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The tribological behavior of fly ash based geopolymer mixtures incorporating different types of industrial waste has been investigated. Therefore, 5 different geopolymer mixtures were analyzed, with the intent to retrieve information about their Coefficient of Friction (COF) and degradation by weight loss, as a result of direct contact with a stainless steel pin. A result analysis revealed varying results across the different mixture., Projeto Geodesign, info:eu-repo/semantics/publishedVersion

The effect of adding steelmaking ladle slag to fly ash based geopolymers has been studied. For that, flexural and compression strengths were evaluated at 7 and 28 days after curing. It can be concluded that the increase in fly ash content has a relevant effect on the various mechanical properties., W2V, SA, Geodesign, info:eu-repo/semantics/publishedVersion

The fracture resistance behavior of fly ash based geopolymer mixtures incorporating different types of industrial wastes has been investigated. Therefore, 4 different geopolymer mixtures were analyzed, with the intent to retrieve information about their Initial Flexural Stiffness (Ri), and Ultimate Load (Pu). A result analysis revealed that one type of mixture was considerably superior to the rest in terms of Initial Flexural Stiffness and Ultimate Load., W2V, SA, Geodesign, info:eu-repo/semantics/publishedVersion

The effect of adding several types of industrial wastes to fly ash based geopolymers has been studied. For that, flexural and compression strengths were evaluated at 7 and 28 days after curing. From the obtained results it seems that the incorporation of stone cutting sludge has some beneficial effect on the measured mechanical properties. However, the incorporation of ceramic wastes from ferrous foundry operations seems detrimental. These are preliminary results, further works being necessary to confirm these relationships., W2V, SA, Geodesign, info:eu-repo/semantics/publishedVersion

Background Several studies link the seamless fit of implant-supported prosthesis with the accuracy of the dental impression technique obtained during acquisition. In addition, factors such as implant angulation and coping shape contribute to implant misfit. Purpose To identify the most accurate impression technique and factors affecting the impression accuracy. Material and Methods A systematic review of peer-reviewed literature was conducted analyzing articles published between 2009 and 2013. The following search terms were used: implant impression, impression accuracy, and implant misfit. A total of 417 articles was identified, 32 were selected for review. Results All 32 selected studies refer to in vitro studies. Fourteen articles compare open and closed impression technique, 8 advocate the open technique and 6 report similar results. Other 14 articles evaluate splinted and non-splinted techniques; all advocating the splinted technique. Polyether material usage was reported in 9; 6 studies tested vinyl polysiloane and 1 study used irreversible hydrocolloid. Eight studies evaluated different copings designs. Intra-oral optical devices were compared in 4 studies. Conclusions The most accurate results were achieved with two configurations: (1) the optical intra-oral system with powder; and (2) the open technique with splinted squared transfer copings, using polyether as impression material., FCT – Fundação para a Ciência e Tecnologia in the scope of the Ph.D. grant SFRH/BD/68270/2010, project EXPL/BBB-BMD/2146/2013 and within the Project Scope UID/CEC/00319/2013

Series : Mechanisms and machine science, ISSN 2211-0984, vol. 24, The intradiscal pressure has been essential for prevent the spinal complaints by forming a basis for clinical advice to promote the correct sitting postures. As a consequence, it is evident the need of an accurate method for measure the intradiscal pressure, to better understand the disc response to hydorstatic pressure fluctuations. Numerous reviews regarding disc mechanics are available, including intradiscal pressure benchmarks; however, an analysis on the techniques of intradiscal pressure measurement is needed. Therefore, this review will remain focused on the methodologies adopted for measure the intradiscal pressure in several conditions: for different daily activities, under external loads and for values where occurs annulus fibrosus disruption. The importance of the intradiscal pressure on disc function will be discussed as well as the some guidelines for design new measurement techniques will be defined.

Pectus carinatum (PC) is a chest deformity caused by a disproportionate growth of the costal cartilages compared to the bony thoracic skeleton, pulling the sternum towards, which leads to its protrusion. There has been a growing interest on using the ‘reversed Nuss’ technique as a minimally invasive procedure for PC surgical correction. A corrective bar is introduced between the skin and the thoracic cage and positioned on top of the sternum highest protrusion area for continuous pressure. Then, it is fixed to the ribs and kept implanted for about 2–3 years. The purpose of this work was to (a) assess the stresses distribution on the thoracic cage that arise from the procedure, and (b) investigate the impact of different positioning of the corrective bar along the sternum. The higher stresses were generated on the 4th, 5th and 6th ribs backend, supporting the hypothesis of pectus deformities correction-induced scoliosis. The different bar positioning originated different stresses on the ribs' backend. The bar position that led to lower stresses generated on the ribs backend was the one that also led to the smallest sternum displacement. However, this may be preferred, as the risk of induced scoliosis is lowered., This work was financially supported by the Potuguese Foundation for Science and Techrnology (FCT) under the R&D project PTDC/SAU-BEB/103368/2008 and the fellowship SFRH/BPD/46851/2008.

The intervertebral disc (IVD) is subjected to several types of loading during daily routine events. However, the overloading on this structure induces higher intradiscal pressure (IDP), which could cause severe damage on its structure. This study describes a new approach to monitor IDP and determine the height disc variation by applying external pressure, while a motion segment (assembly composed by vertebra-disc-vertebra) compressed at a physiological load. This methodology includes the use of a pneumatic structure that applies a certain pressure on the hydrostatic system, forcing a fluid to enter into the motion segment, through a screw with a drilled hollow along its entire length with an internal bore. Preliminary results indicates these methodology presents high potential to efficiently pressurize the IVD, providing a useful tool to better understand the response of this structure under pressure.

Pectus excavatum is the most common congenital deformity of the anterior chest wall, in which an abnormal formation of the rib cage gives the chest a caved-in or sunken appearance. Today, the surgical correction of this deformity is carried out in children and adults through Nuss technic, which consists in the placement of a prosthetic bar under the sternum and over the ribs. Alth ough this technique has been shown to be safe and reliable, not all patients have achieved adequate cosmetic outcome. This often leads to psyc hological problems and social stress, before and after the surgical correction. This paper targets this particular problem by presenting a method to predict the patient surgical outcome based on pre-surgical imagiologic information and chest skin dynamic modulation. The proposed approach uses the patient pre-surgical thoracic CT scan and anatomical-surg ical references to perform a 3D segmentation of the left ribs, right ribs, sternum and skin. The technique encompasses three steps: a) approximation of the cartilages, between the ribs and the sternum, trough b-spline interpolation; b) a volu metric mass spring model that connects two layers - inner skin layer based on the outer pleura contour and the outer su rface skin; and c) displacement of the sternum according to the prosthetic bar position. A dynamic model of the skin around the chest wall region was generated, capable of simulating the effect of the movement of the prosthetic bar along the sternum. The results were compared and validated with patient postsurgical skin surface acquired with Polhemus FastSCAN system., Fundação para a Ciência e Tecnologia

Pectus excavatum is the most common congenital deformity of the anterior chest wall, in which several ribs and the sternum grow abnormally. Nowadays, the surgical correction is carried out in children and adults through Nuss technic. This technic has been shown to be safe with major drivers as cosmesis and the prevention of psychological problems and social stress. Nowadays, no application is known to predict the cosmetic outcome of the pectus excavatum surgical correction. Such tool could be used to help the surgeon and the patient in the moment of deciding the need for surgery correction. This work is a first step to predict postsurgical outcome in pectus excavatum surgery correction. Facing this goal, it was firstly determined a point cloud of the skin surface along the thoracic wall using Computed Tomography (before surgical correction) and the Polhemus FastSCAN (after the surgical correction). Then, a surface mesh was reconstructed from the two point clouds using a Radial Basis Function algorithm for further affine registration between the meshes. After registration, one studied the surgical correction influence area (SCIA) of the thoracic wall. This SCIA was used to train, test and validate artificial neural networks in order to predict the surgical outcome of pectus excavatum correction and to determine the degree of convergence of SCIA in different patients. Often, ANN did not converge to a satisfactory solution (each patient had its own deformity characteristics), thus invalidating the creation of a mathematical model capable of estimating, with satisfactory results, the postsurgical outcome., Fundação para a Ciência e a Tecnologia, Portugal (FCT) through the Postdoc grant referenced SFRH/BPD/46851/2008 and R&D project referenced PTDC/SAU-BEB/103368/2008.

