de destacar que com a implementação do lean thinking foi possível “quebrar” mentalidades e paradigmas ao nível da cultura de trabalho na empresa e com uma boa aceitação dos colaboradores a esta filosofia.