https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/74817 Sat, 05 Sep 2026 07:28:35 GMT 2026-09-05T07:28:35Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/275329 Sistema baseado em conhecimento para avaliação e orientação sobre economia circular com aplicação ao setor metalmecânico Prado, Júlio Dias do As empresas de manufatura enfrentam diversos desafios para a promoção de uma produção sustentável. Além da escassez de recursos e, em alguns casos, do aumento de preços e da dificuldade de acesso às matérias-primas, somam-se desafios associados às mudanças climáticas. Nesse contexto, a adoção de práticas de Economia Circular (EC) pode contribuir para a operação em ciclos produtivos fechados, promovendo maior eficiência no uso de recursos naturais e equilíbrio econômico. O uso da Inteligência Artificial (IA) tem sido apontado como um meio para apoiar as empresas nesses desafios, ao possibilitar o desenvolvimento e o planejamento de produtos e processos mais sustentáveis, bem como o apoio à revisão de modelos de negócios circulares. Entre as abordagens de IA, os Sistemas Baseados em Conhecimento (SBC) destacam-se por utilizarem conhecimento humano explícito para resolver problemas em domínios específicos. O objetivo desta tese é desenvolver um SBC híbrido, orientado à avaliação do nível de adoção da EC em empresas do setor metalmecânico, integrando o índice Overall Circularity Effectiveness (OCE), valores de referência setoriais e conhecimento especializado, com vistas ao apoio à tomada de decisão e à orientação para a transição circular. O sistema proposto concentra-se no contexto industrial do setor metalmecânico, permitindo a avaliação do desempenho circular e a proposição de conhecimento especializado. O desenvolvimento do sistema ocorreu de forma incremental, com validação junto a especialistas da academia e da indústria. Os resultados do protótipo e dos testes de campo indicam que o SBC apresenta potencial para apoiar a mensuração, a interpretação dos resultados e a reflexão estratégica sobre a adoção da EC, demonstrando que a base de conhecimento estruturada contribui para a sistematização da avaliação, a disseminação de boas práticas e o suporte qualificado à tomada de decisão no setor metalmecânico.; Abstract: Manufacturing companies face several challenges in promoting sustainable production. In addition to resource scarcity and, in some cases, rising prices and limited access to raw materials, there are also challenges associated with climate change. In this context, the adoption of Circular Economy (CE) practices may contribute to operating in closed production cycles, promoting greater efficiency in the use of natural resources and economic balance. The use of Artificial Intelligence (AI) has been identified as a means to support companies in addressing these challenges by enabling the development and planning of more sustainable products and processes, as well as supporting the revision of circular business models. Among AI approaches, Knowledge-Based Systems (KBS) stand out for using explicit human knowledge to solve problems in specific domains. The objective of this thesis is to develop a hybrid KBS aimed at assessing the level of CE adoption in companies in the metal-mechanical sector, integrating the Overall Circularity Effectiveness (OCE) index, sectoral benchmark values, and expert knowledge in order to support decision-making and guide circular transition. The proposed system focuses on the industrial context of the metal-mechanical sector, enabling the assessment of circular performance and the provision of specialized knowledge. The system was developed incrementally and validated with experts from academia and industry. The results of the prototype and field tests indicate that the KBS has the potential to support measurement, interpretation of results, and strategic reflection on CE adoption, demonstrating that the structured knowledge base contributes to systematizing the assessment process, disseminating best practices, and providing qualified decision support in the metal-mechanical sector. Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2026. Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/275329 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/275310 Node-based shape optimization of shell structures subjected to time-harmonic loads for minimization of vibration active input power Galibern, Leonardo Rosa Este trabalho apresenta uma metodologia para a otimização de forma com parametrização nodal aplicada a estruturas de casca finas submetidas a excitações harmônicas, com o objetivo de minimizar a vibração estrutural em regimes de alta frequência. Para tal, um elemento finito de casca plano baseado na superposição dos elementos discrete Kirchhoff triangle (DKT) e constant strain triangle (CST) foi implementado em Python e validado por meio de soluções analíticas e resultados numéricos. Uma metodologia de otimização de forma foi desenvolvida usando coordenadas nodais como variáveis de projeto, permitindo a exploração de grandes espaços de projeto. A potência de entrada ativa foi escolhida como função objetivo, uma vez que fornece uma métrica global robusta da vibração estrutural e é particularmente apropriada para faixas de frequência com alta densidade modal. Uma análise de sensibilidade totalmente analítica das equações de equilíbrio dinâmico do elemento DKT-CST foi derivada usando o método adjunto, permitindo o cálculo eficiente dos gradientes apesar do grande espaço de projeto e possibilitando o uso do método das assíntotas móveis (MMA) para a otimização. Filtros foram empregados para garantir a regularidade da malha