This paper proposes a new stereo vision calibration procedure and laser strip detection for 3D surface measurements. In this calibration procedure the laser plane is the one that matters, only one set of laser-coplanar calibration points is needed for image cameras calibration; and a dead- zone scan area is considered, since the igitalization arm is assembled in a 3 degree-freedom machine PC-based Motion Control with multiple scan paths. It is also presented some algorithms for 3D surface treatment., Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)

Technical report 02 DEC/E-12

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, O presente relatório pretende descrever o projeto realizado no âmbito da Dissertação de mestrado, integrado no 5º ano do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica, da Universidade do Minho. Este trabalho decorre da realização de um estágio curricular, na empresa “O Feliz Metalomecânica S.A” e tem como objetivo, estudar a produção numa indústria de corte a laser e identificar os parâmetros e variáveis adjacentes ao processo, de forma a obter melhorias na qualidade do produto final e consequentemente na produtividade. Para a consecução deste projeto foi necessário definir as diferentes fases da produção, caracterizar os parâmetros da máquina laser, caracterizar a qualidade de superfície de corte, bem como das peças pós corte, relacionar a manutenção da máquina laser com a qualidade das peças, estudar a matéria-prima utilizada na empresa, rever os métodos de inspeção e controlo de qualidade, entre outras etapas que definem o processo de produção. Ainda no capítulo da qualidade, são analisados os instrumentos de medição utilizados na inspeção de peças e os métodos utilizados para o mesmo. É realizado um estudo dos principais defeitos encontrados nas peças pós corte, no qual são apontados os defeitos que ocorrem em maior número, referidas as causas aparentes e sempre que possível a solução adotada. Este estudo poderá permitir uma correção de algumas operações, de forma a evitar a ocorrência dos mesmos defeitos no futuro. Após uma breve introdução é realizado um pequeno estudo sobre o estado da arte, de seguida são apresentados os fundamentos teóricos, o estuda do controlo de qualidade, a gestão da produção e finalmente são referidas as conclusões do trabalho. Durante toda a dissertação, são especificadas as normas internacionais para os diferentes temas abordados., This report seeks to describe the project carried out in the framework of the Master Thesis, integrated in the 5th year of Integrated Master in Mechanical Engineering, University of Minho. This work follows the completion of a curricular traineeship in the company “O Feliz Metalomecânica S.A" with the objective of studying the production in an industry of laser cutting by identifying the parameters and variables adjacent to the process to obtain improvements in the quality of the final product and consequently on productivity. For the achievement of this project was necessary to define the various stages of production, characterize the laser cutting parameters as well as the quality of the cut surface and the parts after cutting, relate the laser equipment maintenance with the quality of parts, studying the raw material used, to review the methods of inspection and quality control, among other steps that define the production process. In the quality chapter, are analyzed the measuring instruments used in the inspection of parts and the methods used for the same. A study of the main defects found on parts after cutting is performed, in which are pointed out the defects which occur in larger number, the apparent causes and if possible the adopted solution. This study may allow a correction of certain operations in order to avoid the occurrence of the same defects in the future. After a brief introduction on the theme it is performed a brief study on the state of the art, followed by the theoretical foundations, the chapter of quality control, production management and finally are presented the conclusions of the project. During the entire thesis are specified the international standards for the various topics addressed.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, O trabalho exposto ao longo desta Dissertação descreve um projeto em desenvolvimento pela empresa Efacec, referente à evolução de componentes estruturais da parte ativa de um transformador de potência Core. O evento do curto-circuito é o acontecimento mais catastrófico na vida útil de um transformador que, quando tal é viável, implica correções dos danos causados, com manutenções bastantes dispendiosas. Assim, é necessário que os projetistas dos componentes estruturais do transformador tenham em conta os esforços provocados pelo curto-circuito de forma a evitar tais danos ou, pelo menos, a atenuá-los. A estrutura de acoplamento de um transformador Core tem como função proteger os constituintes da parte ativa do equipamento, evitando que os esforços mecânicos sejam aplicados sobre estes. O principal objetivo deste trabalho consistiu no estudo do comportamento dinâmico da estrutura de acoplamento, quando esta se encontra sujeita aos esforços gerados no evento de curtocircuito. Assim, com base na nova estrutura em desenvolvimento para o transformador Core, foi realizada uma análise das travessas. Para este componente, foi elaborado um algoritmo de cálculo capaz de apresentar o seu dimensionamento em função dos esforços a que se encontra sujeito. Esta análise permitiu também obter a flecha ao longo da travessa, sendo deduzida equação diferencial da linha elástica para as cargas consideradas. Neste componente, foi também analisado o seu comportamento dinâmico, tendo em conta os esforços resultantes do evento de curto-circuito. Por último, foi estudada a placa de núcleo, que faz parte da estrutura de acoplamento do transformador, tendo sido proposto um novo design para a ligação soldada existente. Neste estudo, as simulações numéricas foram validadas através de testes experimentais., The work exposed along this Dissertation describes a project under development by the company Efacec, concerning to the evolution of structural components of the active part of a power transformer Core. The ocurrence of short circuit is the most catastrophic event in the life cycle of a transformer. This event implies fixime the damage caused, when that is possible, which involves costly maintenance. Thus, it is necessary that the designers of the structural components of the transformer take into account the loads produced by short circuit in order to avoid such damages or, at least, mitigate them. The coupling structure of a Core transformer must protect the constituents of the active part of the equipment by preventing that mechanical loads are applied to them. The main objective of this work consisted in the study of the dynamic behavior of coupling structure, when it is subjected to the efforts generated during the event of short circuit. Thus, on the basis of the new structure in development for the transformer Core, it was conducted an analysis of the clamping. For this component, it was elaborated a calculation algorithm able to present its sizing according to the efforts to which is subjected. This analysis also enabled the evaluation of the deflection along the clamping, the differential equations of the elastic line were deducted for the applied loads. The dynamic behavior of this component was also analyzed, taking into account the efforts resulting from the event of short circuit. Finally, it was studied the tie bars, which is part of the coupling structure of the transformer, a new design for the existing welded connection was proposed. In this study, the numerical simulations have been validated through experimental tests.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, Durante o projeto de um transformador de potência é importante que se faça a prevenção da ocorrência de falhas que podem colocar o equipamento fora de serviço, e assim, gerar elevados prejuízos económicos, entre outros. De acordo com os vários registos na área das falhas dos transformadores de potência, aquela que apresenta uma maior taxa de ocorrência e que, por sinal, é a que coloca mais transformadores fora de serviço, é a falha por curto-circuito. O trabalho aqui desenvolvido relaciona-se com continuo desenvolvimento do projeto dos transformadores de potência tendo em vista a sua otimização, de forma a que o transformador mais recente resista mais e melhor do que o seu imediato antecessor. A Efacec Energia S.A. é um fabricante deste tipo de equipamentos tendo proporcionado e encorajado o estudo aqui desenvolvido. O conjunto de chapa magnética da culaça aliado às respetivas travessas são os elementos do circuito magnético dos transformadores de potência que terão de suportar os esforços de curto-circuito para garantir a integridade física do circuito magnético. O trabalho aqui desenvolvido encontra-se relacionado com a determinação dos esforços e dos deslocamentos que as chapas magnéticas da culaça e a travessa do circuito magnético têm de resistir. O conhecimento e a determinação destes valores em situação de curto-circuito permitirá influenciar o projeto estrutural dos transformadores de potência. No âmbito do trabalho desta Dissertação de Mestrado, foram executados vários ensaios experimentais a um protótipo do circuito magnético de um transformador de tipo Core. As chapas magnéticas, neste tipo de transformador, encontram-se sujeitas a uma força de aperto, que se converte em pressão, derivada do binário aplicado aos pernos da travessa. Assim, quando em situação de curtocircuito, devido ao aperto dos pernos a movimentação da culaça do circuito magnético e da travessa é limitada, mas não impossível. A travessa, para além de garantir um aperto teoricamente uniforme nas chapas magnéticas da culaça também serve para fazer o levantamento do circuito magnético durante o processo de montagem do transformador. Foram igualmente realizados testes aos binários de aperto dos pernos, por forma a validar os cálculos teóricos das forças de compressão teóricas. Os resultados obtidos permitiram ganhar conhecimentos numa área desconhecida para a Efacec, o que pode no futuro influenciar positivamente o projeto e o desenvolvimento dos novos transformadores., During the design of a power transformer it is important to make the prevention of failures that can put the equipment out of service, and thus generate high economic losses, among others. According to several records registered in the area of the faults in power transformers, the one that has a higher occurrence rate is the failure by short-circuit and, in consequence, is the one that puts more transformers out of service. The work developed here relates to the continuous development of the design of power transformers with a view to their optimization, so that the latest transformer resist more and better than its immediate predecessor. The company Efacec Energia SA is a manufacturer of this type of equipment that has provided and encouraged the study developed here. The magnetic sheets of the yoke combined with the transformer frame are the elements of the magnetic circuit of the power transformers that will bear the short-circuit efforts to ensure the physical integrity of the magnetic circuit. The work developed here is related to determining the efforts and displacements that the magnetic sheets of the yoke and the frame of the magnetic circuit must resist. The knowledge and determination of these values in a short-circuit situation will influence the structural design of power transformers. In the work of this Thesis, were executed several experimental tests on a prototype of the magnetic circuit of a Core type transformer. In this type of power transformer, the magnetic sheets are subjected to a clamping force, which becomes pressure, derived from the torque applied to the pins of the transformer frame. Thus, when in a short-circuit situation, due to tightening of the bolts, the displacement of the magnetic circuit and of the frame is limited, but not impossible. The frame, as well as ensure a theoretically uniform tightening of magnetic sheets of the yoke, also serves to lift the magnetic circuit during the assembly process transformer They were also executed tests about the torque applied to the bolts in a way to validate the theoretical calculations of the compressive forces. The results achieved, allowed Efacec to gain knowledge in an unknown area, which can positively influence the future design and development of new transformers.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, Este relatório descreve o projeto realizado no âmbito da dissertação de mestrado, integrado no 5º ano do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica da Universidade do Minho. Este trabalho tem como principal objetivo a análise e melhoria do modelo de orçamentação de uma empresa que se dedica ao corte térmico (laser, oxicorte e plasma) e à quinagem das peças após o corte. O outro objetivo passa pela racionalização do processo, isto é a sugestão de melhorias no processo que ocorre desde o pedido do cliente até à conclusão das encomendas. O corte térmico, especialmente o corte laser, sofreu uma grande evolução ao longo dos últimos anos e durante estes anos as empresas têm convergido para esta tecnologia que é mais rápida, precisa e limpa do que outras tecnologias de corte. A primeira parte do trabalho foi feita na própria empresa, através de um estágio na empresa O Feliz Metalomecânica que permitiu a observação e estudo do modelo de orçamentação utilizado na área de negócio “Corte Laser”. O estágio durou 5 meses e o contacto diário permitiu conhecer com bastante clareza o modelo utilizado pela empresa, alicerçado em dois fatores fundamentais: tempo efetivo de corte e matéria-prima necessária. Neste trabalho descrevem-se todas as envolventes características da empresa e da própria área de negócio para que mais facilmente se perceba origem de algumas decisões. Ao longo do relatório descrevem-se também as principais limitações e problemas que decorrem do modelo atual para a orçamentação e debate-se a necessidade de alterar alguns parâmetros para calcular os custos associados a cada encomenda de uma forma mais racional. Como resultado final descreve-se um novo modelo (em que são considerados outros fatores para o apuramento de custos) que permitirá à empresa focar-se em novos mercados aumentando a viabilidade financeira associada ao negócio. As medidas sugeridas ao longo relatório podem ser positivas para uma melhor estimativa de custos porém implicariam naturais alterações na organização da estrutura da empresa e no planeamento da produção. Desse modo a implementação de um novo modelo teria de decorrer de forma faseada e sustentada de forma a não comprometer as rotinas da empresa nem os seus resultados., This report aims to describe the project carried out under the master's thesis, part of the 5th year of the Integrated Masters in Mechanical Engineering from the University of Minho. This paper focuses mainly on the budgeting model of a company that is dedicated to thermal cutting (laser, oxyfuel and plasma) and the bending of the pieces after cutting. The thermal cutting technologies, especially laser cutting, has undergone a major evolution over the past few years and during these years companies have converged to this technology that is faster, more accurate and cleaner than other cutting technologies. The first part of the work was done in-the company, through an internship at the “O Feliz Metalomecânica S.A.” which allowed the observation and study of the budgeting model used in the business area "Laser Cutting". The internship lasted 5 months and the daily contact allowed to understand quite clearly the model used by the company, based on two key factors: effective cutting time and raw material required. This paper describes all the enterprise features and the business area itself so that more easily the foundation of some decisions is understood. Throughout the report describes also the main limitations and problems arising from the current model for budgeting and debate the need to change some parameters as a manner to calculate the costs associated with each order in a more rational way. The end result describes a new model (where other factors are considered for cost calculation) that will allow the company to focus on new markets increasing the financial viability associated with the business. The procedures suggested throughout the report can be positive for a better estimate of costs but natural imply changes in the organization of the company structure and production planning. Thereby implementing a new model would have to take place in a phased and sustained manner so neither compromise the company's routines nor its results.