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Doctoral Thesis in Science and Engineering of Polymers and Composites, In the recent years, the Portuguese Footwear industry seeks to affirm itself in a global competitive market, with high technical and innovative solutions able to offer high quality products. The Safety footwear market deserves special attention since the manufactured products are used to protect worker’s feet from potential hazards. The toe cap is one of the key components in safety shoes and one of the main contributors to the overall weight since most safety shoes are built with steel toe caps due to their high mechanical performance. Efforts have been made to replace these toe caps by non-metallic solutions, because they are lighter, provide better thermal and electrical insolation, and are insensitive to magnetic fields. However, most of these toe caps require higher volume concept to achieve a comparable performance to their metallic counterparts, causing aesthetic and design problems. This thesis aimed to foster new solutions based on the enhancement of polycarbonate (PC) mechanical properties and to establish a numerical methodology based on the OpenFOAM®. To this end, PC blends and PC (nano)composites were prepared by melt blending, with ABS, ABS-g-MA, SEBS-g-MA, COPE, nanoclay and natural fibers, and characterized in terms of morphology, topology, structure, tensile and impact behavior of each system. The results demonstrate that ductile to brittle transition mode is highly dependent on the polymeric system and that PC suffers extensive thermo-oxidative degradation during processing, which can be delayed by blending with the elastomeric materials. SEBS-g-MA and COPE can improve toughness, while nanoclay and natural fiber slightly increases the elastic modulus, and ABS and ABS-g-MA only show a marginal increase on both. For the numerical studies, a commercially available toe cap was characterized, and the corresponding tensile behavior was obtained to feed the numerical simulations. A toolbox developed within the OpenFOAM® for solid mechanics and fluid-solid interaction was used to simulate the EN 12568 tests (15 kN of compression force and 200 J of impact) required for safety footwear product approval, showing excellent agreement with the experimental data, with a maximum error of 6.8%., Nos últimos anos, a indústria Portuguesa do Calçado tenta afirmar-se num mercado global muito competitivo apresentando soluções inovadoras e de elevada qualidade. A área do calçado de segurança merece especial atenção devido à sua importância na fabricação de produtos de proteção para os pés dos trabalhadores. A biqueira é um dos componentes mais importantes nesta tipologia de calçado, sendo um dos maiores contribuidores para o peso, uma vez as biqueiras de aço são as mais utilizadas devido à sua elevada resistência mecânica. Vários esforços têm sido direcionados na sua substituição por materiais não-metálicos, porque são mais leves, são térmica e eletricamente isolantes, e não apresentam resposta magnética. Por outro lado, esta alternativa cria problemas estéticos e de design uma vez que requer uma maior espessura maior para obter a resistência comparável à das biqueiras metálicas. Esta tese teve como objetivo apresentar novas soluções que impulsionem o desenvolvimento de novas biqueiras não-metálicas, através de um estudo sobre a manipulação das propriedades do policarbonato (PC) e do desenvolvendo de uma metodologia numérica baseada em OpenFOAM® que permita ajudar na conceção de novos designs. Desta forma, misturas de PC e (nano)compósitos de PC foram preparados por mistura no fundido, com ABS, ABS-g-MA, SEBS-g-MA, COPE, nanoargila e fibras naturais, e procedeuse à caracterização da sua morfologia, topologia, estrutura e comportamento à tração e ao impacto. Os resultados mostraram que o modo de transição dúctil-frágil é dependente do sistema polimérico, e que o PC sofre extensa degradação termo-oxidativa durante o seu processamento, que pode ser amenizado com materiais elastoméricos. O SEBS-g-MA e o COPE promoveram tenacidade, a nanoargila e as fibras naturais aumentaram o módulo de elasticidade, e o ABS e o ABS-g-MA tiveram um impacto ligeiro em ambas as propriedades. Relativamente aos estudos numéricos, uma biqueira comercial foi caracterizada e a respetiva curva tensão-deformação do material foi usada para alimentar as simulações numéricas. A ferramenta numérica baseada em OpenFOAM® para mecânica de sólidos e interação de sólidos-fluidos foi utilizada para simular os ensaios da norma EN 12568 (15 kN de força de compressão e 200 J de energia de impacto) que são requeridos na validação de biqueiras para calçado de segurança, mostrando uma excelente concordância com os dados experimentais com um máximo de erro de 6.8%., Projeto IMPULSE - Polímeros e Compósitos: Drivers da inovação tecnológica e da competitividade industrial (NORTE-08-5369--FSE-000034), cofinanciado pelo Programa Operacional Regional do NORTE (NORTE 2020) através do Portugal 2020 e do Fundo Social Europeu (FSE), pela atribuição da bolsa de doutoramento que permitiu iniciar este projeto.