Implementació de models reològics en l’adquisició de dades en un procés de conformació en estat semisòlid

TREBALL FINAL DE GRAU TÍTOL: IMPLEMENTACIÓ DE MODELS REOLÒGICS EN L’ADQUISICIÓ DE DADES EN UN PROCÉS DE CONFORMACIÓ EN ESTAT SEMISÒLID AUTOR: DICHÓS I CALA, GERARD DATA DE PRESENTACIÓ: MAIG, 2025 COGNOMS: DICHÓS I CALA NOM: GERARD TITULACIÓ: GRAU EN ENGINYERIA ELECTRÒNICA INDUSTRIAL I AUTOMÀTICA. DIRECTOR: ÀLEX LÁZARO GONZÁLEZ CODIRECTOR: OSCAR MARTÍN RAYA DEPARTAMENT: DEPARTAMENT DE CIÈNCIA I ENGINYERIA DE MATERIALS QUALIFICACIÓ DEL TFG DATA DE LECTURA: Aquest Projecte té en compte aspectes mediambientals: X Sí  No TRIBUNAL PRESIDENT SECRETARI VOCAL RESUM Aquest treball de fi de grau se centra en la implementació de models reològics en sistemes d’adquisició de dades aplicats al procés de conformació de metalls en estat semisòlid, concretament en el context del prototip Partial Melting Semisolid Manufacturing (PMSM). L’objectiu és millorar la interpretació de dades obtingudes durant el procés de rheocasting, per facilitar el control i optimització del comportament del material durant la conformació. S’ha desenvolupat una eina basada en macros programades amb VBA (Visual Basic for Applications) que permet automatitzar el tractament de les dades i aplicar-hi models constitutius per caracteritzar la viscositat en funció de variables com la temperatura i el temps. Aquesta eina també genera gràfics automàtics per a la visualització dels resultats i l’anàlisi en temps real del procés a gust de l’usuari. L’eina desenvolupada ha estat validada amb dades experimentals i ha demostrat una elevada utilitat per diagnosticar errors i ajustar condicions de procés de forma eficaç. Com a conclusió, la implementació de models reològics dins d’un entorn automatitzat per a l’adquisició i el tractament de dades representa una eina potent i accessible per millorar la gestió del procés PMSM. Aquest enfocament facilita una comprensió més profunda del comportament del material i una presa de decisions més informada en temps real. Paraules clau (màxim 10): PMSM Estat semisòlid Rheocasting Adquisició de dades Implementació Programa Macros VBA gràfics viscositat ABSTRACT This bachelor’s thesis focuses on the implementation of rheological models in data acquisition systems applied to the forming process of metals in the semi-solid state, specifically in the context of the Partial Melting Semisolid Manufacturing (PMSM) prototype. The main objective is to improve the interpretation of the data obtained during the rheocasting process, to facilitate the control and optimization of the material’s behaviour during forming. A tool has been developed based on macros programmed with VBA (Visual Basic for Applications), which allows the automation of data processing and the application of constitutive models to characterize viscosity as a function of variables such as temperature and time. This tool also automatically generates graphs for the visualization of results and real-time analysis of the process according to the user’s needs. The tool has been validated with experimental data and has proven to be highly useful for diagnosing errors and effectively adjusting process conditions. In conclusion, the implementation of rheological models within an automated environment for data acquisition and processing represents a powerful and accessible tool to improve the management of the PMSM process. This approach allows for a deeper understanding of the material’s behaviour and enables more informed decision-making in real time. Keywords (10 maximum): PMSM Semi-solid state Rheocasting Data acquisition Implementation Program Macros VBA Graphs Viscosity ÍNDEX INTRODUCCIÓ I OBJECTIUS 8 1. FASES DEL TREBALL FINAL DE GRAU 9 2. MARC TEÒRIC PREVI 10 2.1. ESTAT SEMISÒLID 10 2.1.1. MICROESTRUCUTURA 11 2.1.2. CONFORMAT DE L'ESTAT SEMISÒLID 12 2.2. RHEOCASTING 14 2.2.1. RUTES REOLÒGIQUES 17 2.2.2. RUTES TIXOTRÒPIQUES 17 2.2.3. COMPARATIVA ENTRE RUTES 18 2.3. REOLOGÍA 19 2.4. MODELS REÒLOGICS 22 2.5. VISCOSITAT 28 2.6. FLUXOS 29 2.6.1. FLUX LAMINAR I TURBULENT 29 2.6.2. DIFERÈNCIES ENTRE FLUXOS 31 2.6.3. NÚMERO DE REYNOLDS 31 2.7. FUNCIÓ DEL PMSM 32 3. ANÀLISI DE LA MÀQUINA PSM I COMPONENTS 33 3.1. ESTAT INICIAL DEL LABORATORI 33 3.2. ESTRUCUTURA DEL PMSM I COMPONENTS 35 3.2.1. ZONA DE TREBALL 36 3.2.2. TUBS REFRIGERANTS 38 3.2.3. FORN D’INDUCCIÓ 39 3.2.4. ARMARI ELÈCTRIC 42 3.3. FUNCIONAMENT INICIAL DEL PMSM I COMPONENTS 43 4. IMPLEMENTACIÓ DE MÒDELS REOLÒGICS 56 4.1. ETAPES DE LA IMPLEMENTACIÓ 56 4.2. OPTIMITZACIÓ GRÀFICS DE VISCOSITAT 57 4.2.1. PROGRAMES A UTILITZAR 58 4.3. ELABORACIÓ DEL PROGRAMA INICIAL 61 4.3.1. PROGRAMA BASE INICIAL 61 4.3.2. FUNCIONAMENT PROGRAMA INICIAL 64 4.4. PROGRAMA FINAL 68 4.5. FUNCIONAMENT PROGRAMA FINAL 90 4.6. IMPLEMENTACIÓ AL PMSM 100 4.7. RESULTATS OBTINGUTS I MODIFICACIONS 102 5. PROPOSTES DE FUTUR 105 5.1. ARRANJAMENT DEL TERMOPARELL 106 5.2. PROGRAMA PYTHON PANDAS 110 5.3. ALTRES IMPLEMENTACIONS 112 5.4. PRESSUPOST 113 6. SOSTENIBILITAT DINS DEL PROJECTE 114 CONCLUSIONS 119 AGRAÏMENTS 121 BIBLIOGRAFIA 122 ANNEXE I : PROGRAMA VBA 126 SUMARI DE IL·LUSTRACIONS IL·LUSTRACIÓ 1. EVOLUCIÓ DE LA MICROESTRUCTURA EN L’ESTAT SEMISÒLID. 12 IL·LUSTRACIÓ 2. FRAGMENTACIÓ DE DENDRITES EN L'ESTAT SEMISÒLID. 12 IL·LUSTRACIÓ 3. ESQUEMA DE L’OBTENCIÓ D’ESTRUCTURES NO DEDRÍTIQUES. 14 IL·LUSTRACIÓ 4. DOS MECANISMES DIFERENTS PER AL PROCÉS DE RHEOCASTING 16 IL·LUSTRACIÓ 5. (A) MESURA DEL VOLUM EN UN FLUID MOLECULAR. 21 IL·LUSTRACIÓ 3. ESQUEMA DE L’OBTENCIÓ D’ESTRUCTURES NO DEDRÍTIQUES. 14 IL·LUSTRACIÓ 4. DOS MECANISMES DIFERENTS PER AL PROCÉS DE RHEOCASTING 16 IL·LUSTRACIÓ 5. (A) MESURA DEL VOLUM EN UN FLUID MOLECULAR. 21 IL·LUSTRACIÓ 6. GRÀFIC ENTRE VISCOSITAT I TEMPS AMB DIFERENTS CISALLES 26 IL·LUSTRACIÓ 7. RECTA LOGARÍTMICA ENTRE VISCOSITAT I TEMPS 26 IL·LUSTRACIÓ 8. PROCÉS DE FOSA DE METALLS OBSERVANT, EX. DE VISCOSITAT. 28 IL·LUSTRACIÓ 9. EXEMPLE GRÀFIC DEL FLUX LAMINAR. 30 IL·LUSTRACIÓ 10. EXEMPLE GRÀFIC DEL FLUX TURBULENT. 30 IL·LUSTRACIÓNS 11. ESTAT INICIAL DEL PMSM I DE LA RESTA DEL LABORATORI. 34 IL·LUSTRACIÓ 12. PMSM 35 IL·LUSTRACIÓ 13. ESCRIPTORI DE DONADA D'ORDRES AL PMSM. 36 IL·LUSTRACIÓ 14. PANELL DE CONTROL DE L'ARMARI DEL FORN. 36 IL·LUSTRACIÓ 15. INTERIOR DEL PANELL DE CONTROL DE L'ARMARI DEL FORN. 37 IL·LUSTRACIÓ 16. VÀLVULES I TUBS REFRIGERANTS. 39 IL·LUSTRACIÓ 17. PANELL DE CONTROL FORN D'INDUCCIÓ EKOHEAT 39 IL·LUSTRACIÓ 18. INTERIOR DEL FORN D'INDUCCIÓ EKOHEAT 39 IL·LUSTRACIÓ 19. FULL D'ESPECIFICACIONS FORN D'INDUCCIÓ EKOHEAT. 41 IL·LUSTRACIÓ 20. ARMARI ELÈCTRIC DEL LABORATORI. 