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Electrónica Industrial e de Computadores, Nos dias de hoje, devido ao evidente aumento da eficiência dos processos onde procedimentos automáticos e autónomos são empregues, é inevitável projetar um sistema sem equacionar a utilização de técnicas computadorizadas. A elaboração desta dissertação tem como foco principal a integração de novas funcionalidades provenientes da evolução tecnológica, num sistema automatizado. De um modo mais detalhado, atualmente o manuseamento automático de máquinas a nível industrial é dominado pelos sistemas de controlo numérico, baseados na linguagem de programação denominada de Código-G. Um sistema deste tipo é definido como a operação de uma máquina através de um conjunto de instruções constituídas por números, letras do alfabeto e símbolos que a unidade de controlo consiga interpretar [2]. Tendo em consideração que o Código-G já foi diversamente testado e corroborado, o objetivo desta dissertação é então desenvolver uma aplicação de software que permita a conversão de instruções escritas nesta linguagem, numa linguagem de alto nível interpretável pelos controladores abertos da National Instruments. Posto isto, de acordo com a análise realizada do sistema físico no qual a aplicação concebida será executada, foram então estabelecidas quais as instruções que se pretendem que sejam reconhecidas pelo sistema, designadamente os comandos G00, G01, G02, G03, G20, G21, G90 e G91. Não obstante, recorrendo à implementação de mecanismos de programação sempre com o intuito de tornar o software desenvolvido o mais genérico possível, obteve-se um programa que reconhece não só o conjunto de instruções escolhido, como também possui uma estrutura passível de integrar facilmente novas instruções no mesmo. Por fim, após realizados diversos testes utilizando ficheiros escritos em Código-G com diferentes combinações das instruções escolhidas, foi possível confirmar o bom funcionamento da aplicação de software desenvolvida. Mais especificamente, o programa concebido tem a capacidade de executar movimentos retilíneos com diferentes velocidades, movimentos circulares numa gama de 0 a 360 graus, executar ficheiros em milímetros ou inches e ainda operar em modo absoluto ou relativo., Nowadays, due to the evident increased efficiency of processes where automatic and autonomous procedures are used, it is inevitable designing a system without equating the use of computerized techniques. The development of this master thesis is mainly focused on the integration of new attributes arising from technological evolution, in an automated system. In greater detail, nowadays the automatic handling machine at an industrial level is dominated by the numerical control systems, based on a programming language called G-code. Such a system is defined as the operation of a machine through a set of instructions consisting of numbers, letters of the alphabet and symbols which the control unit is able to interpret [2]. Given that G-code has been diversely tested and corroborated, the aim of this master thesis is then to develop a software application that enables the conversion of instructions written in this language, in an interpretable high-level language for the open controllers from National Instruments. That being said, according to performed analysis of the physical system on which the application is designed to run, were then established which instructions are intended to be recognized by the system, namely the commands G00, G01, G02, G03, G20, G21, G90 and G91. Nevertheless, the implementation of programming mechanisms always aiming to make the developed software as generic as possible, allowed the creation of a program that recognizes not only the instruction set defined, but also has a structure capable of integrating new commands easily. Finally, after several tests performed using files written in G-code containing different combinations of the chosen instructions, it was possible to confirm the proper functioning of the developed software application. More specifically, the conceived program is able to perform rectilinear movements with different velocities, circular movements with a range of 0 to 360 degrees, execute files in millimeters or inches, and operate in absolute or relative mode.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, A presente dissertação resulta da validação de resultados de um projeto de um cliente da Conformetal, associando-se este trabalho à tese de mestrado em Engenharia Mecânica. Neste, são abordados vários aspetos ligados à construção de estruturas utilizando perfilaria ligeira em aço. Para iniciar o trabalho, desenvolveu-se uma pesquisa exaustiva sobre todos os aspetos fulcrais na utilização e construção de perfis, aproveitando-se para isso o conhecimento dos colaboradores da empresa. A partir daí, foi possível projetar uma estrutura que cumprisse os requisitos impostos pelo cliente. As fases seguintes focaram-se no estudo de mercado já dentro da estrutura idealizada, bem como o dimensionamento e validação por elementos finitos de todos os componentes intervenientes na estrutura. Para confirmação de todos os valores, utilizou-se também um modelo físico para fazer ensaios experimentais, confirmando assim o comportamento da estrutura quando sujeita às cargas impostas. Outros dos aspetos fundamentais deste projeto foi a análise económica, visto ser um projeto destinado à exportação, bem como a existência de alternativas exequíveis para a mesma estrutura., The present dissertation is the result of the validation results from a project for Conformetal client, associating this work with master's thesis in Mechanical Engineering. In this report are discussed various aspects related to construction of structures using light steel profiles. To beginning work, has been developed an exhaustive search of main aspects of the use and construction of profiles, taking advantage of company's employee’s knowledge. Thenceforth, was possible design a structure that would meet the requirements of the client. The following phases were focused on market research into the structure already conceived by the client, as well the design and validation structure components by finite element method. Verifying for all values, there were also used a physical model to experimental tests, thus confirming the performance of the structure when subjected to imposed loads. Other key aspects of this project was the economic analysis, once this is a project to export, as well as the existence of feasible alternatives to the same structure.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, Os transformadores de potência são dos equipamentos mais importantes e críticos na cadeia de produção e transporte de energia elétrica. Torna-se assim necessário, durante o projeto do transformador prevenir a ocorrência de falhas que possam danificar e até mesmo destruir este equipamento. O curto-circuito é uma das falhas mais comum no funcionamento do transformador, e ao mesmo tempo pode ser uma das mais caras que ocorre nos transformadores de potência. A força gerada pelo curto-circuito atua fundamentalmente na direção perpendicular às galetes fazendo com que sejam pressionadas contra a parede paralela do grande reforço e o circuito magnético. O grande reforço é uma estrutura desenvolvida pela Efacec para os transformadores de potência do tipo shell, em que a sua função é proteger a parte ativa, suportando as forças de origem eletromagnética mantendo a integridade da parte ativa e em condições de funcionamento. O principal objetivo desta Dissertação de Mestrado consiste no estudo do comportamento dinâmico do grande reforço quando este é sujeito a forças eletromagnéticas produzidas pela ocorrência do curto-circuito. Assim, com base numa nova geometria do grande reforço para o transformador de potência do tipo shell, foram analisadas quatro novas ligas de aço, duas de aço estrutural e duas de aço de alta resistência (AHSS), e as suas características mecânicas foram, igualmente, objeto de análise em laboratório através da realização de ensaios de tração. Foram ainda realizados alguns ensaios experimentais de validação do software de elementos finitos SolidWorks Simulation. Inicialmente foi estudado o modelo elasto-plástico de uma viga simplesmente apoiada sujeita à flexão, e comparados os valores com os métodos analítico e numérico. Na segunda parte deste trabalho foi validado o modelo geométrico da estrutura do grande reforço em que se compararam os valores dos ensaios experimentais, realizados a pedido da Efacec no Laboratório de Ensaio de Materiais do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Minho, com os valores calculados no software. No final foram estudados os comportamentos dinâmicos do grande reforço para as quatro ligas de aço já referidas e comparados os três modelos usados no dimensionamento, elástico e plástico para cargas estáticas e plástico para cargas dinâmicas., Power transformers are the most important and critical equipments in the electric energy production chain and transportation. Therefore, it is necessary, during transformer's design, to avoid failures that can damage or even destroy this equipments. The short-circuit is one of the most common failure on operating transformer, and at the same time it is the most expensive that occurs on power transformers. Efforts resulting from short-circuit act perpendicularly to the pancake coils make them be pressed to the main frame parallel wall and core. The main frame is an engineering structure designed by Efacec for shell-type power transformers, that its function is to protect the active part, by supporting the electromagnetic forces, keeping the integrity of active part and operating conditions. The main objective of this Master's Thesis was the study of the dynamic behavior of the main frame when it is subject to electromagnetic forces produced by short-circuit occurrence. Thus, based on a new geometry of the main frame for shell type power transformer, four new alloy steels were studied, two mild steels and another two advanced high strength steels (AHSS), and their mechanical properties were object of laboratory analysis using tensile tests. Some experimental validation tests were realized using the finite elements software SolidWorks Simulation. Initially, the elastic-plastic model was studied using a simply supported beam subjected to bending, whose values were analyzed and compared with analytical and numerical methods. Secondly, the geometrical model of main frame structure was validated using the results of experimental tests made by Efacec's request in Laboratory of Materials Test in Department of Mechanical Engineering from University of Minho, and then compared with the calculated values using finite elements software. Finally, the dynamic behavior of main frame for the four alloy steels cited were studied, and the three models used on design were compared, elastic and plastic to static loads, and plastic to dynamic loads.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, Este relatório tem como função descrever o projecto realizado no âmbito da Dissertação de mestrado, integrado no 5º ano do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica, da Universidade do Minho. Este trabalho foi realizado no âmbito de um estágio curricular, na empresa O Feliz Metalomecânica S.A, onde foi feito um estudo das estruturas mais requisitadas à empresa, com o objectivo de obter um documento de fácil consulta, com os perfis necessários para cada estrutura. Para a execução deste projecto é necessário definir as acções que actuam nas estruturas e quantifica-las, e para tal são usadas as normas em vigor, nomeadamente os Eurocódigos e o Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Edifícios e Pontes. Das acções que actuam neste tipo de estruturas, a mais complexa de quantificar é a acção do vento, pois é variável, de acordo com a altura do edifício, da sua localização, da área exterior dos edifícios, da direcção do vento e actua de forma diferente nas diversas zonas do edifício. Esta dificuldade faz com que boa parte do relatório aborde o cálculo desta acção. Para além da definição e quantificação das acções que actuam nas estruturas, é necessário analisá-las, e para tal foi utilizado o software Autodesk Robot Structural Analisys, através do qual são efectuados os cálculos estruturais e o cálculo de algumas ligações importantes. Após uma breve introdução, vem um pequeno estudo sobre o estado da arte, de seguida tem-se os fundamentos teóricos, determinação das acções do vento nas estruturas, o cálculo estrutural dos edifícios, o estudo das ligações, os resultados obtidos, a discussão dos resultados, as conclusões e por último as propostas para trabalhos futuros. Como resultado final deste projecto obtém-se três documentos distintos, um com a análise de todos os edifícios para seis tipos de travamentos diferentes, outro com as soluções mais vantajosas de cada edifício e por último um documento com as características das ligações estudadas., This document has like function to describe the project realized within the dissertation, which belongs to the 5th year of the Integrated Masters in Mechanical Engineering, of the University of Minho. This work was realized in ambit of curricular stage, in the company O Feliz Metalomecânica S.A, where a study was made of the structures most requested company, in order to obtain an easy consultation document, with the profiles required for each structural element. For the implementation of this is necessary to define the actions that act on structures, and quantify them, and are used for such rules, including the Eurocodes and Safety Regulations and Actions for Structures of Buildings and Bridges. Actions operating in this type of structures, the more complex to quantify is the effect of the wind, because is variable, according to building height, your location, the area outside the buildings, wind direction, and acts differently in different areas of the building. This difficulty makes much of the report deals with this topic. In addition to defining and quantifying the actions which act on structures, is necessary to analyze them, and for this was used Autodesk Robot Structural Analysis, whereby the structural calculations and the calculation of some important connections are realized. After a brief introduction, comes a small study on the state of the art, then it has the theoretical foundations, the determination of wind actions in the structures, the structural calculation of the buildings, the study of connections, the obtained results, the discussion of the results, the conclusions and lastly the proposals for future work. As a final result of this project we obtain three separate documents, one with the analysis of all buildings for six different types of lockups, one with the most viable solutions for each building and finally a document with the characteristics of the studied connections.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, Este trabalho incide sobre a necessidade gerada de criação de um equipamento que permita produzir pequenas peças de aglomerado de partículas com reaproveitamento de resíduos de madeira, especialmente a serradura de pinho, resultante da serração de toros de pinheiro. A inexistência ou total desconhecimento da existência de um equipamento que possa servir de base para o atual projeto, levou à necessidade de inovar e realizar de um projeto de raiz em que a Engenharia de Produto existente, obtida de uma forma mais artesanal, produz parte dos requisitos necessários ao projeto do equipamento. O modelo escolhido de equipamento criado foi dimensionado satisfazendo os requisitos, com recurso a métodos analíticos, validados ao longo do trabalho a partir de diversas ferramentas informáticas e ensaios experimentais. Para análises pelo método dos deslocamentos foi utilizado o software CYPE e para análises pelo método de elementos finitos foi utilizado o software Solidworks Simulation., This work focuses on the need to create a generated equipment to produce small pieces of agglomerate particles with reuse of waste wood, especially pine sawdust, resulting from sawing pine logs. The lack or total ignorance of the existence of a device that can serve as the basis for the current project, led to the need to innovate and perform a root project where the existing Product Engineering, obtained a more handmade, produces some of the requirements for the equipment design. The model chosen equipment created was initially dimensioned meeting the requirements, using analytical methods, validated over the work from various computer tools and experimental tests. For analysis by the displacement method was used CYPE software and analyzes by finite element method was used SolidWorks Simulation software.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, Devido ao crescimento da competitividade do mercado global, ao aumento da capacidade da rede de distribuição elétrica e das normas mais restritas ao nível do ruído, os produtores de equipamentos como um transformador de potência, têm de otimizar constantemente os seus produtos. A empresa Efacec Energia S.A. não é exceção. Deste modo, o trabalho apresentado, vem precisamente efetuar uma tentativa de melhoramento estrutural do grande reforço utilizado pela empresa referida nos seus transformadores de alta potência do tipo-Shell. Neste trabalho, apresenta-se a seleção de um novo modelo de grande reforço, cuja geometria e/ou material de fabricação foram alterados para permitir uma redução de massa e um aumento da eficiência estrutural. São também apresentados ensaios mecânicos de materiais, para a validação e determinação dos valores reais das características mecânicas usadas na fabricação destes componentes. Adicionalmente, os dados gerados por estes ensaios, serão usados em simulações numéricas para otimização e determinação do comportamento desta estrutura. Finalmente, neste texto, apresenta-se a caracterização dinâmica do grande reforço, pela apresentação dos resultados decorrentes de análises modais experimentais e numéricas. Estes estabelecem que o componente em questão tem frequências naturais, em corpo livre, próximas das de excitação de um transformador., Due to the increase of competiveness in the global market, the constant increase of the capacity of power lines and the more restrictive noise policies, the manufacturers of equipment such as a Power Transformer, have to constantly update their products. The company Efacec Energia S.A. is no exception. Given this statement, the information presented in the thesis, shows an attempt to optimize the main frame, used the referred company in their Shell-type Power Transformers. In this dissertation, it is shown the selection of a new model of main frame, with a different internal geometry and/or manufacturing material, in order to reduce mass and increase structural efficiency. There are also presented tensile tests to materials used in the manufacturing of the referred structure, in order to determine and validate their real mechanical characteristics. Additionally, the generated data will be used in the optimization and the determination of the dynamic behavior of this structure, recurring it numerical simulations. There are also presents mechanical testing to materials that are being considered to substitute the current ones used in the manufacturing of this structure. Additionally, the generated data will be used to perform numerical simulations, to further optimize and determine the deformation behavior of the main frame. Finally, it will be shown the characterization of the dynamic behavior of the main frame, by the presentation of the information collected by the execution of experimental and numerical modal analysis. The results of these tests determine that, in free body conditions, the main frame has resonance frequencies in the proximity of the excitation frequencies of the power transformer.

