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Título: Development of thin surface virtual sensors for predictive maintenance
Título(s) alternativo(s): Desenvolvimento de sensores virtuais finos de superfície para manutenção preditiva
Autor(es): Amaral, Fábio Augusto
Orientador(es): Neli, Roberto Ribeiro
Palavras-chave: Inovações tecnológicas
Indústria - soluções
Manutenção preditiva
Technological innovations
Industry - solutions
Predictive maintenance
Data do documento: 13-Set-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Campo Mourao
Citação: AMARAL, Fabio Augusto. Development of thin surface virtual sensors for predictive maintenance. 2025. Dissertação (Mestrado em Inovações Tecnológicas) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campo Mourão, 2025.
Resumo: Na área de manufatura, estampagem e injeção de plástico são alguns procedimentos essenciais, de forma que as empresas do setor precisam otimizar esses processos para ganhar vantagem competitiva. Nesse sentido, este trabalho é parte do projeto On-Surf, que visa desenvolver soluções avançadas para a indústria de transformação através de técnicas de engenharia de superfícies. Este trabalho propõe o desenvolvimento de sensores virtuais capazes de estimar, em tempo real, a temperatura em diversos pontos da câmara de injeção de um molde plástico, para qualquer geometria, utilizando dados de uma ou múltiplas entradas de sensores físicos. O método é dividido em três etapas, a primeira utiliza o software de Engenharia Assistida por Computador (CAE) ANSYS para modelar a distribuição de temperatura do sistema de injeção através do módulo Transiente Thermal. A segunda etapa utiliza o software matemático MATLAB para a partir da série temporal de temperatura resultante do ANSYS, obter as equações dos sensores virtuais. A terceira etapa é a aplicação das expressões dos sensores virtuais a um teste de desempenho através de um algoritmo desenvolvido em Python, que calcula o valor dos sensores virtuais a partir da entrada de um ou vários sensores físicos de temperatura. O trabalho inicia com estudos de caso de geometrias metálicas simples para entender o seu comportamento térmico, condições de contorno e posteriormente avança para o estudo do molde. O método foi validado experimentalmente utilizando geometrias metálicas simples, compostas por chapas e tubos de alumínio e cobre, submetidos a ensaios de condução térmica em uma jiga de testes. A jiga de testes conta com um datalogger capaz de armazenar valores de quatro sensores de temperatura em um cartão MicroSD. Para a validação, as posições dos quatro sensores reais coincidem com as dos sensores virtuais para permitir uma comparação quantitativa e qualitativa. O sensor S1 é posicionado sobre a fonte de calor e serve como entrada para o modelo virtual, e os sensores S2, S3 e S4 são os sensores a serem comparados. Na modelagem virtual, foram testadas expressões logarítmicas e polinomiais de ordens 4, 6 e 8, sendo as de ordem 4 as que apresentaram o melhor equilíbrio entre custo computacional e precisão. Nos testes com a topologia de uma entrada real e sete sensores virtuais de saída, o tempo de resolução das expressões foi de aproximadamente 230 milissegundos (ms). Já para a topologia com duas entradas reais e sete saídas virtuais, o tempo de resolução foi de cerca de 473 ms. Na validação, para todas as geometrias, o valor inferido do sensor S2 esteve dentro da faixa dos valores reais medidos, na maior parte do intervalo de tempo. Os resultados do sensor S3 indicaram melhor desempenho das geometrias tubulares de alumínio e cobre em relação às chapas, cujos valores inferidos ficaram ligeiramente inferiores aos medidos experimentalmente. O valor inferido do sensor S4 apresentou variações em todas a geometrias com valores ligeiramente abaixo dos valores reais medidos. Tais resultados são diretamente relacionados às condições das medições reais, bem como às configurações das condições de contorno no ANSYS. A técnica apresenta potencial de melhoria para fornecer medições relevantes do ponto de vista de monitoramento do equipamento, podendo trazer informações sobre tendências de uso que contribuam com a manutenção preditiva da máquina (PdM).
Abstract: In the manufacturing field, stamping and plastic injection are among the essential processes, and companies in this sector must optimize them to gain a competitive advantage. In this context, this work is part of the On-Surf Project, which aims to develop advanced solutions for the manufacturing industry through surface engineering techniques. This study proposes the development of virtual sensors capable of estimating, in real time, the temperature at multiple points of a plastic mold injection chamber, regardless of geometry, using data from one or multiple physical sensor inputs. The proposed method is divided into three stages. The first stage employs the Computer-Aided Engineering (CAE) software ANSYS to model the temperature distribution of the injection system using the Transient Thermal module. The second stage uses the mathematical software MATLAB to obtain the virtual sensor equations from the temperature time series generated by ANSYS. The third stage involves applying these virtual sensor equations in a performance test through an algorithm developed in Python, which calculates the virtual sensor values based on the input of one or more physical temperature sensors. The study begins with case analyses of simple metallic geometries to understand their thermal behavior and boundary conditions, and later advances to the analysis of the mold. The method was experimentally validated using simple metallic geometries, plates and tubes made of aluminum and copper, subjected to heat conduction tests in a testing jig. The testing jig is equipped with a datalogger capable of recording the readings of four temperature sensors onto a MicroSD card. For validation purposes, the positions of the four physical sensors coincide with those of the virtual sensors, enabling quantitative and qualitative comparisons. Sensor S1 is positioned on the heat source and serves as the input for the virtual model, while sensors S2, S3, and S4 are used for comparison. In the virtual modeling process, logarithmic and polynomial expressions of orders 4, 6, and 8 were tested, with fourth-order polynomials providing the best balance between computational cost and accuracy. In the tests performed with a topology consisting of one real input and seven virtual output sensors, the expression resolution time was approximately 230 milliseconds (ms). For the topology with two real inputs and seven virtual outputs, the resolution time was around 473 ms. During validation, for all geometries, the inferred value of sensor S2 remained within the range of the measured real values for most of the time interval. The results from sensor S3 showed better performance for the tubular geometries of aluminum and copper compared to the plate geometries, whose inferred values were slightly lower than those measured experimentally. The inferred values of sensor S4 exhibited variations across all geometries, with values slightly below the real measurements. These results are directly related to the conditions of the real measurements, as well as to the configuration of the boundary conditions in ANSYS. The proposed technique shows potential for improvement, providing relevant measurements from an equipment monitoring perspective and generating useful information on usage trends that can contribute to Predictive Maintenance (PdM) strategies.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39185
Aparece nas coleções:CM - Programa de Pós-Graduação em Inovações Tecnológicas

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