42 IL·LUSTRACIÓ 21. INTERIOR ARMARI ELÈCTRIC 42 IL·LUSTRACIÓNS 22. OBERTURA DE VÀLVULES DELS TUBS REFRIGERANTS. 43 IL·LUSTRACIÓ 23. ZONA ARMARI ELÈCTRIC. 44 IL·LUSTRACIÓ 24. INTERRUPTORS DIFERENCIALS OBERTS. 44 IL·LUSTRACIÓ 25. PANELL DE CONTROL FORN D'INDUCCIÓ APAGAT. 45 IL·LUSTRACIÓ 26. PANELL DE CONTROL FORN D'INDUCCIÓ ENCÈS. 45 IL·LUSTRACIÓ 27. 1A PANTALLA DEL PANELL DE CONTROL FORN D'INDUCCIÓ. 46 IL·LUSTRACIÓ 28. 2A PANTALLA DEL PANELL DE CONTROL FORN D'INDUCCIÓ. 46 IL·LUSTRACIÓ 29. 3A PANTALLA DEL PANELL DE CONTROL FORN D'INDUCCIÓ. 46 IL·LUSTRACIÓNS 30. UBICACIÓ PROGRAMA HYPERTERMINAL. 47 IL·LUSTRACIÓ 31. 1A FINESTRA QUE APAREIX QUAN S'OBRE EL PROGRAMA. 47 IL·LUSTRACIÓ 32. 2A FINESTRA QUE APAREIX QUAN S'OBRE EL PROGRAMA. 47 IL·LUSTRACIÓ 33. 1A FINESTRA PRINCIPAL DEL PROGRAMA HYPERTERMINAL. 48 IL·LUSTRACIÓ 34. UBICACIÓ DE L'ARXIU A OBRIR. 48 IL·LUSTRACIÓNS 35. ENGEGADA DEL PMSM. 49 IL·LUSTRACIÓNS 36. UBICACIÓ PROGRAMA DEL PMSM. 50 IL·LUSTRACIÓ 37. PROGRAMA PMSM, 1A FINESTRA. 50 IL·LUSTRACIÓ 38. PROGRAMA PMSM, TAULA DE CONTROLS 51 L·LUSTRACIÓ 39. PROGRAMA PMSM, 2A FINESTRA. 52 IL·LUSTRACIÓ 40. PROGRAMA PMSM, TAULA DE CONTROLS (2) 53 IL·LUSTRACIÓ 41. PROGRAMA PMSM, TAULA DE CONTROLS (3) 54 IL·LUSTRACIÓ 42. UBICACIÓ D’ON DESAR LES DADES REGISTRADES DEL PMSM. 54 IL·LUSTRACIÓ 43. GRÀFIC VISCOSITAT PROVA ANTONPAR A357 (1) 58 IL·LUSTRACIÓ 44. GRÀFIC VISCOSITAT PROVA ANTONPAR A357 (2) 58 IL·LUSTRACIÓ 45. 1A PART PROGRAMA INICIAL PER UNA SOL GRÀFIC. 61 IL·LUSTRACIÓ 46. 1A PART PROGRAMA INICIAL PER GRÀFICS SEPARADES. 61 IL·LUSTRACIÓ 47. 2A PART PROGRAMA INICIAL PER UNA SOLA GRÀFIC. 63 IL·LUSTRACIÓ 48. 2A PART PROGRAMA INICIAL PER GRÀFICS SEPARADES. 64 IL·LUSTRACIÓ 49. EXEMPLE DE LA VISUALITZACIÓ D'UN SOL GRÀFIC. 65 IL·LUSTRACIÓ 50. EXEMPLE DE LA VISUALITZACIÓ DEL GRÀFIC TEÒRIC. 66 IL·LUSTRACIÓ 51. EXEMPLE DE LA VISUALITZACIÓ DEL GRÀFIC DESGLOSSAT (1). 67 IL·LUSTRACIÓ 52. EXEMPLE DE LA VISUALITZACIÓ DEL GRÀFIC DESGLOSSAT (2). 67 IL·LUSTRACIÓ 53. EXEMPLE DE LA VISUALITZACIÓ DEL GRÀFIC DESGLOSSAT (3). 67 IL·LUSTRACIÓ 54. 1ª PART DEL PROGRAMA FINAL. 69 IL·LUSTRACIÓ 55. 2ª PART DEL PROGRAMA FINAL. 70 IL·LUSTRACIÓ 56. 3ª PART DEL PROGRAMA FINAL. 71 IL·LUSTRACIÓ 57. 4ª PART DEL PROGRAMA FINAL. 72 IL·LUSTRACIÓ 58. ACTIVACIÓ DEL USERFORM. 73 IL·LUSTRACIÓ 59. VARIABLES PÚBLIQUES. 74 IL·LUSTRACIÓ 60. PROGRAMA PER OBTENIR UN GRÀFIC ÚNIC. 76 IL·LUSTRACIÓ 61. PROGRAMA PER OBTENIR ELS GRÀFICS DEL PMSM. 79 IL·LUSTRACIÓ 62. PROGRAMA PER OBTENIR EL GRÀFIC TEÒRIC. 82 IL·LUSTRACIÓ 63. PROGRAMA PER CANVIAR EL TIPUS D'ESCALA. 85 IL·LUSTRACIÓ 64. PROGRAMA PER EDITAR EL RANG DE L'ESCALA. 87 IL·LUSTRACIÓ 65. PROGRAMA PER TANCAR TOTS ELS GRÀFICS. 89 IL·LUSTRACIÓ 66. PROCEDIMENT PER OBRIR EL MENÚ PRINCIPAL. 90 IL·LUSTRACIÓ 67. PROCÉS PER OBTENIR D'UN SOL GRÀFIC. 91 IL·LUSTRACIÓ 68. GRÀFIC ÚNIC DE DISPERSIÓ OBTINGUT. 92 IL·LUSTRACIÓ 69. PROCÉS PER OBTENIR ELS GRÀFICS SEPARATS. 93 IL·LUSTRACIÓ 70. GRÀFIC TEÒRIC OBTINGUT. 93 IL·LUSTRACIÓ 71. GRÀFIC OBTINGUT DEL PMSM (1). 94 IL·LUSTRACIÓ 72. GRÀFIC OBTINGUT DEL PMSM (2). 94 IL·LUSTRACIÓ 73. CANVI EN L'ESCALA DEL GRÀFIC. 95 IL·LUSTRACIÓ 74. FINESTRA D'ACTUALITZACIÓ DE L'ESCALA DEL GRÀFIC. 95 IL·LUSTRACIÓ 75. GRÀFIC EN ESCALA LINEAL. 96 IL·LUSTRACIÓ 76. LOCALITZACIÓ DE LES EDICIONS D'ESCALES. 96 IL·LUSTRACIÓ 77. REQUADRES D'ESCALA MÀXIMA I MÍNIMA. 97 IL·LUSTRACIÓ 78. PROCÉS PER ACTUALITZAR ELS RANGS D'ESCALA. 97 IL·LUSTRACIÓ 79. FINESTRA D'ERROR DE VALIDACIÓ. 98 IL·LUSTRACIÓ 80. GRÀFIC AMB RANG D’ESCALA ACTUALITZAT. 98 IL·LUSTRACIÓ 81. PROCÉS PER AL TANCAMENT DEL PROGRAMA. 99 IL·LUSTRACIÓ 82. 1R PAS IMPLEMENTACIÓ AL PMSM. 100 IL·LUSTRACIÓ 83. 2N PAS IMPLEMENTACIÓ AL PMSM. 100 IL·LUSTRACIÓ 84. 3R PAS IMPLEMENTACIÓ AL PMSM. 101 IL·LUSTRACIÓ 85. 4RT PAS IMPLEMENTACIÓ AL PMSM. 101 IL·LUSTRACIÓ 86. MENÚ PRINCIPAL ACTUALITZAT. 102 IL·LUSTRACIÓ 87. INVERSIÓ DEL GRÀFIC TEÒRIC. 103 IL·LUSTRACIÓ 88. PROGRAMA PER INVERTIR ELS GRÀFICS. 104 IL·LUSTRACIÓ 89. FUNCIONAMENT DEL TERMOPARELL. 105 IL·LUSTRACIÓ 90. EXTRACCIÓ DE BAUXITA 114 IL·LUSTRACIÓ 91. PRESA D'EMMAGATZEMATGE DE FANG VERMELL. 115 IL·LUSTRACIÓ 92. PROCÈS BAYER. 116 IL·LUSTRACIÓ 93. ALUMINI RECENT FABRICAT 117 IL·LUSTRACIÓ 94. EXEMPLE DE PLANTA DE RECICLATGE D'ALUMINI 118 SUMARI DE TAULES TAULA 1. TAULA COMPARATIVA DE LES DIFERENTS RUTES DEL RHEOCASTING 19 TAULA 2. TIPUS DE TERMOPARELLS MÉS COMUNS 108 TAULA 3. GRÀFIC DE LA FORÇA MOTRIU DELS TERMOPARELLS 108 TAULA 4. PRESSUPOST TFG 113 13 2.1.2. CONFORMAT DE L’ESTAT SEMISÒLID El conformat en estat semisòlid de materials es pot dividir en dos tipus. Quan l'aliatge, sotmès a velocitats de tall, es conforma directament, el procés s'anomena Rheocasting. Com a resultat de la reversibilitat de les propietats tixotròpiques adquirides per l'aliatge, aquest recupera les seves propietats tixotròpiques arran que s'escalfa fins a la temperatura adequada. Això significa que un aliatge solidificat amb estructura no dendrítica pot ser escalfat fins a l'estat semisòlid i conformar-se mitjançant processos com la forja (Thixoforging) o la injecció (Thixocasting).  Menor temperatura d'injecció.  Menor porositat gaseosa gràcies a un ompliment laminar del motlle.  Reducció de la contracció per solidificació (rechupe) degut a temperatures més baixes.  Temps de solidificació més curts.  Menor desgast del motlle. El procés Rheocasting s'aplica quan l'aliatge es conforma directament després d'una agitació violenta. La resta de processos representats es basen en la característica dels fluids tixotròpics, que recuperen les seves propietats tixotròpiques quan es escalfen a l'estat semisòlid després de ser solidificats. Amb la injecció en estat semisòlid, es poden produir peces tan complexes com en el procés d'injecció convencional [1] [3]. A continuació. Es mostrarà un esquema simplificat mostrant com s’obtenen les estructures no dendrítiques a partir de diferents processos. Aquests processos, els anteriorment citats són el procés Rheocasting, el procés Thixoforging i finalment, el procés Thixocasting (Il·lustració 3). 14 Il·lustració 3: Esquema de l’obtenció d’estructures no dedrítiques [1][3]. 