FE - DEM | Dissertações de Mestrado e Teses de Doutoramento
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- Graphene-based composite laminates for structural applicationsPublication . Parente, João Miguel Nunes; Reis, Paulo Nobre Balbis dos; Silva, Abílio Manuel Pereira da; Pereira, João Pedro NunesThis thesis explores the synthesis, microstructure and properties of polymer-matrix composites reinforced with graphene nanoplatelets (GNP), carbon nanotubes (CNT) and carbon nanofibers (CNF), both as individual fillers and in hybrid combinations. The aim is to develop structural materials with high mechanical performance and integrated self-sensing capabilities. Nanocomposites were produced by dispersing nanoparticles in epoxy resin, followed by thermal curing. Mechanical and sensing behaviour were evaluated using three-point bending and cyclic fatigue tests under realistic loading conditions. Viscosity measurements show that GNP or CNF can increase resin viscosity by up to 74 %, which challenges processing at higher loadings. Curing at 5 °C yields the best flexural strength and surface hardness, with GNP-reinforced composites showing up to 24.8 % strength improvement. Volumetric shrinkage during cure varies with filler type: GNP increases shrinkage by 91 %, while CNF reduces it by 77 %, underscoring the role of nanoparticle–matrix interactions. In fibre-reinforced laminates, placing glass fibres on the compression side of hybrid carbon/glass layups enhances both load and deflection at peak, with a 3G/5C configuration achieving a 5.9 % higher peak force and 13.1 % greater deflection than the reverse. Incorporating 0.75 wt. % GNP into carbon-fibre laminates raises bending stiffness and extends fatigue life by 15.1 %, while increases of 10.6 % and 9.2 % are observed in hybrid and glass-fibre laminates. These enhancements show that even low graphene concentrations effectively delay fatigue damage. Combining CNT and GNP at equal loadings (0.375 wt. % each) yields synergistic gains in stiffness and strength. In carbon-fibre composites, strength and stiffness rise by 11 % and 18 %, respectively; glass-fibre composites show gains of 8 % and 55 %. Electrical resistance monitoring during fatigue reveals gauge factors up to three times those of commercial strain gauges, with stress-amplitude sensitivity improving by 20.1 % in carbon composites and 32.4 % in glass composites. This confirms high-sensitivity and stable self-sensing. The integration of hybrid nanofillers with mechanical and electrical performance validation forms a framework for designing multifunctional composites. Key challenges remain in scaling uniform nanoparticle dispersion, ensuring long-term network stability and standardizing sensor calibration. Addressing these issues is essential for translating laboratory results into practical Structural Health Monitoring (SHM) applications.
- Desenvolvimento, caracterização e otimização de um biocompósito cerâmico multifuncionalPublication . Macedo, Duarte Félix; Silva, Abílio Manuel Pereira da; Oliveira, Filipe José Alves de; Oliveira, Mariana Braga deEsta tese foca-se no desenvolvimento e otimização de biocerâmicas de Fosfato Tricálcico (TCP) dopado com iões metálicos e reforçado com grafeno ou zircónia, com o objetivo de criar materiais altamente biomiméticos para aplicações em engenharia de tecidos ósseos. O TCP foi dopado com iões de Mg2+, tendo obtido melhores propriedades mecânicas para TCP + 10 mol% Mg2+. Seguidamente, foi dopado com iões Mn2+, Zn2+ e Fe3+, cujas combinações foram otimizadas através do Design of Experiments (DoE) para combinação conjunta de 5 mol% total