e permitir o controle da suavidade das formas otimizadas. A eficiência e flexibilidade da metodologia proposta foram demonstradas por meio de exemplos numéricos envolvendo uma casca esférica submetida a pressão distribuída e esforços concentrados. Os resultados consistentemente mostraram reduções significativas na função objetivo, frequentemente por várias ordens de magnitude, obtidas através da redistribuição de energia modal e da criação de largas faixas de baixa amplitude de resposta ao redor da frequência alvo, efetivamente substituindo picos ressonantes por regiões com resposta fortemente atenuada. A versatilidade do procedimento proposto também foi ilustrada em problemas de otimização multifrequência, integrando características geométricas distintas necessárias para suprimir vibrações em diferentes regiões do espectro de frequência simultaneamente. Além disso, foi demonstrado que as reduções na potência de entrada ativa são correlacionadas com reduções correspondentes na energia cinética estrutural, confirmando que a função objetivo é eficaz na redução da velocidade superficial média e indicando potencial aplicação na minimização do ruído radiado. Através de um estudo paramétrico, demonstrou-se que as características geométricas das formas otimizadas podem ser controladas por um pequeno grupo de parâmetros de entrada, variando desde geometrias com múltiplas variações de curvatura localizadas até propostas praticamente indistinguíveis da forma original, porém com melhor desempenho dinâmico. Em conclusão, a metodologia desenvolvida fornece uma estratégia eficiente para reduzir a vibração em estruturas de casca finas através de modificações geométricas, oferecendo uma abordagem que equilibra liberdade de projeto e eficiência computacional.; Abstract: This work presents a methodology for the node-based shape optimization of thin shell structures subjected to time-harmonic excitations, with the objective of minimizing structural vibration in high-frequency regimes. To achieve this goal, a flat shell finite element based on the superposition of the discrete Kirchhoff triangle (DKT) and the constant strain triangle (CST) was implemented in Python and validated against analytical solutions and verified numerical results. A shape optimization framework was developed using nodal coordinates as design variables, allowing for a large design space. The active input power was adopted as the objective function, as it provides a robust global metric of structural vibration levels and is particularly suitable for frequency ranges with high modal density. A fully analytical sensitivity analysis of the dynamic equilibrium equations of the DKT-CST element was derived using the adjoint method, enabling efficient gradient computation despite the large design space and allowing the use of the method of moving asymptotes (MMA) for optimization. Filtering techniques were employed to ensure mesh regularity and to control the smoothness of the resulting shapes. The effectiveness and flexibility of the proposed methodology were demonstrated with numerical examples involving a spherical shell subjected to both distributed pressure fields and point loads. The results consistently demonstrated significant reductions in the objective function, often by several orders of magnitude, achieved through the redistribution of modal energy and the creation of wide low-vibration bandgaps around the target frequency, effectively replacing resonant peaks with regions of strongly attenuated response. The proposed framework also proved versatile for multi-frequency optimization problems, seamlessly integrating the distinct geometric features required to suppress vibrations in different regions of the frequency spectrum. Furthermore, the bandgaps in the active input power were shown to be directly correlated with corresponding bandgaps in the structural kinetic energy, confirming that the objective function effectively reduces the mean squared surface velocity and suggesting potential applicability for minimizing the radiated noise. With a detailed parametric study, it was also shown that the geometric characteristics of the optimized shapes can be controlled through a small set of input parameters, ranging from geometries with multiple localized curvature variations to designs nearly indistinguishable from the original shape, but with improved dynamic performance. In conclusion, the developed methodology provides an effective strategy for reducing vibration in thin shell structures through geometric modification, offering a balanced approach between design freedom and computational efficiency. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2026. Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/275310 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/275177 Desenvolvimento e caracterização de um sensor de monitoramento de vibrações e impacto utilizando tecnologia MEMS capacitiva Abreu, João Victor de Castro Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a caracterização de um sensor destinado ao monitoramento de vibrações e impactos em máquinas e processos industriais, utilizando tecnologia MEMS capacitiva. O projeto foi realizado em parceria entre o Laboratório de Vibrações e Acústica da Universidade Federal de Santa Catarina (LVA) e a empresa WEG Drives & Controls, com o objetivo de desenvolver um dispositivo capaz de operar em uma faixa de frequência de até 10 kHz, com faixas de medição de ± 15 g, ± 30 g e ± 60 g. O desenvolvimento do sensor envolveu a modelagem do invólucro e de seus componentes estruturais por meio de ferramentas de desenho assistido por computador e simulações