2.2. RHEOCASTING Aquest procés de conformat de materials en estat semisòlid, utilitzat principalment per a aliatges d’alumini, consisteix en la solidificació parcial d’un aliatge fins que es forma una mescla de partícules sòlides esferoidals en un líquid. Aquesta mescla té una viscositat baixa, cosa que permet injectar-la en motlles o forjar-la per obtenir peces amb una alta qualitat i menys defectes. Aquest procés, combina els avantatges de la fosa i la forja, permetent una producció més eficient de components amb millors propietats mecàniques [4]. En comparació amb mètodes més tradicionals com la foneria en motlle permanent o la fosa per injecció, el Rheocasting ofereix una millor qualitat de les peces produïdes, amb menys defectes, així com una major precisió en el disseny i un control més eficient de la solidificació. Aquestes característiques milloren la resistència estructural dels components, mentre que la foneria convencional pot donar com a resultat peces amb més defectes. El material injectat en aquest procés presenta un comportament tixotròpic, el qual és favorable per reduir la presència de defectes a causa de l'entrapament d'aire i la retracció [4]. 15 El Rheocasting s’utilitza en aplicacions industrials, especialment a la indústria automobilística, on es requereix una alta resistència i una reducció de pes del material. Actualment, hi ha una crida constant a la millora de la qualitat en totes les indústries, i les empreses han de produir productes d'alta qualitat mentre redueixen els costos. Així, es necessita un procés tecnològic capaç de respondre als requisits d’una gran diversitat d'aplicacions [4] [5]. La tecnologia de fosa, incloent-hi el Rheocasting, proporciona els components mecànics més complexos per a moltes aplicacions, amb una excel·lent integritat estructural. Més específicament, les tecnologies de fosa comprenen diversos processos distints que es poden classificar segons l'estat físic del material injectat, ja sigui líquid o semisòlid. Un dels principals avantatges del Rheocasting és que permet la producció de components amb una integritat estructural més elevada, degut a les propietats del material semisòlid i el seu comportament tixotrópic, que redueixen els defectes de fabricació [4] [5]. Com que cada procés de fabricació té defectes intrínsecs, tenir coneixement previ dels possibles defectes durant la producció és fonamental. Durant la fase de disseny, es poden modificar preventivament la geometria de la peça o les condicions de procés per evitar defectes i millorar la qualitat final del producte. Les tècniques d'Enginyeria Assistida per Ordinador (CAE) han estat part del procés de producció de components de fosa durant les últimes dècades, contribuint a minimitzar els errors de disseny, reduir els residus, i maximitzar la productivitat i la integritat estructural del producte final [5]. Els defectes intrínsecs al procés de fabricació afecten la durabilitat en servei dels components, per la qual cosa és necessari caracteritzar i quantificar aquests defectes per poder reduir-los. La metodologia de la recerca es basa en treballs numèrics i experimentals. En el treball numèric, es van utilitzar els elements fins i els paràmetres de fabricació per identificar els punts crítics [5]. El coneixement de les diferents rutes i la comprensió de la formació de les proporcions és necessari per escollir el procés òptim i més adequat per a 16 cada aplicació. Aquest capítol tracta els principis dels estudis en SSM, incloent-hi una visió general de les diferents rutes de processament. Les tecnologies de processament SSM generalment es classifiquen en dos grups bàsics, En rutes reològiques i en rutes tixotròpiques. A continuació es mostra l’esquema que representa les dues rutes diferents per obtenir una microestructura globular en el procés de rheocasting, dins del processament en estat semisòlid . La primera ruta està basada en la nucleació copiosa. En aquest cas, es formen molts nuclis petits que creixen de manera limitada i multidireccional. Aquest creixement controlat condueix de forma natural a la formació de partícules amb forma globular, facilitant la globularització sense necessitat de processos mecànics externs [6]. La segona ruta es basa en l’agitació. El metall solidifica formant estructures dendrítiques, que posteriorment són sotmeses a agitació (ja sigui mecànica o electromagnètica). Aquesta agitació provoca la fragmentació de les estructures dendrítiques, afavorint la seva reorganització en formes més arrodonides o globulars, adequades per al processament semisòlid [6]. Aquestes dues estratègies permeten obtenir una microestructura adequada per millorar el comportament del material durant el conformament, augmentant-ne la qualitat i la consistència (Il·lustració 4). Il·lustració 4: Dos mecanismes diferents per al procés de rheocasting [6]. 17 2.2.1. RUTES REOLÒGIQUES Les rutes reològiques són un mètode de processament en estat semisòlid que parteix directament del metall en fase líquida. El procés consisteix en refredar el metall de manera controlada fins que arriba a una fracció sòlida desitjada, generalment entre un 30 % i un 50 %, per tal de formar una barreja en estat semisòlid. Durant aquest refredament, s’indueix una agitació o moviment mecànic, com per exemple, remenat electromagnètic o agitació mecànica, per tal de trencar els cristalls dendrítics que es formen inicialment i afavorir la formació d’una microestructura globular. Aquest tipus de rutes han donat lloc a conceptes industrials com el Slurry-on-Demand (SoD), que es basa en la producció immediata i contínua de barreges semisòlides a peu de màquina, cosa que permet una resposta ràpida a la demanda productiva. Les rutes reològiques presenten diversos avantatges, com ara la reducció dels temps de cicle, menor consum energètic en comparació amb processos de fosa convencional, una millor qualitat metal·lúrgica i una disminució significativa dels defectes típics de solidificació, com la porositat. A més, s’adapten molt bé a processos de producció flexible o en sèrie, sent especialment útils en entorns on es prioritzen l’eficiència i la rapidesa en la producció [6]. 2.2.2. RUTES TIXOTRÒPIQUES Les rutes tixotròpiques es basen en l’ús de material metàl·lic que ha estat prèviament solidificat amb una microestructura adequada, generalment en forma de lingots o peces prefabricades. Aquest material es sotmet a un escalfament controlat fins a assolir una temperatura que el situï en estat semisòlid, amb una fracció sòlida controlada. Durant aquest escalfament, és fonamental mantenir intacta la microestructura globular que s’ha desenvolupat durant la solidificació original, ja que aquesta estructura és clau per al comportament tixotròpic del material. 18 Un cop el material es troba en l’estat semisòlid, es pot processar mitjançant tècniques com la injecció tixotròpica, que permet modelar peces amb altes prestacions i un acabat superficial excel·lent. Aquestes rutes ofereixen una gran precisió dimensional, una bona repetibilitat i la possibilitat de treballar amb aliatges d’alumini més difícils de fondre o amb requisits tècnics específics. Tot i que el procés pot requerir una inversió més gran en control tèrmic i preparació del material, és molt adequat per a la fabricació de components estructurals o de seguretat en indústries com l’automoció o l’aeronàutica, on la qualitat i la precisió són prioritàries [6]. 