Dissertação de mestrado em Engenharia Mecânica, À medida que os combustíveis fósseis, como o petróleo, se tornam mais escassos e mais caros, o ser humano terá de optar por recursos energéticos alternativos e renováveis, como a água, o vento, as ondas do mar, a energia solar, recursos estes inesgotáveis. A energia solar tem imenso potencial, devendo ser aproveita para a produção de energia eletrica, uma vez que não emite gases de estufa para atmosfera e está presente em todo o globo terrestre. Devido a esses fatores, torna-se importante a produção de equipamentos que permitam tirar o máximo rendimento desta fonte energética. Os seguidores solares para coberturas são uma solução pouco explorada no mercado. Esta estrutura irá permitir o aumento da eficiência dos painéis fotovoltaicos, uma vez que fará o seguimento do sol, ao contrário das estruturas fixas, normalmente instaladas em coberturas., As fossil fuels such as oil, become more expensive and more scarce, humans will have to opt for alternative and renewable energy resources such as water, wind, waves, solar energy, resources these inexhaustible. Solar energy has huge potential and should be advantage for the production of electrical energy, since it does not emit CO2 into the atmosphere and is present across the globe. Due to these factors, it is important to the production of equipment designed to derive the maximum performance of this energy source. The solar trackers for roofs are a market unexplored solution. This structure will allow increased efficiency of photovoltaic panels, since they will be tracking the sun, instead of fixed structures, typically installed on roofs.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, Com este trabalho, foi desenvolvido o projeto estrutural de uma ponte rolante, fazendo a otimização das suas dimensões em função das exigências inerentes ao espaço de implantação e tipo de utilização, evitando assim a utilização de modelos standardizados sujeitos a sobredimensionamento e consequentemente custos mais elevados. Neste projeto consta o dimensionamento da estrutura das vigas principais e das vigas de suporte da ponte, incluindo todos os desenhos técnicos, listas de materiais e listas de operações para o fabrico e montagem deste equipamento. Foram também sugeridos os equipamentos não estruturais tais como o carro guincho, os motores, equipamento elétrico, botoneiras e todos os restantes elementos essenciais para o funcionamento da ponte rolante. Estes equipamentos foram selecionados diretamente nos catálogos dos fornecedores, em função dos requisitos necessários para a correta operação da ponte., With this work, we developed the structural design of a crane, causing an optimization of their dimensions depending on the inherent requirements of the area of deployment and usage, thus avoiding the use of standardized models subjected to excessive size and consequently higher costs. This project included the design of the structure of main beams and support beams of the bridge, including all technical drawings, materials lists and lists of operations for manufacture and assembly of this equipment. We also suggested the non-structural equipment such as car winch, motors, electrical equipment, control pendants and all other elements essential to the operation of the crane. These equipment were selected directly into the suppliers catalogs, based on the requirements necessary for the proper operation of the bridge.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, Quando falamos de competição, partimos desde logo do pressuposto que existe uma rivalidade, uma luta em que a finalidade primordial é vencer. A competição automóvel assenta também nestes parâmetros e a diferença entre ganhar ou perder é ínfima, limita-se a pormenores. Atento aos pormenores e com a optimização como intuito, o principal objectivo deste trabalho foi a modelação e análise estática e experimental de uma estrutura do tipo barra anti-aproximação de um automóvel de competição. Nesta perspectiva, foi feita a modelação da dita estrutura recorrendo ao software comercial ANSYS 5.4. Foram realizados ensaios mecânicos estáticos, ensaios experimentais e estava ainda prevista uma análise dinâmica. Nestes ensaios foi tida em conta a rigidez estrutural e foi feita uma análise à encurvadura. Por fim, foi executada uma análise por elementos finitos recorrendo ao mesmo software ANSYS 5.4. O trabalho experimental foi realizado num componente estrutural de um Ford Escort MK1 de competição, automóvel que integra o campeonato nacional de clássicos. O componente em causa vem equipado de série em automóveis com estas características e para viabilizar uma determinação mais precisa do campo de tensões existentes na estrutura foram colados na mesma extensómetros. Nesse sentido, foi realizado um estudo com o automóvel em pista, conduzido pelo respectivo piloto, reproduzindo as condições o mais aproximadas possível de um cenário de competição, com o intuito de obter fielmente resultados com a maior exactidão possível. Para o efeito, foram analisados e extraídos os resultados obtidos e foram utilizados como referência para possibilitar o estudo do modelo. Na investigação empírica pode concluir-se que o modelo produziu resultados satisfatórios demonstrando no entanto algum sobredimensionamento, pelo que pode ser aperfeiçoado em estudos futuros com o objectivo de tornar a competição cada vez mais veemente., When we talk about competition, we start immediately from the assumption that there is a rivalry, a struggle in which the primary purpose is to win. The racing is also based on these parameters and the difference between winning and losing is very small, limited to the details. Attentive to detail and with the intention to optimize, the main objective of this work was the modeling and analysis of static and dynamic structure of a Strut Brace kind of a race car. From this perspective, was the modeling of this structure using the commercial software ANSYS 5.4. Mechanical tests were performed in static and dynamic which has been taken into account the stiffness and analysis in terms of vibrations. Finally, we performed a finite element analysis using the same software ANSYS 5.4. The experiment was done in a structural component of a Ford Escort Mk1 racing automobile that incorporates the national championship classics. The component in question is fitted in cars with these features and to enable a more precise determination of the stress field existing in the structure were stuck in the same accelerometers. Accordingly, a study was conducted on track with the car, driven by its pilot, reproducing the conditions as possible to approximate a competitive scenario, in order to accurately obtain results as precisely as possible. To this end were extracted and analyzed the results of modal identification and were used as reference to enable the study of the developed model. In the empirical investigation can be concluded that the model produced satisfactory results and can be improved in future studies in order to make a stronger competition.