de dopagem, revelando que certas proporções promovem microestruturas densas, com boas propriedades mecânicas e ausência de citotoxicidade. Das várias composições testadas destacou-se o TCP dopado com 10 mol% Mg2+, 1,67 mol% Mn2+, 1,67 mol% Zn2+ e 1,67 mol% Fe3+ (TCP7). A adição de zircónia tetragonal e cúbica aumentou a resistência mecânica em até 55%, enquanto a porosidade interconectada, controlada com o porogénio Polimetilmetacrilato (PMMA), simulou a arquitetura óssea natural, favorecendo a viabilidade celular, mas reduziu a resistência mecânica em mais de 90%. Paralelamente, a incorporação de grafeno, até 3 wt%, melhorou significativamente a resistência à compressão diametral sem comprometer a biocompatibilidade, demonstrada em ensaios de citotoxicidade. A composição com melhores propriedades mecânicas foi o TCP7 com 1,5 wt% de grafeno. Para apoiar o design racional destes materiais, foi desenvolvida uma abordagem de modelação numérica avançada baseada em microestruturas reais 2D, permitindo gerar Volume Elementar Representativo (RVE) em 3D que preveem com alta precisão o módulo de Young dos compósitos, superando métodos analíticos convencionais. Em conjunto, os resultados demonstraram que é possível conceber biocerâmicas de TCP com propriedades mecânicas reforçadas, arquitetura porosa controlada e elevada citocompatibilidade, graças a uma estratégia multifatorial que combina dopagem iónica, reforço com nanomateriais e simulação digital. Estes avanços posicionaram os materiais desenvolvidos como candidatos promissores para implantes ósseos multifuncionais, com forte potencial clínico em ortopedia e odontologia.
- Home automation supported by IoT and ISO/IEC/IEEE 1451 standard: a case studyPublication . Rita, José Manuel Rocha; Salvado, José António da CostaWith the growing demand for Internet of Things (IoT) solutions in paradigms such as Smart Homes, the automation of these environments is associated with the increasing need for transducer integration, which has resulted in a need for efficient communication between IoT devices. And for these systems to exchange information, they rely on communication protocols that often lead to incompatibility issues that hinder the implementation of new IoT devices in existing systems. To solve incompatibility problems, standardisation is needed to create a platform that allows compatibility between different devices. To this end, the ISO/IEC/IEEE 1451 standard defines a common interface that allows the integration of new devices in a plug-and-play manner, increasing the flexibility of IoT systems. The IEEE 1451 family of standards offers a solution to reduce the costs of IoT systems and addresses a fundamental barrier to the integration of new systems into existing IoT systems. This will have an impact on many fields covered by the IoT paradigm, such as home automation, which requires the use of sensors and actuators that enable the automation of the defined infrastructure. In this work, two Transducer Interface Module (TIM) systems were developed to monitor comfort parameters in a Smart Home. One of the systems uses an MSP430F5529 to collect data from temperature and light sensors and send this data according to the IEEE 1451 standard to an Arduino Mega 2560 board, with wireless communication via the CC2500 radio transceiver. This data is then sent to the Network Capable Application Processor (NCAP). The other system consists of a Xiao ESP32-C6 microprocessor for collecting data from temperature, pressure, humidity and radiance (light intensity) sensors, which is then sent to the NCAP via Message Queuing Telemetry Transport (MQTT).