2.2.3. COMPARATIVA ENTRE RUTES Les rutes reològiques i les tixotròpiques són dues estratègies clau en el processament en estat semisòlid, cadascuna té les seves avantatges segons les necessitats específiques de producció. Les rutes reològiques, que parteixen de material líquid, permeten un procés més flexible i ràpid, amb un cicle de producció reduït i una millora substancial en la qualitat metal·lúrgica, incloent una millor estructura de cristalls globulars. Aquestes característiques fan que siguin ideals per a produccions d’alt volum o processos industrials que requereixen una resposta ràpida [6]. D’altra banda, les rutes tixotròpiques ofereixen un control més precís sobre la microestructura, utilitzant material que ha estat prèviament solidificat i que es reescalfa fins a l’estat semisòlid. Aquest procés és especialment beneficiós per a components de alta precisió i qualitat, com els que es fabriquen en indústries com l’automoció o l’aeronàutica, on els estàndards de rendiment i acabat superficial són més exigents. Tot i que poden implicar una inversió més gran en el control de la temperatura i les condicions de treball, el seu rendiment en termes de repetibilitat i acabat fa que siguin una opció valuosa per a certs processos de fabricació [6]. 19 A continuació, es presenta una taula comparativa de les dues rutes, destacant els seus avantatges i característiques clau, per ajudar a visualitzar les diferències entre ambdues estratègies i facilitar la selecció del procés més adequat per a cada aplicació específica. 2.3. REOLOGIA La reologia és la branca de la física que estudia la deformació i el flux dels materials en resposta a tensions o forces aplicades. En aquest sentit, el flux es pot definir com una deformació contínua al llarg del temps. Encara que habitualment s’associa al comportament de líquids i gasos, cal destacar que fins i tot els sòlids poden fluir, en major o menor mesura, quan són sotmesos a determinades condicions [6]. Les propietats reològiques descriuen el comportament dels materials quan són sotmesos a una càrrega mecànica. Per exemple, una estructura sòlida, en tenir una forma definida, quan rep una força externa es deforma i acumula tensió. En canvi, els fluids es caracteritzen per deformar-se de manera contínua sota l’efecte d’una tensió, és a dir, no ofereixen una resistència elàstica permanent com els sòlids. Això es reflecteix en què els sòlids responen elàsticament (es deformen i després s’aturen), mentre que els fluids no recuperen la forma i continuen fluint mentre la tensió persisteixi [6]. Des del punt de vista reològic, la viscositat és probablement la propietat més coneguda. Es defineix com la resistència d’un fluid a la deformació gradual per cisallament o tensió, i per tant, representa la dificultat d’un fluid per fluir. No obstant això, la reologia abasta moltes altres propietats, com la elasticitat, Aspecte Rheo-route Thixo-route Fase inicial Líquid Sòlid Microestructura Generada in situ Ja existent, es manté Flexibilitat de producció Alta Moderada Cost d’instal·lació Més baix Més alt (necessita reescalfament controlat) Aplicació típica SoD, producció ràpida Components de precisió, producció planificada Taula 1: Taula comparativa de les diferents rutes del Rheocasting [6]. 20 la viscoelasticitat, el límit d’esforç, la tixotropia, entre d’altres, que són fonamentals per descriure el comportament de materials complexos com els polímers, les suspensions, els gels o els metalls en estat semisòlid [6]. La caracterització reològica dels materials, mitjançant assaigs experimentals com els que es duen a terme amb reòmetres, permet obtenir informació valuosa sobre el comportament de flux viscoelàstic dels sistemes. Com que aquestes propietats estan estretament relacionades amb l’estructura interna dels materials, la seva anàlisi és essencial per al desenvolupament de nous materials, el control de qualitat i la millora dels processos industrials [6]. Des d’un punt de vista macroscòpic, tant líquids com gasos presenten un comportament similar davant tensions aplicades, tot i que a nivell microscòpic són molt diferents. Els gasos, per exemple, tendeixen a tenir una taxa de deformació molt més elevada davant d’una mateixa tensió comparada amb els líquids. La reologia es centra, per tant, en entendre com flueixen els materials complexos (no només líquids purs), i en determinar quin és el comportament davant de diferents fonts de força: gradients de pressió en canals, forces de cisallament en reactors o agitadors, acció de la gravetat, etc. [6] [7]. Per descriure el flux dels fluids, es treballa amb variables com la densitat, la velocitat, la pressió i les tensions, que es consideren camps continus que poden variar en l’espai i el temps. Malgrat que els fluids estan formats per molècules individuals en moviment aleatori, aquest enfocament continu és vàlid sempre que les escales d’anàlisi siguin prou grans respecte a la separació molecular. En aquest context, es defineixen propietats mitjanes com la densitat ρ a partir de volums petits com: ρ = 𝑙𝑖𝑚𝑉→0 𝑁 · 𝑀 𝑉 on V és el volum, N és el nombre de partícules i M la massa unitària [7]. La predicció del comportament del flux reològic implica dues fases: disposar d’un model constitutiu que descrigui com un element de fluid es deforma sota 21 una tensió i resoldre les equacions de conservació de massa i de moment. En el cas dels fluids newtonians, com l’aigua o l’aire, la relació entre la tensió de cisallament i la taxa de deformació és lineal i es compleix la llei de Newton de la viscositat. En canvi, molts materials industrials (polímers, col·loides, metalls en estat semisòlid, etc.) són fluids no newtonians, que mostren respostes no lineals o dependents del temps, i requereixen models més sofisticats, que poden ser fenomenològics o derivats de principis microscòpics [7]. Per estudiar aquests comportaments, sovint s’utilitzen tècniques analítiques (quan el sistema és prou simple) o tècniques computacionals, com la dinàmica de fluids computacional (CFD), que permet simular el flux discretitzant l’espai en petits volums [7]. Tot i això, hi ha diverses dificultats pràctiques. Com per exemple, les propietats del material poden ser desconegudes o difícils de mesurar, especialment en sistemes multicomponent o estructures complexes. Una altra pot ser que el flux pot ser turbulent, fent que el moviment del fluid sigui caòtic i difícil de predir. Algunes situacions poden ser tan complexes que ni tan sols els mètodes computacionals més avançats poden donar una solució exacta o eficient. Una eina fonamental per classificar els règims de flux és el nombre de Reynolds (Re), que mesura la relació entre forces inercials i viscoses (Il·lustració 5) [7]. Il·lustració 5: (a) Mesura del volum en un fluid molecular. (b) Dependència de la propietat en funció del volum mesurat [7]. 