Tese de doutoramento em Engenharia Mecânica, Sendo a madeira um material com características muito próprias, iniciou-se este trabalho com uma explicação sobre a sua origem, formação, singularidades e características básicas, nomeadamente as de maior importância para o desempenho estrutural, como o teor em água, as tensões internas e as retracções. De seguida foi revista a teoria da mecânica dos materiais no que se pensa poder ser importante para a compreensão do comportamento da madeira, que se distingue de outros materiais melhor estudados, sobretudo por uma completa anisotropia do arranjo estrutural e propriedades, além de manifestar intensamente a variabilidade normal em produtos de origem natural, o que muito dificulta a sua utilização em projecto. Foi ainda passada em detalhe uma revisão das várias normas e procedimentos relativos à caracterização mecânica da madeira. Em cumprimento dos objectivos do trabalho cumpriu-se um exigente programa de ensaios laboratoriais, não só por procedimentos conhecidos em normas, mas também em repetição de estudos recentes encontrados na bibliografia, e ainda desenvolvimento de novos procedimentos de ensaio. A interpretação dos resultados experimentais permitiu concluir o trabalho com a apresentação de novos modelos destinados à compreensão e caracterização do comportamento mecânico da madeira quando submetida a esforços de flexão, tracção, compressão e corte. Foram também consideradas as vertentes do comportamento reológico, nomeadamente o visco-elasticidade e viscoplasticidade da madeira, através de ensaios de fluência e de relaxação de tensões, assim como a respectiva modelação. Foram também identificadas as dificuldades de aplicação à madeira dos modelos informáticos de cálculo já muito rigorosos na resposta ao comportamento de materiais isotrópicos. O estudo teve como matéria-prima amostras de duas das mais importantes espécies de madeira produzidas em Portugal, o pinho bravo e o eucalipto. Muitas das aplicações práticas encontram-se dependente de cálculo e projecto de elementos estruturais. O aumento da fiabilidade do comportamento mecânico da madeira renova o potencial do seu uso em maior escala e em produtos de maior valor acrescentado, aliando vantagens de segurança, criatividade estética e de uma forma global, um impacte ambiental positivo., Wood is a material with very special characteristics of its own. This study began with an explanation of the origin and formation of wood, highlighting its singularities and basic features, particularly the extreme importance of moisture content and shrinkage in the state of stresses. Following it was revised the theory of mechanics of materials, believed to be important for the understanding of the behaviour of wood, which is distinguished from other better studied materials, at least for a complete anisotropy its internal arrangements and structural properties, in addition to the great variability, which is normal for products of natural origin, making it even more difficult to use in structural project. It was also revised in detail the various standards and procedures relating to the mechanical characterization of wood. Fulfilling the objectives of this work it was followed a demanding program of laboratory tests, not only by procedures known in international and European standards, but also in recent studies found in the references. Finally this study has finished with the proposal of physical models for the understanding and characterization of the mechanical behaviour of wood when subjected to efforts to bending, tension, compression and shear. Also considered the rheological behaviour, including the viscoelasticity and visco-plasticity of wood, through testing of creep and relaxation of tensions, as well as their modelling. The study had as raw material, samples from two of the most important wood species produced in Portugal, the maritime pine and eucalyptus. The practical applications are to be found at the level of structural calculation, calculation and design of structural elements. Increased reliability of the mechanical behaviour of wood renews the potential of its use in larger scale and in products of higher added value, combining advantages of safety, allowing the explotation of its aesthetic potential and positive environmental impact.