- Estratégia de carregamento Multi-estágio de Corrente Constante baseada em inteligência de enxame para baterias Li-ionPublication . Peixoto, Pedro Filipe Queijo; Pombo, José Álvaro NunesA crescente aposta nas fontes de energia renovável (ER) tem impulsionado de forma significativa a aderência dos sistemas de armazenamento de energia elétrica. Entre as diversas soluções existentes, as baterias de Li-ion destacam-se pela sua elevada densidade energética, eficiência e longos ciclos de vida, sendo amplamente utilizadas em veículos elétricos, sistemas estacionários e dispositivos portáteis. Contudo, os métodos de carregamento destas baterias continuam a ser fatores determinantes na sua durabilidade, eficiência e segurança. Estes influenciam diretamente os mecanismos de envelhecimento eletroquímico, podendo acelerar ou retardar a degradação consoante os parâmetros de carregamento definidos. Neste contexto, a presente dissertação aborda o estudo, implementação e otimização do método de carregamento multi-estágio de corrente constante (MSCC) aplicado a baterias Li-ion, recorrendo ao algoritmo de otimização meta-heurístico Particle Swarm Optimization (PSO), com o objetivo de aumentar a adaptabilidade do processo de carregamento em função das condições internas e externas da bateria. Esta abordagem permite alcançar um melhor equilíbrio entre rapidez de carregamento e desempenho energético. Seguidamente, o problema de otimização é formulado de forma a minimizar o tempo total de carregamento, assegurando simultaneamente elevados níveis de autonomia, traduzidos por um estado de carga final (SOC) elevado. No procedimento de otimização são estabelecidos os parâmetros interativos entre o MSCC e o PSO, assim como a estratégia adotada para calcular o estado de carga (SOC). O PSO ajusta dinamicamente os níveis de corrente e determina o perfil ótimo para cada fase do carregamento MSCC. Foram testadas configurações com quatro, cinco e sete patamares. Os resultados evidenciam que a formulação proposta constitui uma estratégia eficaz e flexível para a gestão otimizada do carregamento de baterias Li-ion, com potencial de aplicação em sistemas energéticos inteligentes.
- Avaliação do desempenho de retificadores ativos aplicados em sistemas de carregamento indutivoPublication . Mendes, Tomás Silva; Cardoso, António João MarquesA crescente preocupação ambiental com as emissões dos motores de combustão interna tem impulsionado a adoção dos veículos elétricos. Enquanto os motores de combustão interna apresentam rendimentos de 20-40% e emitem partículas CO2, NO? em suspensão, os veículos elétricos ultrapassam 90% de rendimento, não produzem emissões locais e reduzem o ruído. Contudo, a produção de baterias de iões de lítio, exige matériasprimas críticas e elevado consumo energético, embora o balanço global de emissões seja mais favorável quando os veículos elétricos operam em redes com elevada incorporação de energias renováveis. As vantagens dos veículos elétricos incluem menores custos de operação, manutenção reduzida e recuperação de energia durante a travagem. As limitações concentram-se na autonomia, tempo de carregamento, custo inicial e desafios de reciclagem. Como alternativa ao carregamento por cabos, a transferência de potência sem fios, baseada no acoplamento magnético ressonante, permite carregamento estático ou dinâmico, simplificando a utilização e viabilizando baterias de menor dimensão. A energia recebida por indução eletromagnética requer retificação. A solução passiva com díodos é simples, mas ineficiente, devido às quedas de tensão. A retificação ativa, com transístores sincronizados, reduz perdas e possibilita funções como vehicle-to-grid ou V2G (do português, veículo para rede). Nesta dissertação comparam-se as duas topologias, em simulação e prototipagem, confirmando a superioridade da retificação ativa em termos de rendimento e aplicabilidade.
- Aplicação da Norma IEC 61800-9-2:2023 a Acionamentos Elétricos Baseados em Motores Síncronos de Relutância (SynRM)Publication . Meireles, Eduarda Castanheira; Bento, Fernando José FigueiredoA crescente exigência de eficiência energética no setor industrial tem impulsionado a aplicação de normas internacionais que permitam avaliar e comparar o desempenho de sistemas de acionamento elétrico. Neste contexto, a presente dissertação tem como objetivo aplicar a norma IEC 61800-9-2:2023 a um sistema de acionamento constituído por um motor síncrono de relutância (SynRM) acoplado a um conversor de frequência (VFD), analisando o seu rendimento em diferentes condições operacionais. Foram realizados ensaios experimentais em várias frequências de saída e em regimes frio e quente, com e sem filtros adicionais, de modo a segregar as perdas no conversor e no motor, calcular o rendimento global do acionamento elétrico e comparar os resultados obtidos através da norma com os obtidos experimentalmente. As tendências observadas confirmam a robustez da metodologia proposta pela norma, evidenciando grande proximidade entre os valores teóricos e os medidos. Ainda assim, a análise permite identificar potenciais melhorias na topologia do conversor, na conceção eletromagnética do motor e na gestão térmica, visando alcançar classes superiores de eficiência, segundo a norma IEC 61800-9- 2. Recomenda-se a realização de estudos adicionais em condições industriais reais para consolidar a aplicação da norma e reforçar o papel do SynRM como alternativa eficiente e sustentável aos motores de indução.
