Este trabalho tem como objetivo apresentar as principais características do processo de estampagem incremental, suas aplicações, vantagens e limitações assim como verificar a sua viabilidade econômica em aplicações industriais. Os resultados obtidos mostram que este processo pode ser aplicado na indústria em fases de desenvolvimento de produtos ou até mesmo para a produção de pequenos lotes de peças. Os principais métodos utilizados na estampagem incremental são o não assistido por matriz, o semi-assistido por matriz e o assistido por matriz. Os parâmetros que tem maiores influências no processo são: a forma e acabamento da ferramenta, a estratégia de conformação, os incrementos durante a conformação, o sistema de fixação e o lubrificante utilizado. Uma comparação entre o processo de estampagem incremental não assistido por matriz e este processo utilizando uma matriz suporte foi realizado com o objetivo de se verificar a precisão dimensional de cada um dos métodos onde foi comprovado que o método assistido por matriz é mais adequado para a fabricação de produtos onde a tolerância dimensional é um requisito importante. Finalmente a viabilidade econômica do processo de estampagem incremental foi realizada e comparada com o processo de estampagem convencional, comprovando que a estampagem incremental é viável economicamente para pequenos lotes de peças. / This work aimed at presenting the main characteristics of the incremental sheet metal forming process, its applications, advantages and disadvantages and limitations as well as verify its economic viability in industrial applications. The obtained results shows that this process can be applied in industry in the product development phase or even in the production of small batches of parts. The main method utilized in the incremental sheet metal forming are dieless forming, semi-support and supported. The parameters that have great influence on the process are: shape and roughness of tool, the tool path, the step down, the holding system and the lubricant used in the forming process. A comparison between the incremental sheet forming with and with out die to support it was carried out aiming at verify the dimensional accuracy of each method. The method with a die to support it was proved to be is more appropriate to fabricate products where the dimensional accuracy is a important requirement. Finally, the economic viability analysis of the incremental sheet metal forming process were carried out and compared with the conventional stamping process, proving that the incremental sheet metal forming is economically feasible for small batches of pieces.

Este trabalho se propõe a substituir parcialmente o processo de usinagem, empregado atualmente para a fabricação de uma broca de perfuração de rochas, pelo processo de forjamento, gerando assim uma peça com melhoria nas propriedades mecânicas, economia de matéria-prima, aumento do valor agregado do produto e diminuição dos custos de produção. É ainda uma seqüência da dissertação de mestrado de Charles Chemale Yurgel, buscando otimizações pontuais do mesmo. Foi realizado um projeto de ferramental para a obtenção de tal peça, e este foi simulado computacionalmente pelo software LARSTRANÒ, onde se comprovou a eficácia do mesmo para a obtenção de peças com completo preenchimento da cavidade da matriz. A simulação numérica computacional também indicou a força teórica necessária para a conformação da peça de trabalho, bem como o fluxo do material durante a deformação da mesma. Foram usinados os componentes do ferramental e forjadas as peças, de aço AISI 8640, em temperatura de 1200 ºC. A lubrificação foi à base de composto sintético, aplicado nas ferramentas e na geratriz sob forma de spray. Do processo, tal qual predisse a simulação numérica, originou-se peças com completo preenchimento da cavidade da matriz. A força de conformação foi medida por célula de carga acoplada ao experimento, e registrou-se uma carga de 1122 kN necessária para a obtenção da peça, sendo esta 6% menor do que a previsão do software de simulação. Foram caracterizadas as peças obtidas pelo processo proposto e comparadas com as peças obtidas por usinagem, de onde se chegou a uma economia de material de 45,5 % com aumento na dureza da peça de 3,3 %. Caracterizaram-se ainda, como perdas de processo, 3,6% de material, em peso, como produto de oxidação superficial. Desta maneira, comprova-se a viabilidade da substituição do processo de usinagem pelo processo de forjamento para a obtenção da peça de trabalho, bem como comprova a confiabilidade da simulação computacional como ferramenta de avaliação de projetos de conformação mecânica. / This work aims at showing the feasibility of partial substitution of the machining process by hot forging, to obtain AISI 8640 steel drills bits, used to bore holes in rocks. The current drill manufacturing process, by machining alone, has been a major factor in loss of competitiveness compared to international manufacturers, because of loss of raw materials, long processing time, or high hour/machine cost. Thus, the possibility of optimizing the piece manufacturing process, replacing part of the machining process by hot forging, besides allowing the optimization of mechanical properties, significantly reduces manufacturing costs. This article presents the tooling to obtain the piece, together with the procedure used for testing, comparing the force found in practice to computer simulation with LARSTRAN/SHAPEÒ program. The results proved the feasibility of partial substitution of the process manufacturing, and also proved the reliability of computer simulation in this case.