22 2.4. MODELS REOLÒGICS En la reologia actualment, es pot trobar diferents models reològics. Els models reològics són eines matemàtiques i físiques que permeten entendre com es comporten els materials en moviment o sota tensió, i en el cas dels aliatges semisòlids, són imprescindibles per controlar el procés i assegurar la qualitat del producte final. Aquests models reològics serveixen per descriure, predir i controlar el comportament d’un material quan flueix o es deforma, especialment en situacions on el material no es comporta com un fluid simple [7]. Els aliatges d’alumini en estat semisòlid presenten un comportament complex a causa de la coexistència de fases sòlides i líquides. Aquest comportament no pot ser descrit de manera adequada per models fluids simples com el model newtonià. Per aquest motiu, cal emprar models reològics que permetin entendre com flueix o es deforma el material segons la temperatura, la fracció sòlida o la velocitat de deformació [6][7]. A continuació, els principals models utilitzats en els aliatges d’alumini en estat semisòlid són: 1) Models Newtonià: El model newtonià és el més senzill i fonamental en reologia. Un fluid newtonià es caracteritza per tenir una viscositat constant independentment del gradient de velocitat (o taxa de deformació) que s’hi aplica. Això significa que la relació entre l’esforç de cisalla i la taxa de deformació és lineal. És a dir, si dupliquem la velocitat amb què es deforma el fluid, l’esforç de cisalla també es duplica. 𝜏 = 𝜂 ·  on 𝜏 és la tensió de cisalla, 𝜂 és la viscositat constant i  és la taxa de deformació. És un model senzill, però no representa adequadament els metalls semisòlids perquè no considera ni la tensió de llindar ni la dependència de la viscositat amb la deformació [6]. 29 científiques. A més, la viscositat cinemàtica ajuda a determinar com es barrejaren o separaran diferents fluids quan entren en contacte, la qual cosa és essencial per a diferents processos . Mentre que la viscositat dinàmica es relaciona amb la força necessària per moure un fluid, la viscositat cinemàtica es relaciona amb la velocitat a la qual un fluid pot fluir sota aquesta força [8]. La relació entre la viscositat dinàmica (η) i la viscositat cinemàtica (ν) es pot expressar mitjançant la següent fórmula: ν = η ρ on: ν és la viscositat cinemàtica (m²/s), η és la viscositat dinàmica (Pa·s) i ρ és la densitat del fluid (kg/m³). Aquesta fórmula mostra que la viscositat cinemàtica és la viscositat dinàmica dividida per la densitat del fluid. Això implica que, mentre que la viscositat dinàmica mesura la resistència interna al flux en funció de la força necessària per moure el fluid, la viscositat cinemàtica descriu la resistència al flux en relació amb la densitat del fluid i com el fluid flueix sota l'efecte de la gravetat. 2.6. FLUXOS El terme flux descriu qualsevol efecte que sembla passar o viatjar (ja sigui que realment es mogui o no) a través d'una superfície o substància. En aquest cas, hi existeix dos tipus de fluxos, el flux laminar i el flux turbulent. 2.6.1. FLUX LAMINAR I TURBULENT El flux laminar és un tipus de flux de fluid en què les partícules del fluid es mouen en capes paral·leles sense barrejar-se ni generar turbulències. En un flux laminar, les capes de fluid llisquen suaument unes sobre altres, i les partícules es desplacen al llarg de trajectòries uniformes i previsibles. Aquest tipus de flux és comú en situacions on el fluid es mou 30 Il·lustració 9: Exemple gràfic del flux laminar [8]. a baixa velocitat i en canonades o conductes de mida reduïda (Il·lustració 9). D'altra banda, el flux turbulent és un tipus de flux de fluid en què les partícules del fluid es mouen de manera caòtica i irregular, generant turbulències i barrejant-se entre elles. En un flux turbulent, les partícules no segueixen trajectòries uniformes ni previsibles, cosa que pot generar pèrdues d'energia i un augment de la resistència al flux. Aquest tipus de flux és comú en situacions on el fluid es mou a alta velocitat o en canonades i conductes de gran mida (Il·lustració 10). Il·lustració 10: Exemple gràfic del flux turbulent [8]. 31 2.6.2. DIFERÈNCIES ENTRE FLUXOS Ara que coneixem les definicions bàsiques de flux laminar i turbulent, vegem algunes de les diferències clau entre ambdós:  Ordre i regularitat: El flux laminar es caracteritza pel seu ordre i regularitat, mentre que el flux turbulent és caòtic i irregular.  Trajectòries de les partícules: En un flux laminar, les partícules segueixen trajectòries uniformes i previsibles, mentre que en un flux turbulent, les partícules es mouen de manera aleatòria i imprevisible.  Turbulències i barreja: El flux laminar no genera turbulències ni barreja de fluids, mentre que el flux turbulent sí ho fa.  Velocitat del fluid: El flux laminar flueix a baixa velocitat, mentre que el flux turbulent va amb una velocitat més alta. 2.6.3. NÚMERO DE REYNOLDS Per determinar si un flux és laminar o turbulent, s'utilitza un paràmetre anomenat nombre de Reynolds (Re). El nombre de Reynolds és una relació adimensional que té en compte factors com la velocitat del fluid, la densitat, la viscositat i el diàmetre del conducte pel qual flueix. 𝑅𝑒 =𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑎𝑡 · 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑎𝑡 · 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑒 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑡𝑎𝑡 Si el nombre de Reynolds es inferior a 2000, el flux és generalment laminar. En el cas de que doni un número major a 4000, el flux és generalment turbulent. Però finalment, si es troba entre els valors anomenats anteriorment (2000 a 4000), el flux es troba en una zona de transició, on pot ser difícil determinar si és laminar o turbulent sense realitzar mesures addicionals [8]. 