numéricas baseadas no Método dos Elementos Finitos. Foram realizadas análises modais e estudos no domínio da frequência a fim de garantir que a primeira frequência natural do dispositivo estivesse acima da faixa de operação desejada. Após a etapa de projeto, foram fabricados protótipos contendo unidades MEMS do modelo ADXL382, os quais foram submetidos a um processo de caracterização experimental. A caracterização foi conduzida por meio de bancadas de ensaio de vibração e impacto desenvolvidas no LVA, seguindo os procedimentos descritos nas normas ISO 16063-21 e ISO 16063-22, com adaptações realizadas de modo a adequar os métodos às características específicas de sensores MEMS. Foram avaliados parâmetros como sensibilidade nominal, sensibilidade cruzada, resposta em frequência, linearidade de amplitude, amplitude dinâmica, ruído inerente e variação de sensibilidade com a temperatura. Os resultados obtidos indicam que o sensor desenvolvido apresenta comportamento compatível com os requisitos estabelecidos para aplicações de monitoramento de vibrações e impactos em ambientes industriais. As medições experimentais mostraram boa concordância com as especificações da unidade MEMS utilizada e evidenciaram que a estrutura mecânica do sensor exerce influência limitada sobre o desempenho do elemento sensor. Dessa forma, o trabalho demonstra a viabilidade da utilização de sensores baseados em tecnologia MEMS capacitiva como alternativa de baixo custo para sistemas de monitoramento de condição de máquinas.; Abstract: This work presents the development and characterization of a sensor designed for monitoring vibrations and impacts in industrial machinery and processes, using capacitive MEMS technology. The project was carried out through a partnership between the Laboratory of Vibrations and Acoustics at the Federal University of Santa Catarina (LVA) and WEG Drives & Controls, with the objective of developing a device capable of operating within a frequency range of up to 10 kHz, with measurement ranges of ± 15 g, ± 30 g, and ± 60 g. The sensor development involved the modeling of the enclosure and its structural components using computer-aided design tools and numerical simulations based on the Finite Element Method. Modal analyses and frequency-domain studies were conducted to ensure that the first natural frequency of the device was above the desired operating range. After the design stage, prototypes incorporating MEMS units of the ADXL382 model were manufactured and subjected to an experimental characterization process. The characterization was performed using vibration and shock test benches developed at LVA, following the procedures described in ISO 16063-21 and ISO 16063-22 standards, with adaptations made to accommodate the specific characteristics of MEMS sensors. Parameters such as nominal sensitivity, cross-axis sensitivity, frequency response, amplitude linearity, dynamic range, inherent noise, and sensitivity variation with temperature were evaluated. The results indicate that the developed sensor exhibits behavior consistent with the requirements for vibration and shock monitoring applications in industrial environments. Experimental measurements showed good agreement with the specifications of the employed MEMS unit and demonstrated that the mechanical structure of the sensor has a limited influence on the performance of the sensing element. Therefore, this work demonstrates the feasibility of using capacitive MEMS-based sensors as a low-cost alternative for machine condition monitoring systems. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2026. Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/275177 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/275115 Investigation of the effect of hot-wire, electromagnetic field (EMF), and dynamic wire feeding techniques on wire-feed laser directed energy deposition (L-DED) Dutra, Manoel Kolling A Deposição por Energia Direcionada a Laser alimentada por arame (L-DEDw) tem se destacado como uma tecnologia promissora de manufatura aditiva metálica para a fabricação e o reparo de componentes de médio e grande porte, em função de suas elevadas taxas de deposição, alta eficiência de utilização do material e flexibilidade geométrica. Entretanto, o processo ainda enfrenta desafios relevantes relacionados à instabilidade da transferência metálica, à dinâmica da poça de fusão, à formação de respingos e à elevada sensibilidade às variações de parâmetros operacionais, especialmente quando o arame é alimentado de forma contínua e em seu estado natural. Diante desse contexto, esta tese investiga os efeitos individuais e integrados das técnicas de aquecimento indutivo do arame (hot-wire), aplicação de campo eletromagnético externo (FEM) e alimentação dinâmica do arame no processo L-DED alimentado por arame, com o objetivo de aprimorar a estabilidade da transferência metálica, o comportamento da poça de fusão e a geometria dos cordões depositados. A hipótese central é que a integração dessas técnicas permite um controle mais eficiente da transferência de massa e energia, promovendo maior estabilidade do processo, redução do aporte térmico efetivo e ampliação da janela operacional. Para isso, foi desenvolvido um conceito inédito de alimentador de arame capaz de integrar pré-aquecimento indutivo, aplicação de campo eletromagnético e alimentação dinâmica por meio de oscilações controladas de avanço e recuo do arame. Os experimentos foram realizados utilizando arame ER70S-6 com diâmetro de 1,2 mm e substrato de aço SAE 1020, mantendo parâmetros controlados de potência do laser, velocidade de varredura e velocidade média de alimentação