O Aeromóvel é um sistema de transportes com um conceito não convencional de transmissão de potência. Ele se baseia na transferência de força pela geração de diferenças de pressão em câmaras adjacentes, como em pistões pneumáticos. As vigas por onde o veículo desloca-se são vazadas, onde câmaras internas são formadas pela presença de anteparos ligados ao veículo e de elementos de potência. Em razão de o veículo não carregar o seu sistema de potência, que no caso do Aeromóvel está instalado no solo, a tecnologia apresenta reduzidos custos de construção e instalação comparada com sistemas de transporte similares. Este trabalho propõe a descrição matemática e a criação de um modelo computacional desta tecnologia, com fim de proporcionar uma importante ferramenta de projeto. É realizada uma breve revisão bibliográfica dos trabalhos realizados, relatando o histórico de seu desenvolvimento. Descrevemse os princípios de operação e os atuadores que são utilizados pelo Aeromóvel. A modelagem física consiste na análise das principais forças sobre o veículo e na utilização das equações para gases compressíveis para a representação das dinâmicas das pressões na câmara. A abordagem matemática realizada é feita através da análise por parâmetros concentrados. O modelo computacional é desenvolvido no ambiente Simulink® do programa Matlab®. A avaliação do presente trabalho é efetuada através de experimentos realizados na planta existente na cidade de Porto Alegre. São observadas e discutidas suas características particulares. Três importantes variáveis são avaliadas nos ensaios, massa, potência e modo de operação, com o objetivo de verificar a generalidade da validade do modelo. A análise dos resultados demonstra que o modelo é valido com uma boa correlação para representar o sistema Aeromóvel. Realizam-se simulações dos modos típicos de operação do sistema. Elas são feitas utilizando-se a máxima potência instalada, de forma a demonstrar os limites que a tecnologia alcança. Ao fim estão apresentados resultados de dois sistemas de controle propostos para o Sistema Aeromóvel, que puderam ser avaliados pela utilização do modelo computacional. O presente trabalho mostra-se uma importante ferramenta de projeto, proporcionando liberdade para o dimensionamento do sistema Aeromóvel para as mais variadas aplicações, prevendo o seu comportamento e desempenho. / The Aeromóvel is a transport system with a non-conventional concept of power transmission. It is based in the transference of force by the generation of differences of pressure in adjacent chambers, likewise in pneumatic pistons. The beams where the vehicle runs have a hole, where internal chambers are formed by the presence of baffles linked to the vehicle and power elements. As the vehicle does not carry its power system, the technology presents lower construction and installation costs compared with other similar transport systems. This work proposes a mathematical description and the creation of a computational model of this technology, with aim to provide an important project tool. A brief history review of preview works is made, mentioning the history of its development. The operational principles and the actuators utilized by the Aeromóvel are described. The physical modeling consists on the analysis of the principles forces acting on the vehicle and on the use of the equations for comprehensible gases in the representation of the pressure dynamics in the chambers. The mathematical approach is done through the analysis by lumped parameters. The computational model is developed in the Simulink® environment of the program Matlab®. The evaluation of the present work is effected through experiments realized on the existing plant on the city of Porto Alegre, Brazil. Plant particular characteristics are observed and debated. Three important variables are evaluated in the tests, mass, power and operational mean, with the objective to verify the generality of the model validity. The analysis of the results demonstrates that the model is valid with a good correlation to represent the Aeromovel system. Simulations of typical means of system operation are realized. They are made using the maximum installed power, so that the limits the technology reaches can be demonstrated. At end results of two control systems proposed to the Aeromovel technology are showed, which could be evaluated by the use of the computational model. The present work proved to be an important project tool, providing freedom to dimension the Aeromovel system in the most variable applications, previewing its behavior and performance.