32 2.7. FUNCIÓ EL PMSM El Partial Melting Semisolid Manufacturing (PMSM) és un procés de fabricació que utilitza una tècnica semisòlida per a la producció de peces metàl·liques, en què una part del material es fon parcialment mentre que la resta es manté en estat sòlid. Aquest mètode permet una millor manipulació i conformació de materials metàl·lics a temperatures més baixes que els processos tradicionals de fusió completa, millorant així la qualitat i la precisió de les peces produïdes. El procés implica escalfar el material fins a un punt en què una part del metall es fon, formant una pasta viscosa o semifusió, mentre que les partícules sòlides de metall romanen suspeses en el líquid. Aquesta mescla es pot modelar fàcilment mitjançant tècniques com la colada a pressió, el motlle o altres mètodes de conformació, ja que el material no és completament líquid i conserva certes propietats mecàniques sòlides. El resultat és una peça amb una alta precisió dimensional i una bona qualitat superficial, amb menys defectes de porositat en comparació amb els processos de fusió tradicional. 33 3. ANÀLISI DE LA MÀQUINA PMSM I COMPONENTS A continuació, es presenta l'anàlisi detallada del sistema PMSM per detectar la situació prèvia a l'inici del projecte, mitjançant una revisió de l'estructura del prototip i l'estat dels seus components. El sistema de fabricació PMSM es basa en el procés de fusió parcial per produir materials en un estat semisòlid, la qual cosa permet combinar les propietats dels materials sòlids i líquids per aconseguir una major eficiència en la formació de peces complexes. En aquest sentit, es revisen els components clau del sistema, com el forn de fusió parcial, el sistema de control de temperatura, el modelatge de les peces i els sistemes d'injecció o d'extrusió utilitzats. A més, s'analitza l'estat dels materials utilitzats, la seva capacitat de mantenir-se en l'estat semisòlid desitjat i les possibles variacions en les condicions de temperatura que podrien afectar la qualitat del producte final. Aquest diagnòstic inicial permet identificar possibles deficiències en el procés de fabricació i establir les bases per a futures millores que optimitzin l'eficiència i la fiabilitat del sistema. 3.1. ESTAT INICIAL DEL LABORATORI Després d’un període de temps sense utilitzar-se, les instal·lacions del laboratori presentaven un cert grau de desorganització, amb materials com proves anteriors, documents i manuals repartits per l’espai de treball. Aquest laboratori està equipat amb diversos elements com un ordinador, un forn d’inducció i el prototip del PMSM, entre altres equips i instruments relacionats amb el procés de conformació en estat semisòlid. L’escriptori destinat al control del sistema presentava una acumulació de papers, plànols i altres elements que dificultaven l’accés ordenat a l’equip informàtic. 34 Per aquest motiu, abans d’iniciar la fase experimental, es va considerar necessari realitzar una tasca prèvia d’organització i posada a punt de l’espai. Aquesta acció va tenir com a objectiu garantir unes condicions òptimes de seguretat i eficiència durant l’execució de les proves amb el PMSM. Il·lustracions 11: Estat inicial del PMSM i de la resta del Laboratori. 35 3.2. ESTRUCTURA DEL PMSM I COMPONENTS El prototip PMSM està format per les següents parts i amb els seus components corresponents:  1: Motor rotatiu de control y mesura del cilindre agitador.  2: Termoparell de control y registro de temperatura.  3: Bancada  4: Entrada de líquid refrigerant  5: Cilindre agitador de coure-beril·li.  6: Husillo  7: Grisol per la fona de metall.  8: Bobina d’Inducció. 1 2 7 6 4 5 3 8 Il·lustració 12: PMSM. 36 3.2.1. ZONA DE TREBALL Es denomina zona de treball aquella que està al costat del PMSM. En aquesta està l’escriptori on s’executaran les ordres des del PC on hi ha el software per poder realitzar dites ordres. 3 4 5 6 1 2 Il·lustració 13: Escriptori de donada d'ordres al PMSM. Il·lustració 14: Panell de control de l'armari del Forn. 7 8 9 37 Per altra banda, també en aquesta zona de treball hi és la porta de l’armari del forn amb diferents tipus de comandaments que ara s’anomenaran en la taula següent, i on a dins es pot observar que està conformat per els seus respectius borns de connexió.  1: PC.  2: Armari del Forn d’Inducció  3: Pany Forn d’inducció  4: Entrada de líquid refrigerant  5: Pantalla Instruccions Forn d’Inducció  6: Botó Parada d’Emergència  7: Llum Forn Apagat  8: Interruptor Automàtic-Manual  9: Comptador d’engegada  10: Sistema interior electrònic 10 0 Il·lustració 15: Interior del panell de control de l'armari del Forn. 38 3.2.2. TUBS REFRIGERANTS Els tubs refrigerants tenen la funció de dissipar la calor generada durant el funcionament del motor. Els PMSM poden generar una quantitat significativa de calor a causa de les pèrdues en el rotador, especialment en els imants permanents i les bobines del estator. Els tubs refrigerants permeten mantenir la temperatura del motor dins de valors òptims, evitant l'escalfament que podria danyar els components i reduir l'eficiència del motor. Aquests tubs ajuden així a millorar la durabilitat i el rendiment del PMSM en aplicacions que requereixen una operació constant i de gran potència.  1 i 3: Clau de pas refrigerador  2 i 4: Mànegues pas refrigerant 1 2 4 3 Il·lustració 16: Vàlvules i tubs refrigerants. 45 3) Engegar el forn d’inducció mitjançant el seu interruptor principal situat sota al costat el Logo de EkoHeat. Esperar després 10 segons, un cop passats aquests, tocar el botó del centre amb un punt blanc enmig que està situat en el centre dels cursors. S’ha de verificar les pàgines de paràmetres interns de l’equip polsant el botó de Menú SYS CFG situat al costat de la pantalla principal. Il·lustració 25: Panell de control forn d'inducció apagat. Il·lustració 26:Panell de control forn d'inducció encès. 46 Il·lustració 27: 1a pantalla del panell de control forn d'inducció. Il·lustració 28: 2a pantalla del panell de control forn d'inducció. Il·lustració 29: 3a pantalla del panell de control forn d'inducció. 47 4) Un cop fet tots els passos citats anteriorment, s’ha d’engegar el PC de control dels equips, és el que està situat a la Zona de Treball. Obrir el programa instal·lat HyperTerminal i obrir l’arxiu anomenat “0 hon”. Sempre apareix una primera finestra demanant-nos si volem el programa predeterminat, en el nostre cas, s’ha de fer el clic a NO. Posteriorment, torna a sortir una altre finestra sobre la ... . En aquest cas fer també clic a Cancel·lar. Il·lustració 30: Ubicació programa HyperTerminal. Il·lustració 31: 1a Finestra que apareix quan s'obre el programa. Il·lustració 32: 2a Finestra que apareix quan s'obre el programa. 