- Large-Scale Integration of Variable Renewable Energies in Electric Power Markets — Optimization Models, Options and ChallengesPublication . Bento, Pedro Miguel Rocha ; Mariano, Sílvio José Pinto SimõesElectrical Power Systems recognized as vast and complex entities, are the true ”engine” of contemporary societies. Currently, social and environmental concerns dominate the political agenda, notably highlighted by the Paris Agreement (2015), the EU’s Energy Roadmap 2050, and the UN’s 2030 Agenda for Sustainable Development. These initiatives stem from the detrimental impacts of persistent greenhouse gas emissions, requiring a significant contribution from these entities. This scenario foreshadows a substantial increase in renewable energy penetration, leading to increasingly decentralized and variable generation. Consequently, the Iberian Power Systems, as a leading adopter, faces additional and considerable transformations, requiring a reevaluation of otherwise outdated predicates and in more micro level, decisionmaking processes. Key areas demanding special attention include the future energy policy, which can only be effectively shaped after reviewing the evolution of the power generation structure within a market-integrated context, as well as the multitude of related options for providing system flexibility—a key enabler of this profound change. Moreover, a prevailing trend across nearly every field is the increasing reliance on data proliferation, machine learning models, and advanced optimization tools to address challenges that were once considered highly complex and less accessible. This is particularly evident in the context of electrical power systems design and operation, where such tools are now being applied to solve micro-level tasks with significant accuracy. As a result, to effectively integrate these tools, it is essential to first delve into the theoretical bedrock and practical intricacies — including the selection and tuning of hyperparameters, model architectures, and optimization strategies. This knowledge has become indispensable for modern power systems engineers, enabling them to better understand and tackle the micro-level challenges that often stem from broader energy policy decisions. In this context, the optimal power flow and short-term price forecasting problems — both of vital importance to electricity market participants — will serve as experimental test beds to rigorously evaluate and demonstrate the application of these data-driven methodologies.
- Aplicação do VSM na otimização de um processo de produção: Estudo de caso HMM – Fábrica do FundãoPublication . Fidalgo, João Paulo Valentim Martins Brás; Morais, Flávio Daniel Correia; Lima, Tânia Daniela Felgueiras de MirandaO presente relatório descreve o estágio realizado no âmbito do Mestrado em Engenharia e Gestão Industrial, cujo objetivo foi a aplicação do Value Stream Mapping (VSM) na otimização de um processo de produção na HMM – Fábrica do Fundão. A abordagem centrou-se na análise detalhada do fluxo de valor de um processo produtivo específico, com o intuito de identificar desperdícios e propor melhorias alinhadas com os princípios da metodologia Lean Manufacturing. Através da elaboração do mapa do estado atual, foram identificados estrangulamentos, tempos de espera elevados e atividades que não acrescentavam valor ao produto final. Com base nestes dados, foi desenvolvido o mapa do estado futuro, contemplando propostas de otimização como a reorganização dos fluxos logísticos internos e a introdução de práticas de nivelamento da produção. A implementação parcial das medidas sugeridas visa alcançar ganhos tangíveis, como a diminuição do lead time e a melhoria da eficiência operacional, reforçando a importância do VSM como ferramenta estratégica para a competitividade industrial. Os resultados obtidos destacam o impacto positivo da integração de ferramentas Lean em ambientes produtivos e servem como base para futuras intervenções na HMM – Fábrica do Fundão, consolidando a sua posição no mercado e promovendo uma cultura de melhoria contínua.