O rápido avanço industrial, em resposta às exigências de mercado e ao desenvolvimento tecnológico, levou a um aumento na complexidade dos processos modernos, aumentando não apenas o nível de interação entre as variáveis do processo, como também o número de malhas de controle necessárias para manter as condições desejadas de operação e a qualidade dos produtos obtidos. Apesar desse cenário e do desenvolvimento de novas técnicas, a grande maioria das malhas de controle industriais não funcionam de forma satisfatória. Visando atender as exigências e necessidades deste contexto, neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia genérica para o projeto de controladores estruturados de baixa ordem do tipo PID, com elevado caráter prático e flexibilidade. Nesse contexto, o controlador PID é fatorado em blocos, permitindo levar em consideração as distintas formas nas quais a ação derivativa é implementada nos sistemas comerciais. A metodologia proposta permite a seleção do desempenho para o sistema que é então aproximado no domínio da freqüência para um controlador de estrutura e ordem selecionado pelo projetista. Foram propostas alternativas no sentido de sistematizar todo o procedimento de projeto. A partir do desenvolvimento de um estudo de caso capaz de gerar comportamentos dinâmicos representativos separados em classes, foram feitas diversas análises no sentido de verificar a potencialidade e as limitações da metodologia proposta. A metodologia foi integrada a uma ferramenta existente desenvolvida em Matlab® com interface amigável, possibilitando a qualquer profissional da área de controle de processos a exploração, em todas as dimensões, do problema de projeto global de controle, abrangendo a escolha da estrutura e projeto do controlador propriamente dito. Para processos mais complexos, foi desenvolvida uma metodologia alternativa através da sua caracterização por um conjunto de modelos lineares representativos de diferentes pontos operacionais, levando a um compromisso entre desempenho e robustez estabelecido por um único controlador PID. / The fast industrial progress, in response to the market demands and to the technological development caused an increased complexity of the modern processes, promoting not just an increased of the interaction level among the variables of the process, as well as the number of necessary control loops to maintain the conditions of the desired operations and the quality of the obtained products. Aiming to attend the demands and needs in this context, in this work, a generic methodology was developed for the design of structured low order controllers, with high practical character and flexibility. In that development, the PID controller was considered as a basis, due to its simplicity and capacity of providing a satisfactory performance for a great variety of processes. In that context, the PID controller is factored into blocks, allowing taking in consideration the different forms in which the derivative action is implemented in the commercial systems. The proposed methodology allows the selection of the desired closed-loop performance for the system that is then approximated in the frequency domain for a controller with structure and order selected by the designer. Alternatives were proposed in the sense of systematizing the whole project procedure. Starting from the development of a case study capable of generating representative dynamic behaviors, separated in classes, they were made several analyses in the sense of verifying the potentiality and the limitations of the proposal methodology. The whole methodology was integrated into an existent tool developed in Matlab® with a friendly interface providing to any professional in the area of control of processes the exploration, in all the dimensions, of the problem of global control design, embracing the choice of the structure and the controller's design. For more complex processes, an alternative methodology was developed through its characterization by a set of representative linear models at different operating points. thus taking to a compromise among performance and robustness established by only one PID controller.

Desde a década de 60, o problema de síntese de redes ótimas de trocadores de calor que resultem no menor consumo energético possível e com o menor número de equipamentos, vem despertando o interesse da comunidade científica e industrial, motivando a criação de técnicas e ferramentas especializadas. Este trabalho analisa as oportunidades de integração energética de uma Planta de Olefinas existente, identifica e quantifica as reduções de consumo de energia possíveis, propondo modificações do arranjo da rede de trocadores de calor para viabilizar estes objetivos. Além da análise das oportunidades na condição de projeto de operação da planta, variações das condições operacionais foram levadas em consideração para propor modificações que se adequassem à operação da planta real (flexibilidade). Em virtude da complexidade da planta e dimensão do problema em análise, a metodologia do trabalho foi dividida em duas: a planta como um todo foi inicialmente avaliada com as ferramentas tradicionais da Análise Pinch, levando em conta a necessidade de integração conjunta calor e trabalho devido à existência de ciclos de refrigeração. Desta avaliação inicial, as oportunidades foram identificadas e as modificações propostas. Posteriormente, segregando as modificações para que representassem porções menores e independentes entre si, uma delas foi selecionada para ser reanalisada, levando-se em conta dois cenários operacionais diversos. A redução de dimensão do problema permitiu a aplicação das metodologias matemáticas para síntese de redes flexíveis, gerando uma proposta de modificação que se adéqua aos cenários de operação propostos. / Since early 60’s, scientific and industrial community has been interested on synthesis of optimum heat exchanger networks capable of minimum energy consumption and requiring few heat transfer equipments, and has been motivated to develop specialized tools and techniques to approach this problem. This work analyses heat integration opportunities of an Olefins Plant, identifies and quantifies reduction of energy consumption, and propose changes of the existent heat exchanger network to achieve these goals. Besides the analysis of plant design conditions, multiple operational scenarios were considered to propose modifications able to handle real plant operation (flexibility). On the strength of plant complexity and large dimension, work methodology was splitted in two parts: initially, the whole plant was evaluated with traditional Pinch Analysis tools, considering heat and power integration in conjunct since refrigeration cycles are available. From this initial evaluation, opportunities are identified and modifications proposed. After that, modifications are segregated so as to represent small and independent portions of the original process. One of them is selected to be reanalyzed, considering two distinct operational scenarios. The reduction of problem dimension allowed mathematical methodologies to the synthesis of flexible networks to be applied, generating a feasible modification capable to fulfill proposed operational scenarios.