Tese de Doutoramento em Engenharia Mecânica - Área de Mecânica dos Materiais, O presente trabalho teve como objectivo principal o desenvolvimento de uma nova metodologia de melhoramento de modelos numéricos de elementos finitos aplicados à dinâmica estrutural. Nesta perspectiva foi desenvolvido um programa que, automaticamente, controla um código de elementos finitos e modifica as variáveis iniciais até ser conseguido o melhoramento pretendido. Para o efeito foram analisadas as causas dos erros subjacentes ao método dos elementos finitos, estudada aprofundadamente de sua forma de funcionamento e executados programas de obtenção automática de resultados. Estes programas foram aplicados a exemplos reais formados por conjuntos de peças ligadas de formas diferentes e obtidas as características dinâmicas desses exemplos. Foram realizados ensaios experimentais de análise modal em protótipos semelhantes aos modelos numéricos desenvolvidos. Foram extraídos resultados destes ensaios por identificação modal que foram utilizados como referência para possibilitar a comparação com os modelos numéricos desenvolvidos. Foi desenvolvido um programa de melhoramento de modelos numéricos recorrendo a ferramentas de optimização. Foram analisados os métodos de optimização disponíveis e escolhidos os mais adequados para a aplicação neste problema. Foi criada uma função objectivo específica e introduzida uma nova forma de correlação, que foi designada ASMAC. O programa foi testado com um número elevado de exemplos e por análise de sensibilidade foi comprovado que as funções envolvidas são altamente não lineares. Finalmente, o programa foi aplicado aos protótipos desenvolvidos. Como principal conclusão dos resultados obtidos neste trabalho de investigação pode dizer-se que o melhoramento dos modelos foi conseguido razoavelmente e que o melhoramento dos modelos dos conjuntos formados por modelos de peças que já tinham sido melhorados é melhor conseguido que o melhoramento dos mesmos conjuntos a partir dos valores iniciais., The primary objective of this research work was the development of a new methodology to improve the numerical finite element models applied to structural dynamics. In this perspective, a program was developed that automatically controls a code of finite elements and modifies the initial variables until the intended improvement has been achieved. For this purpose, the causes for the underlying errors to the finite element method were analysed, its operational mode was studied in depth and programs for automatically obtaining the results were executed. These programs were applied to real examples consisting of assemblies of pieces linked in different ways and the dynamic characteristics of those samples were obtained. Experimental modal analysis tests were executed in prototypes similar to the numerical models developed. From these tests, results by modal identification were extracted that served as reference to enable their comparison with the numerical models developed. A program for updating the numerical model was developed with recourse to optimization tools. The available methods were analysed and the most appropriate was chosen to be applied to this problem. A specific objective function was created and a new form of correlation was introduced, designated as ASMAC. The program was tested on a large number of examples and the functions involved were proven by sensibility analysis to be highly non- linear. Finally, the program was applied to the prototypes developed. The main conclusion of the results obtained in this research was that the updating of the models was reasonably successful. Further, the updating of the models of the assemblies consisting of models of pieces that had already been improved achieved better results than those obtained from the updating of the same assemblies derived from initial values.