do arame. A caracterização do processo foi conduzida por meio de filmagens de alta velocidade para análise da transferência metálica e da dinâmica da poça de fusão, bem como por análises macrográficas das seções transversais dos cordões, com avaliação de altura, largura, penetração e diluição. Os resultados demonstraram que o aquecimento indutivo do arame altera o balanço térmico do processo, reduzindo a fração de energia do laser necessária para a fusão do material de adição e favorecendo a formação de uma ponte líquida mais estável. A aplicação do campo eletromagnético contribuiu para a estabilização da poça de fusão, reduzindo a ocorrência de respingos e promovendo maior uniformidade geométrica dos cordões, em função da atuação das forças de Lorentz no metal líquido. A alimentação dinâmica do arame introduziu uma modulação temporal controlada da transferência de massa e energia, influenciando diretamente a área da poça de fusão, o ângulo de molhamento e a estabilidade do processo. A análise dessas técnicas permite uma compreensão abrangente de suas influências individuais sobre o comportamento do processo, evidenciando seu potencial como estratégias independentes para a melhoria da estabilidade e da qualidade da deposição no L-DEDw. Adicionalmente, destaca-se que o desenvolvimento do sistema experimental proposto resultou na concepção, projeto e construção de uma infraestrutura inovadora de pesquisa, capaz de integrar aquecimento indutivo, aplicação de campo eletromagnético e alimentação dinâmica do arame em um único arranjo. Essa infraestrutura amplia significativamente as possibilidades de investigação no processo L-DED alimentado por arame, viabilizando a exploração de fenômenos e estratégias de controle anteriormente não acessíveis. Conclui-se que a integração das técnicas de hot-wire, campo eletromagnético e alimentação dinâmica constitui uma abordagem eficaz para o controle avançado do processo L-DED alimentado por arame, apresentando elevado potencial para aplicações industriais em manufatura aditiva metálica e revestimentos a laser.; Abstract: Wire-fed Laser Directed Energy Deposition (W-LDED) has emerged as a promising metal additive manufacturing technology for the fabrication and repair of medium- and large-scale components, due to its high deposition rates, efficient material utilization, and geometric flexibility. Nevertheless, the process still faces significant challenges related to metal transfer instability, melt-pool dynamics, spatter formation, and strong sensitivity to process parameter variations, particularly when the filler wire is supplied continuously and without thermal or kinematic conditioning. In this context, this doctoral thesis investigates the individual and combined effects of inductive wire preheating (hot-wire), external electromagnetic field assistance (EMF), and dynamic wire feeding on the wire-fed L-DED process, aiming to improve metal transfer stability, melt-pool behavior, and deposited bead geometry. The central hypothesis is that the application of these techniques enables more effective control of mass and energy transfer, leading to enhanced process stability, reduced effective heat input, and an expanded operational window. To achieve this objective, a novel wire-feeding system was developed, capable of integrating inductive preheating, electromagnetic field application, and dynamic wire feeding through controlled forward?backward oscillations of the wire. Experimental investigations were conducted using ER70S-6 wire with a diameter of 1.2 mm deposited onto SAE 1020 steel substrates, under controlled laser power, scanning speed, and average wire feed rate. Process characterization was performed through high-speed imaging to analyze metal transfer behavior and melt-pool dynamics, as well as macrographic analysis of bead cross-sections to evaluate height, width, penetration, and dilution. The results demonstrate that inductive wire preheating modifies the thermal balance of the process, reducing the fraction of laser energy required to melt the filler material and promoting the formation of a more stable liquid bridge. Electromagnetic field assistance contributes to melt-pool stabilization, reducing spatter occurrence and improving bead geometric uniformity through the action of Lorentz forces on the molten metal. Dynamic wire feeding introduces a controlled temporal modulation of mass and energy transfer, directly influencing melt-pool area, contact angle, and overall process stability. The analysis of these techniques provides a comprehensive understanding of their individual influence on process behavior, highlighting their potential as independent strategies for improving stability and deposition quality in W-LDED. Additionally, the development of the experimental system enabled the conception, design, and construction of an innovative research infrastructure, capable of integrating inductive heating, electromagnetic field application, and dynamic wire feeding within a single setup. This infrastructure significantly expands the research possibilities in wire-based L-DED, enabling the investigation of phenomena and control strategies that were previously not accessible. It is concluded that the integration of hot-wire preheating, electromagnetic field assistance, and dynamic wire feeding constitutes an effective strategy for advanced process control in wire-fed L-DED, with strong potential for industrial applications in metal additive manufacturing and laser-based surface coating. Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2026. Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/275115 2026-01-01T00:00:00Z