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, Os equipamentos de proteção individual (EPI’s) apresentam elevada importância na segurança do trabalhador. O calçado de segurança apresenta-se como o equipamento de proteção individual que tem o intuito de proteger os pés. O calçado de segurança compreende dois componentes, a biqueira e a palmilha, que apresentam elevada importância para a boa funcionalidade deste equipamento. Como a biqueira contribui com 35% do peso final do calçado de segurança, é de extrema importância tentar reduzir o peso deste componente, de modo a melhorar as condições de trabalho do utilizador. O peso da biqueira é dependente do tipo de material utilizado para a sua fabricação, que atualmente pode ser feita com materiais metálicos e não metálicos. Os materiais metálicos utilizados mais usualmente são o aço e as ligas de alumínio e o não metálico é o material compósito. O presente estudo pretendeu avaliar numericamente o efeito do impacto numa biqueira, tentando encontrar alternativas que pudessem melhorar a capacidade de absorção de energia de impacto. Foi avaliado o comportamento elasto-plástico da biqueira através do software Ansys Workbench na sua componente de estudos dinâmicos explícitos, de forma a propor alterações geométricas que melhorem o desempenho do componente selecionado. Inicialmente foi proposto um aumento da espessura na zona superior, designada reforço da biqueira, posteriormente foi proposto um aumento da espessura por toda a biqueira e finalmente, após alguns resultados surgiu uma terceira proposta, onde não só foi aumentada a espessura no local dos reforços, como também foi efetuado um aumento de uma zona especifica., Personal protective equipment (PPE) has high importance on worker safety. The safety shoes are presented as the personal protective equipment which is intended to protect the feet. The safety shoes comprise two components, the toecap and insole, which have great importance for the proper functionality of this equipment. As the toe contributes 35% of the final weight of the safety shoes is extremely important to try to reduce the weight of this component in order to improve user's working conditions. The weight of the toecap is dependent on the type of material used for its manufacture, which can now be made with metallic and non-metallic materials. The most commonly used metallic materials are steel and aluminum alloys, and non metallic it is the composite material. This study aims to numerically evaluate the effect of impact on a toecap, trying to find alternatives that could improve the ability to impact energy absorption. The elastic-plastic the toecap behavior was evaluated using the Ansys Workbench software component in their explicit dynamic studies in order to propose geometric changes that improve the performance of the selected component. Initially, it was proposed to increase the thickness in the upper region, referred to reinforcing the toecap, and later it proposed an increase in thickness throughout the toecap, and finally, after some results came a third proposal, where the thickness was not only increased in the zone of the reinforcements, as has also made an increase of a specific zone.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, Com a preocupação crescente em garantir melhores condições de segurança nos postos de trabalho, aliado ao bom momento que o calçado português se encontra, o subsector do calçado de segurança tornou-se uma indústria promissora onde a necessidade de inovar deixou de ser uma opção para se tornar uma necessidade. Neste sentido, esta dissertação apresenta um estudo sobre todas as variáveis inerentes às inserções anti penetração existentes, visando optimizar o calçado de segurança existente. Este estudo propõe o desenvolvimento, recorrendo a técnicas de engenharia inversa, de uma nova inserção, completamente inovadora ao nível dos materiais e processos de fabrico utilizados. Por forma a complementar as temáticas relacionadas com a inserção anti penetração foram efectuadas varias visitas exploratórias a empresas deste sector, procurando reportar todas as variáveis importantes neste componente. Numa primeira fase são explicados conceitos teóricos relacionados não só com o componente em si mas também com o calçado de segurança em geral. Testes e análises experimentais foram efectuados para uma completa caracterização das inserções existentes até ao momento bem como de materiais inovadores. Foi também analisado numericamente, usando FEA (Analise por Elementos Finitos) a influência da espessura na deformação de inserções metálicas, quando sujeitas à penetração. Por fim, depois de compilada toda a informação adquirida, é apresentada uma solução de uma nova inserção anti penetração. Para o desenvolvimento desta solução foram usadas diferentes metodologias de engenharia inversa., With growing concern to ensure best health and safety conditions in the workplace, allied with the good moment that the Portuguese footwear, the safety footwear as a sub-sector has become a promising industry where the need for innovation is no longer an option but a necessity. In this sense, aiming an optimization of the existing safety footwear, this dissertation presents a study of all the variables inherent to a penetration resistant inserts. This study culminates with the development, using reverse engineering techniques, of a brand new penetration resistant insert, completely innovative in terms of materials and processes. Having in mind a complete study of all issues related to a penetration resistant insert, several industrials visits were made, to report the most important variables in this component. Initially, theoretical concepts are related not only to the component itself but also with the safety footwear in general. Tests and experimental analyzes were performed for a full characterization of existing products. Numerical analyses using FEA (finite element analyses) was also performed to study the influence of thickness in the metallic inserts deformation when subjected to penetration. Finally, after all the compiled information acquired, a solution of a brand new penetration resistant insert is proposed. To develop this solution, different reverse engineering methodologies were used.