Tese de Doutoramento em Engenharia Mecânica., The degenerative disc disease is among the promoters of low back pain, being normally associated with sciatica and disc herniation. Several experimental works have studied the intervertebral disc and proven that it presents poroelastic, osmotic, viscoelastic and anisotropic characteristics. However, the information about the mechanical loading on the IVD and its relation with the degenerative disc disease remains unclear. This work aimed to provide new insights about the mechanical properties of the intervertebral disc, as well as to contribute for selection and characterization of a new implant, developed by research partners at Nicast®, Lod, Israel. In order to better understand the biomechanical behavior of the intervertebral disc, a new set of experimental techniques for mechanical characterization, mechanical testing protocols and benchmark results that allows stablishing specifications for the new nucleus pulposus implants were addressed and performed. The experimental approach included mechanical tests in the overall structure of a porcine intervertebral disc: axial compressive tests at the motion segment (composed by the two adjacent vertebrae and the intervertebral disc) and annulus fibrosus level, as well as pressurization tests on nucleus pulposus. Moreover, it comprised several tests for the selection and mechanical characterization of the developed implant. The outcomes demonstrated that porcine motion segments are valid model to provide valuable information about the mechanical behavior of the human intervertebral disc, for the axial compressive tests. This study also proved that the rupture of the intervertebral disc could be reached at intradiscal pressure levels that are normally reported as physiological. Moreover, the compressive tests on the reinforced-ground matrix of the annulus fibrosus strengthened the idea, previous reported in the literature, that this structure presents an inhomogeneous behavior. Finally, the implant as revealed to have a satisfactory behavior under the set of experimental tests performed: while the ex-situ tests revealed promising characteristics in what concerns to the capacity to replace the nucleus pulposus, the stress relaxation tests in-situ, performed during the placement of the implants in the nuclear cavity of the motion segment, revealed no significant differences between the behavior of intact structures and the ones with the implants placed in the inner region of the intervertebral disc. The intervertebral disc is an intricate struture, with a “multi-factors dependent” biomechanical behavior, being extremely hard to design an efficient solution to replace its damaged structures. The experimental procedures of this work gave valuable information about the mechanical properties of the intervertebral disc, contributing for the advance of the knowledge on the biomechanics of its compounds. Furthermore, it helps to clarify the suitability of the new developed implant in the partial replacement of the damaged intervertebral disc., A doença degenerativa do disco intervertebral é uma das principais causas de dor lombar, estando intimamente associada à dor ciática e à herniação discal. Nos últimos anos têm sido realizados diversos trabalhos experimentais, os quais demonstraram que o disco apresenta características poro-elásticas, viscoelásticas e anisotrópicas. No entanto, a relação entre as cargas aplicadas no disco intervertebral e a degeneração do disco intervertebral não é clara. Este trabalho tem por objectivo providenciar informação relevante sobre as propriedades mecânicas do disco intervertebral, bem como contribuir para a seleção e caracterização de um novo implante, desenvolvido pela Nicast®, localizada em Lod, Israel - associado ao projeto no qual este trabalho se inseriu, o NP Mimetic. Para tal, no âmbito deste trabalho foram desenvolvidas e produzidas protocolos e técnicas experimentais para a caracterização mecânica e material, tendo sido obtidos valores standard importantes, que permitem, por um lado, o melhor conhecimento sobre o comportamento biomecânico do disco intervertebral, e por outro lado, definir as especificações relevantes para novos implantes de substituição do núcleo pulposo. A abordagem experimental incluiu testes mecânicos na estrutura do disco intervertebral de suínos, nomeadamente testes de compressão axial em unidades funcionais da coluna, constituídas por um disco intervertebral entre duas vértebras adjacentes, e no anel fibroso, bem como testes de pressurização na cavidade nuclear do disco. Além disso, este trabalho apresenta ainda diversos testes complementares para a seleção, caracterização e validação mecânica do implante desenvolvido. Os resultados obtidos demonstraram que as unidades funcionais da coluna de suínos apresentam-se como um modelo válido para a obtenção de informações relevantes sobre o comportamento mecânico do disco intervertebral humano, em testes de compressão. Este trabalho mostrou ainda que a rotura do disco intervertebral pode ser atingida para valores de pressão interna discal que são normalmente considerados como fisiológicos. No que diz respeito aos testes de compressão estática e dinâmica na matriz do anel fibroso, estes reforçaram a ideia previamente descrita na literatura, de que esta estrutura apresenta um comportamento não-homogéneo. Por último, os implantes apresentaram um comportamento muito satisfatório nos testes a que foram submetidos: enquanto os testes de avaliação do implante ex-situ revelaram características bastante promissoras no que concerne à capacidade de substituição do núcleo, os testes de relaxação de tensões in-situ, realizados aquando da colocação dos implantes na cavidade nuclear das unidades funcionais da coluna, revelaram a inexistência de diferenças significativas entre o comportamento dessas mesmas estruturas antes e após a colocação do implante na cavidade nuclear. O disco intervertebral é uma estrutura intrincada, apresentando um comportamento biomecânico de dependência multifactorial. Como tal, o desenvolvimento de implantes que possam substituir total ou parcialmente o disco intervertebral degenerado é uma tarefa de elevada complexidade. Este trabalho providencia um conjunto de dados relevantes sobre a resposta mecânica dos discos intervertebrais, contribuindo para o avanço do conhecimento do comportamento biomecânico dos seus componentes. Mais ainda, permite clarificar a adequabilidade de um novo implante na substituição do núcleo pulposo do disco intervertebral.