Mais que controlar os processos industriais, é necessário fazer com que a sua rentabilidade atinja o máximo possível e isto só é alcançado quando, por meio de algum método ou algoritmo, determina-se a operação ótima do processo. No entanto, a determinação de um ótimo nominal não conduz necessariamente com o ótimo operacional do processo, pois distúrbios de processo e uma série de incertezas podem fazer com que o processo não permaneça otimizado durante toda a operação. O uso de otimizadores em tempo real corrobora para correção e permanente condução do processo ao seu ponto ótimo. Neste estudo serão discutidas as fundamentações teóricas sobre as quais a otimização dinâmica em tempo real está baseada atualmente, bem como será proposto um novo método de otimização englobando algoritmo, modelos, reconciliação de dados e ajuste de parâmetros. / Besides to control the industrial processes, it is necessary to take its profitability reaches the maximum values and this can only be reached when applying some method or algorithm to determine the best operation point of the process. However, the nominal determination of the best operation point does not necessarily takes the process to its best production, because process disturbances and a series of uncertainties can occur and the process does not keeps itself optimized during all the operation. The real-time optimization corroborates for correction and permanent conduction of the process to its best operation point. In this study it will be discussed the theoretical basis, on which the dynamic real-time optimization is based nowadays, as well as a new optimization method will be proposed including algorithm, models, data reconciliation and adjustment of parameters.

As constantes exigências de redução de custos de produção aliada às necessidades de aumento produtivo impostas pelos mercados consumidores tem forçado as indústrias a investirem cada vez mais no estudo de novas técnicas de otimização dos seus processos. O rápido avanço industrial em resposta a estas exigências de mercado, elevou o grau de complexidade dos processos modernos, aumentando não apenas as interações entre as suas variáveis, como o número de malhas de controle necessárias para manter as condições de operação e qualidade do produto final dentro dos limites pré-estabelecidos. Em processos complexos e com alto grau de acoplamento entre as variáveis, os mais altos níveis de desempenho, não são mais atingidos utilizando apenas o controle regulatório simples (single input - single output). Nestes casos, estratégias de controle multivariável tornam-se indispensáveis pois surgem neste cenário buscando incrementar a operabilidade e a produção dos processos diminuindo a sua variabilidade e permitindo, desta forma, que estados estacionários mais próximos dos limites de especificação e operação sejam atingidos. Nesta dissertação, uma metodologia utilizada para estruturação de controladores PIMIMO foi empregada para projetar um controlador multivariável para uma unidade industrial de produção de poliestireno cristal (GPPS). O estudo desenvolveu-se a partir de um modelo rigoroso do processo de GPPS implementado em Matlab® (ALMEIDA, 2004). Dois modelos lineares foram obtidos para as entradas e saídas do sistema nos pontos de operação da unidade nos quais as diferenças operacionais são mais representativas. O comportamento do processo foi estudado a partir da análise destes dois modelos sob o ponto de vista de seu comportamento dinâmico (Zeros, Pólos e Tempo morto) e de sua controlabilidade (Ganho multivariável, Matriz de ganhos relativos (RGA), Condicionamento mínimo e Número de desempenho robusto (RPN)). A estrutura do controlador foi obtida a partir das características do processo, do emparelhamento indicado pela matriz RGA e do desempenho desejado com a utilização do aplicativo RPN-toolbox desenvolvido por FARINA (2000). A sintonia adequada para o controlador foi realizada segundo o método desenvolvido por ESCOBAR (2006). O desempenho dos controladores PI-MIMO para mudanças de setpoint e rejeição de distúrbios foi comparado a um controlador descentralizado de estrutura idêntica à utilizada na unidade de processo. Os resultados finais das simulações indicaram um melhor desempenho dos controladores multivariáveis projetados no controle da temperatura e do tempo de residência da seção de reação da unidade de GPPS. / The constant demands for reduction of production costs combined with the need to increase production imposed by consumer markets have forced the industries to invest more in the study of new techniques for optimization of their processes. The rapid industrial progress in response to these market demands, raised the complexity of modern processes, increasing not only the interactions between their variables, as the number of control loops needed to maintain the operation conditions and quality of the final product within the preestablished limits. In most cases this performance level is not achieved using only simple regulatory control (single input - single output), mainly in processes with a high degree of coupling between variables. In these cases, the multivariable control becomes indispensable, because it increases operability and production reducing process' variability allowing the operation of stationary states near the specification limits. In this dissertation, a methodology for structuring of PI-MIMO controller was used to design a multivariable controller for a plant for production of crystal polystyrene (GPPS). The study was developed from a rigorous model of the GPPS implemented in Matlab (ALMEIDA, 2004). Two linear models were obtained for the inputs and outputs of the system in operating point of the unit which the operational differences are more representative. The behavior of the process was studied from the analysis of these two models from the point of view of its dynamic behavior (zeros, poles and dead time) and its controllability (multivariable gain, relative gain array (RGA), and minimum conditioning, robust performance number (RPN)). The control structure was obtained from the characteristics of the process, the pairing indicated by RGA matrix and the performance desired using RPN-Toolbox developed by FARINA (2000). The tuning of the controller was performed using the method developed by ESCOBAR (2006). The performance of PI-MIMO controllers for setpoint changes and rejection of the disturbances was compared to a decentralized controller with structure similar to that used at the process. The final results of the simulations showed a better performance of multivariate controllers designed to control temperature and time of residence of the reaction section of the unit of GPPS.