48 Llavors ja s’haurà entrat al programa. Ara sí que es tindrà accés a l’arxiu “0 hon” que és aquell que es desitja obrir. Il·lustració 33: 1a Finestra principal del programa Hyperterminal. Il·lustració 34: Ubicació de l'arxiu a obrir. 49 5) Un cop obert el programa, es necessita saber almenys els comandaments essencials per l’efectuació del programa. Aquestes comandes les podrem posar a través del quadre de diàleg amb el programa. Cada línia de comandament que es fa s’ha de validar sempre pressionant la tecla ENTER. Les comandes són les següents:  Per la posada en marxa de l'inductor, s’ha d’escriure en el quadre de diàleg  0,hon i pressionar ENTER.  Per la parada de l'inductor 0,hoff i pressionar ENTER  Variar potència 0,volts,XXX on XXX serà el voltatge amb el qual volem que l'equip treballi variant és des dels 100V a 400V com a màxim. Exemple per a una tensió de 250V: 0,volts,250 i pressionar ENTER.  Valors orientatius:  Valor escalfament ràpid 350V  Valor manteniment 250V 6) Ara es procedirà a engegar el PMSM. S’ha de girar l’interruptor vermell del lateral situat a al dreta de l’armari elèctric del propi PMSM i col·locarlo en posició ON. Il·lustracions 35: Engegada del PMSM. 50 7) Obrir el programa de control del PMSM situat a la barra d’eines a l’inferior del PC. 8) Seleccionar la posició “Manual(T)”, fer clic en el botó “Ref.Tool” i finalment fer clic en el botó d’START. Un cop realitzada aquesta seqüencia, s’activa els motors de desplaçament i de gir de l’equip. Posteriorment, s’ha de tancar les finestres que apareixen a la pantalla del programa per finalment tancar el programa. Aquest pas s’ha de realitzar per donar tensió als motors. Il·lustració 36: Ubicació programa del PMSM. Il·lustració 37: Programa PMSM, 1a finestra. 51 9) Ara en aquest pas és tornar a fer tot lo citat en el pas anterior, l’únic que hi ha una variància. Després de fer clic en el START, s’ha de fer clci en el botó OK en la finestra que mostra el missatge: “Reference the Spindle to continue”. 10) Per la regulació de la distància de baixada del cilindre s’ha de fer el següent:  En la pestanya “IP Conf.” Per defecte hi ha un valor de 280 en la finestra nomenada com “Spindle feed”.  Aquesta finestra mostra la distància que baixa el cilindre rotatori.  Aquesta distància està predeterminada per a un cilindre de 240 mm de longitud.  Si es munta en l'equip un cilindre de diferent longitud, s'ajusta la diferència modificant el valor de “Spindle feed”. Il·lustració 38: Programa PMSM, taula de controls. 52 Exemple: es munta un cilindre de 205mm de longitud, el valor de “Spindle feed” serà de 315. 11) En el primer cicle que es fa amb el programa, sempre ha de ser Manual. Aquests són els passos per posar-ho en marxa:  Pas 1: “START” (Go Down) “OK” i esperar que el cilindre baixi fins a la posició final.  Pas 2: “Start Tool”  Pas 3: “START” (Go Up) “OK” i esperem que el cilindre pugi fins a la posició HOME. Il·lustració 39: Programa PMSM, 2a taula de controls. 53 12) Per a fer el cicle automàtic:  Pas 1: Seleccionar la posició “Acte(F)”.  Pas 2: Introduir el paràmetre de velocitat (rpm) en la finestra “Velocity (rpm)”.  Pas 3: Introduir el valor del temps d'agitació en la finestra “Time Test (s)”.  Pas 4: Prémer el botó “START” s'inicia el cicle automàtic amb els paràmetres introduïts. Il·lustració 40: Programa PMSM, taula de controls (2). 54 13) Finalment un cop acabat tot, guardar les dades registrades al PC. Il·lustració 41: Programa PMSM, taula de controls (3). Il·lustració 42: Ubicació d’on desar les dades registrades del PMSM. 61 4.3. ELABORACIÓ DEL PROGRAMA INICIAL 4.3.1. PROGRAMA BASE INICIAL A l’hora de programar un codi inicial amb Visual Basics, la idea original fou trobar la manera de poder veure els gràfics de viscositat correctament ja que en el moment de realitzar aquest informe, es veu com s’ha esmentat amb anterioritat. Inicialment es va decidir per començar aquesta millora crear un codi simple que permetés que els gràfics de viscositat es poguessin desglossar en el gràfic teòric i en les realitzades a partir de la fona d’alumini al laboratori. Simplement el codi inicial consta de la creació de comandes que permetin a l’usuari poder desglossar directament els gràfics amb un sol clic. Passant de tenir només un gràfic general per totes les mesures preses, a tenir-ne una per cada taula de mesures . Aquests fragment del codi en VBA, defineix diverses variables que s’utilitzaran per generar gràfics en un full de càlcul d’Excel. Per ser més específics aquest codi és l’encarregat de formar els gràfics del les taules de resultats que ens ha donat la fonadura d’alumini al PMSM (Il·lustracions 45 i 46). Il·lustració 45: 1a part Programa inicial per un sol gràfic. Il·lustració 46: 1a part Programa inicial per gràfics separades. 62 Primer, la variable ws es declara com un objecte Worksheet, que representarà el full de càlcul sobre el qual es treballarà. Després, es defineix chartObj com un objecte amb la mateixa nomenclatura, que serà el gràfic que es crearà dins del full. La variable “i” es defineix com un enter. S’utilitzarà normalment en un bucle (For loop) per recórrer diferents dades. També es declara last Row com una variable de tipus Long, que serveix per detectar quina és l’última fila amb dades en una columna específica. Això és útil per assegurar-se que els gràfics es basen en totes les dades disponibles. A més, es declaren xRange i yRange com a objectes Range, els quals emmagatzemaran els rangs de cel·les corresponents als eixos X i Y del gràfic. Finalment, chartLeft es defineix com una variable de tipus Double. Aquesta s’utilitza per determinar la posició horitzontal dels gràfics, de manera que no es sobreposin i quedin correctament distribuïts dins del full de càlcul. Aquesta variant només es troba en l’inici del codi per separar els gràfics realitzades a partir de la fonadura de l’alumini realitzat anteriorment. A continuació es mostrarà l’altra part del codi inicial. L’única diferència entre els dos codis és simplement que, en el codi destinat a executar només un gràfic, aquesta es troba dins del bucle, ja que es vol que els resultats es mostrin en gràfics separades per tal de poder-los analitzar de manera individual. En canvi, el codi en què el gràfic es troba fora del bucle serveix per representar i comparar directament tots els resultats obtinguts dins d’un mateix gràfic. Això permet visualitzar les diferències o similituds de manera conjunta i més directa (Il·lustracions 47 i 48). 63 Il·lustració 47: 2a part programa inicial per un sol gràfic. 