Tese de Doutoramento em Engenharia Electrónica Industrial e de Computadores., Over the past centuries, the incidence of tooth loss (i.e. edentulism) has increased worldwide, due to factors of malnutrition, bad hygiene habits, wear, injury or illness. This global health care problem pushed the development of new surgical techniques and technologies for implantation of artificial teeth. Currently, the common solution for edentulism is the replacement of natural teeth with an implant-supported fixed prosthesis. These are fixed dentures or, in some cases, semi-fixed dentures, that support and connect up to 8 implants together using a thin metal bar that follows the curvature of the patient’s jaw. For the prosthesis long-term success, accurately acquiring the implants’ position and angulation (i.e. with less than 150 μm of misfit) is required. The inability of current techniques to acquire implants with such accuracy usually promotes misfits, which prevents successful osseointegration of the implant, contact deformation and, ultimately, resulting in the prosthesis rejection by patient’s discomfort. This work aims to develop an acquisition system capable to get with precision and accuracy the implant’s pose directly at the patient's mouth, which will allow to reduce the misfit problems associated with implant-supported prosthesis, especially in edentulous patients. To chase this goal, one proposes to develop and assess three different acquisition approaches: an electromagnetic motion tracking-based; a robotic-based; and, an image-based. In this first approach, the feasibility of a spatial electromagnetic motion tracking system in combination with a non-metallic mechanical interface tool was assessed. To this end, a tool calibration procedure was proposed. In addition, three calibration algorithms (scattered linear interpolation, higher-order polynomial and Hardy multiquadric) were tested to compensate the electromagnetic tracker distortions. The results of this approach were tested in vitro and with finite element analysis to assess the stress distribution in a full-arch prosthesis. An average accuracy of 334 μm was achieved. In the second approach, the development of a miniaturized articulated measurement device is detailed. This comprises the mechanical design and strength simulation, hardware selection and corresponding calibration. The most suitable parameters for acquisition were defined resulting in a maximum variation of 0.059% for the ADC full scale and an absolute angle deviation of 0.0139º. Concerning mechanical stability and magnetic field interference, a final mechanical design with 4 mm of thickness and a Mu-metal full shielding with 150 μm of thickness was defined as essential to ensure stability and accuracy. Lastly, to assess the device viability, a virtual mandible with four implants was used as ground-truth in an in vitro experiment. An average accuracy of 214 μm was achieved. Regarding the third approach, it consisted in the development of an image-based methodology to determine the implants’ pose (position and orientation) within cone-beam computerized tomography (CBCT) volumetric data. A model-based implant simulation methodology with real CBCT machine parameters is presented as a way to improve the implant’s pose extraction. To this extent, four modules were developed specifically for this framework, namely the implant search and extraction module, the implant CBCT simulation module, the voxel-based rigid registration module and the final implants’ pose estimation module. Additionally, a set of 3 experiments were designed to assess the framework validity, in specific an in silico, an in vitro and an in vivo experiment. An average accuracy of 69 μm was achieved in the in vitro experiments. Even though the motion-tracking based (first) and robotic-based (second) approaches did not reached the accuracy demands for the target application, the image-based framework (third) presented in silico and in vitro misfits below the 150 μm recommended in the literature. The proposed implant’s pose estimation framework thus opens the way for a fully user independent, digital impression workflow., Ao longo dos últimos séculos, a incidência da perda de dentes (i.e., desdentados) tem aumentado em todo o mundo, devido a fatores de desnutrição, maus hábitos de higiene, desgaste, lesão ou doença. Este problema de saúde global impulsionou o desenvolvimento de novas técnicas cirúrgicas e tecnologias para implantação de dentes artificiais. Atualmente, a solução mais comum para a perda de dentes naturais é a sua substituição por uma prótese fixa implanto-suportada. As próteses fixas ou semifixas, suportam e ligam até 8 implantes em conjunto, utilizando no seu interior uma barra de metal que segue a curvatura da maxila do paciente. Para o sucesso da prótese a longo prazo, a aquisição com precisão da posição e ângulo dos implantes (i.e., com um desvio menor que 150 um) é essencial. A incapacidade das técnicas atuais para adquirir os implantes com tal precisão geralmente promove desajustes entre os implantes e os suportes das próteses, impedindo a osseointegração do implante, deformações mecânicas e, em última instância, resulta na rejeição da prótese por desconforto do paciente. Este trabalho tem como objetivo desenvolver um sistema de aquisição capaz de obter com precisão e exatidão a pose do implante diretamente na boca do paciente, o que permitirá reduzir os problemas associados com os desajustes das próteses implanto-suportada, especialmente em pacientes desdentados. Para perseguir este objetivo, propõem-se desenvolver e avaliar três abordagens de aquisição diferentes: uma baseada em sistemas motion tracking; um baseado num sistema mecânico articulado; e, um com base em imagem médica. Na primeira abordagem foi avaliada, a viabilidade de um sistema de motion tracking eletromagnético, em combinação com uma ferramenta de interface mecânica não metálica como ferramenta de aquisição. Para este fim, foi proposto um processo de calibração da ferramenta. Além disso, três algoritmos de foram testados para compensar as distorções do sistema. Os resultados desta abordagem foram testados in vitro e por análise de elementos finitos para avaliar as forças geradas na prótese. Foi alcançada uma precisão média de 334 um. Na segunda abordagem é detalhado o foi desenvolvido de um dispositivo miniaturizado e articulado de medição. É descrita a sua conceção mecânica e simulações associadas, seleção de hardware e calibração correspondente. Foram definidos os parâmetros mais adequados para aquisição resultando numa variação de 0,059% da escala do ADC e um desvio angular máximo de 0.0139º. Em relação à estabilidade mecânica e interferências magnéticas, o design mecânico final conta com 4 mm de espessura e com uma proteção metálica em mu-metal de 150 um de espessura, essencial para garantir a estabilidade e precisão requeridas. Este sistema foi validado numa mandíbula artificial com 4 implantes, alcançando-se uma precisão média de 214 um. Em relação à terceira abordagem, esta consistiu no desenvolvimento de uma metodologia baseada em imagem médica para determinar pose dos implantes (i.e., posição e orientação) a partir de imagens de tomografia computadorizada de feixe cónico (CBCT). A metodologia proposta baseia-se na simulação do modelo do implante com os parâmetros da máquina CBCT utilizada, apresentado desta forma um modelo aproximado ao existente nos dados volumétricos extraídos do CBCT, melhorando a extração da pose do implante. Para tal, quatro módulos foram desenvolvidos, o módulo de pesquisa de implante e de extração, o módulo de simulação CBCT do implante, o módulo de registo e o módulo de calculo da pose final. Além disso, 3 experiências foram concebidas para avaliar e validar esta abordagem, uma in silico, uma in vitro e numa experiência in vivo. Foi alcançada uma precisão média de 69 um na experiência in vitro. Apesar das abordagens com sistema de motion tracking (primeiro) e com o sistema articulado de medição (segunda) não atingirem as exigências de precisão para a aplicação, o sistema baseado em imagem médica (terceiro) apresentou in silico e in vitro precisões abaixo do 150um recomendados na literatura. É espectável que com o sistema de imagem médica seja criar um método de aquisição de implantes diretamente a partir da boca do paciente de for totalmente digital e independente do dentista.