O processo Spheripol é, atualmente, um dos mais utilizados na produção industrial de polipropileno e seus copolímeros. É composto por dois reatores tipo loop em série e, em alguns casos, um ou dois reatores tipo fase gás também em série. Neste trabalho é apresentado um modelo para os reatores loop do processo Spheripol. Os reatores loop são modelados como CSTR não ideais. O esquema cinético implementado é relativamente amplo, sendo capaz de englobar copolimerizações multisítio. Uma análise qualitativa do modelo é feita utilizando parâmetros cinéticos presentes na literatura e uma análise quantitativa do modelo é feita com base em dados reais de planta industrial. Ainda com base em dados de planta é feita uma estimação de parâmetros e a validação do modelo. Finalmente, o modelo com parâmetros estimados é aplicado num estudo de caso no qual também é criado um modelo de equilíbrio termodinâmico para a mistura reacional baseado na lei de Henry e na equação de estado de Peng-Robinson.

A melhoria de produtos e processos industriais pode ser realizada utilizando-se métodos de otimização experimental. Este trabalho apresenta um método estruturado para otimização envolvendo variáveis relacionadas com qualidade, comumente utilizadas, e variáveis que descrevem a confiabilidade do produto. O interesse em particular, está em sistematizar uma forma apropriada de determinar o prazo de garantia de produtos, baseado em testes de degradação acelerados. Para atingir este propósito utiliza-se projeto de experimentos conjuntamente com técnicas de avaliação sensorial, utilizada para medir o grau de degradação das amostras provindas dos testes de confiabilidade acelerados. O método é ilustrado com um estudo de caso realizado num produto fabricado em injeção de plástico. No exemplo do estudo de caso, deseja-se modelar a garantia de um piso plástico utilizado, na maternidade, para criação de suínos. Até o momento da realização da análise ocorriam reclamações de problemas com o produto dentro do prazo e garantia. O principal problema era a delaminação do produto devida a intensa fucção entre os cascos do animal e o piso. Um número elevado de reclamações durante o prazo de garantia levou ao desenvolvimento de uma nova composição do piso; o método proposto aqui é utilizado para determinar um prazo de garantia apropriado para produtos novos.

Neste trabalho foi modelado um reator catalítico heterogêneo, pressurizado, adiabático e provido de reciclo. O leito deste reator está dividido em duas partes, sendo que a primeira opera como um reator trickle-bed, enquanto a segunda opera como um reator de leito fixo, onde os regentes estão em fase líquida. Um Sistema de Hidrogenação de Propeno em operação no Pólo Petroquímico do Sul foi utilizado para fornecer os dados necessários à validação do modelo proposto. Neste sistema, a reação de hidrogenação de propeno, em fase líquida, ocorre sobre um catalisador níquel/óxido de níquel. Uma equação, que representa a taxa da reação no intervalo de temperatura de interesse para o sistema, foi desenvolvida utilizando-se dados experimentais obtidos em um reator batelada. O comportamento termodinâmico foi representado através de dados de equilíbrio do sistema binário hidrogênio-propano. Considerou-se que a fase líquida escoa em plug-flow e a fase gasosa, devido à existência de um selo líquido no interior do reator, foi considerada estagnada.