- Otimização das operações de armazenamento e reposição – Caso de Estudo no Setor de RetalhoPublication . Martins, Joana dos Santos; Enrique, Daisy ValleA presente dissertação, realizada em contexto industrial, tem como objetivo a otimização das operações de armazenamento e reposição de produtos num hipermercado do grupo Sonae MC, analisando em particular o setor da perfumaria. A investigação enquadra-se no contexto do retalho alimentar, setor em que a eficiência logística e a disponibilidade dos produtos em loja são fatores críticos para a satisfação do cliente e para o desempenho operacional. O estudo seguiu uma abordagem qualitativa e participativa, configurando-se como uma pesquisa-ação baseada na metodologia PDCA (Plan–Do–Check–Act). Através da observação direta dos processos, de entrevistas e da aplicação de ferramentas como os 5 Porquês e o Diagrama de Ishikawa, foram identificados os principais problemas que afetam a eficiência do armazém, nomeadamente a desorganização do espaço, a ausência de padronização das tarefas e a ineficiência nos processos de despicking e reposição. Como resultado, foram propostas várias medidas de melhoria, incluindo a implementação de um sistema de localização de produtos, a reorganização do layout do armazém com base na Análise ABC, a normalização dos processos operacionais e a introdução de tecnologias como RFID e voice picking. Estas propostas visam reduzir ruturas de stock, otimizar o tempo de reposição e aumentar a produtividade global. Conclui-se que a adoção de práticas logísticas estruturadas e suportadas por tecnologia representa um fator determinante para a eficiência operacional e competitividade das empresas do setor do retalho alimentar.
- Wearable Vest for Respiratory Monitoring in Patients at Risk of COPD and Acute Asthma: An Integrated Solution for Early Detection and PreventionPublication . Fernandes, Carlos Miguel Velez; Velez, Fernando José da Silva; Vieira, André Ferreira Costa; Pires, Ivan Miguel SerranoRespiratory disorders, such as Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) and acute asthma, are significant global health challenges, contributing to high morbidity, mortality, and healthcare costs. Traditional diagnostic tools, like spirometry, are limited to clinical settings, require trained professionals, and are unsuitable for continuous or home-based monitoring. This highlights the need for accessible, non-invasive solutions for early detection and proactive management. This dissertation introduces a wearable vest for real-time respiratory monitoring, integrating inertial measurement units (IMUs) and bioimpedance (BioZ) sensors to track thoracoabdominal motion and thoracic bioimpedance. Using Internet of Medical Things (IoMT) technologies, the system aims to enhance respiratory care through personalized, preventive health management. The methodology involved designing a smart vest to capture respiratory metrics such as respiratory rate and tidal volume surrogates. Data is transmitted via Bluetooth Low Energy (BLE) to a mobile application for real-time visualization. Firmware, developed using Nordic Semiconductor’s nRF Connect SDK and Zephyr RTOS, ensures reliable sensor integration. A WEB application was created for interactive data visualization and export. Preprocessing techniques, such as gravity removal and band-pass filtering, were applied to ensure data quality. The results demonstrated the system’s ability to capture valid respiratory metrics. The IMU-based respiratory proxy showed stable, breath-locked oscillations, while BioZderived signals exhibited consistent magnitude and phase changes during breathing cycles. The agreement between kinematic and electrical measurements validated the system’s accuracy. The analysis highlighted the system’s potential for continuous respiratory monitoring in real-life settings, though challenges like motion artifacts and electrode stability were noted. Lessons learned emphasized the importance of robust preprocessing pipelines and transparent data analysis. In conclusion, the wearable vest provides a promising solution for noninvasive respiratory monitoring, bridging the gap between clinical insight and daily patient care. Future work will focus on real-time data visualization, hardware optimization, clinical validation, and developing a stable mobile application to establish the vest as a reliable tool for personalized respiratory care.