64 4.3.2. FUNCIONAMENT PROGRAMA INICIAL Un cop explicat l’esbós que es va fer del programa inicialment, es va assignar per cada codi base dos botons que amb un sol toc de ratolí pogués iniciar el programa i executar-lo. A continuació, una demostració de la funció de cada botó al fer clic i començar a executar el programa: Il·lustració 48: 2a part programa inicial per gràfics separades. 65 1) Al fer clic al botó perquè tan sols surti a la pantalla un sol gràfic, apareix el gràfic següent (Il·lustració 49): Aquest gràfic és un exemple que es mostra inicialment un cop s’obre el programa. Com es pot observar, simplement el botó té la funció de mostrar el gràfic executat pel programa PMSM en el moment d’inici. És a dir, quan l’usuari obre el programa, aquesta és la representació gràfica que apareix per defecte, i el botó serveix per tornar a visualitzar-la en cas que es canviï de gràfic o es faci alguna altra acció dins del programa que n’alteri la visualització. Així doncs, la seva funcionalitat es limita a recuperar el gràfic original calculada pel PMSM en iniciar-se, facilitant que l’usuari pugui tornar fàcilment al punt de partida sense necessitat de reiniciar tot el procés o recarregar manualment les dades. 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 1,00E+10 1,00E+11 560,000 570,000 580,000 590,000 600,000 610,000 620,000 630,000 640,000 Gràfic Col 2 vs Col 3 Col 4 vs Col 5 Col 6 vs Col 7 Col 8 vs Col 9 Il·lustració 49: Exemple de la visualització d'un sol gràfic. 66 1,00E+00 1,00E+02 1,00E+04 1,00E+06 1,00E+08 1,00E+10 560,000570,000580,000590,000600,000610,000620,000630,000640,000 Gràfic 2-3 Series1 Il·lustració 50: Exemple de la visualització del gràfic teòric. 2) Al fer clic al botó perquè surti a la pantalla els gràfics desglossades, surten els gràfics següents (Il·lustració 50): 67 1 100 10000 1000000 100000000 1E+10 598 600 602 604 606 608 610 612 614 Gràfic 6-7 Series1 1 100 10000 1000000 100000000 1E+10 598,0 600,0 602,0 604,0 606,0 608,0 610,0 612,0 614,0 Gràfic 8-9 Series1 1 100 10000 1000000 100000000 1E+10 590 595 600 605 610 615 620 Gràfic 4-5 Series1 Il·lustració 51: Exemple de la visualització del gràfic desglossat (1). Il·lustració 52:Exemple de la visualització del gràfic desglossat (2). Il·lustració 53:Exemple de la visualització del gràfic desglossat (3). 68 Aquestes gràfics representen els resultats de la fosa d’alumini. En aquest cas, al tractar-se d’un programa inicial molt bàsic, la manera com es mostren aquestes dades encara no és gaire adient en relació amb els objectius principals del projecte. Els gràfics, tot i ser útils per fer una primera aproximació visual als resultats, encara presenten limitacions importants tant pel que fa a l’estructura com a la claredat en la representació de la informació (Il·lustracions 51,52 i 53). Això fa evident que hi ha encara molta feina pendent pel que fa a la millora i desenvolupament d’aquest programa d’implementació. És necessari continuar treballant per tal d’aconseguir una presentació més precisa, entenedora i alineada amb les necessitats reals del projecte, ja que una correcta visualització dels resultats és fonamental per extreure conclusions adequades i avançar en la recerca. En definitiva, aquest punt posa de manifest que el programa es troba encara en una fase inicial, amb molt potencial de millora per davant. 4.4. PROGRAMA FINAL En aquest apartat es descriu detalladament el funcionament del programa desenvolupat mitjançant VBA, el qual s'ha implementat dins l'entorn d'Excel amb l'objectiu d'automatitzar el procés de generació i personalització de gràfics de dispersió. El programa es presenta com un UserForm, una eina senzilla i intuïtiva que permet a l’usuari introduir dades i prendre decisions de manera interactiva. Tots els controls i funcionalitats que integren el programa estan vinculats a macros, les quals s’executen automàticament en fer clic sobre els diferents botons del menú. Aquestes macros executen accions concretes, com mostrar un gràfic, personalitzar-lo o restablir els valors per defecte. A continuació, es presentarà tot el programa sencer realitzat per posteriorment explicar cada part del programa explicant el significat que té cada funció, variable o directriu (Il·lustracions 54, 55, 56 i 57): 69 Il·lustració 54: 1ª Part del Programa Final. 70 Il·lustració 55: 2ª Part del Programa Final. 77  Aquesta part del codi comença amb Private Sub únic_Click(), que defineix una subrutina privada que s’executa quan es fa clic en un botó concret. Aquest botó serveix per generar automàticament un gràfic de dispersió únic al full actiu.  La línia Set ws = ActiveSheet selecciona el full actiu de l'Excel i l'assigna a la variable ws per treballar-hi.  Seguidament, Set chartObj=ws.ChartObjects.Add(...) crea un nou objecte gràfic dins del full, especificant-ne la mida i la posició.  Amb With chartObj.Chart s'estableixen les propietats del gràfic creat: o .ChartType=xlXYScatterSmooth configura el tipus de gràfic com a dispersió amb línia suau. o .ChartStyle = 240 aplica un estil visual predeterminat. o .HasTitle = True activa el títol del gràfic. o .ChartTitle.Text = "Gràfic" assigna el text "Gràfic" com a títol.  A continuació, s'inicia un bucle For i = 2 To 9 Step 2, que recorre les columnes del full dues a dues ,com per exemple les parelles de columnes: 2-3.  Dins del bucle, es troba l'última fila amb dades per a cada parell de columnes. La primera és lastRow en el bucle es calcula en aquest cas amb la funció seg Application.WorksheetFunction.Max(...), per assegurarse de trobar la fila més baixa amb dades entre les dues columnes.  Tot seguit, es defineixen els rangs de dades: xRange captura els valors de la columna X i yRange captura els valors de la columna Y.  A cada iteració del bucle, es crea una nova sèrie de dades al gràfic amb .SeriesCollection.NewSeries , que és la funció que crea la sèrie i .XValues = xRange i .Values = yRange defineixen els valors X i Y respectivament. Per altra banda, .Name = "Col " & i & " vs Col " & (i + 1) posa nom a la 78 sèrie segons les columnes utilitzades. I finalment, .MarkerStyle = i \ 2 + 1 assigna estils diferents als marcadors de cada sèrie.  Després de sortir del bucle, s'afegeixen títols als eixos i es configuren les escales que són les que fixen l’escala mínima i màxima de l’eix Y.  A continuació, es comprova si el botó està activat per establir l'escala. La primera condició és si boton.Value = True, s'aplica escala logarítmica. Sinó, s'aplica escala lineal.  Finalment, es netegen les variables per alliberar memòria. Es mostra un missatge amb MsgBox que confirma que el gràfic de dispersió únic s’ha generat correctament, amb una icona d'informació.  La línia End Sub marca el final de la subrutina. 79 4) PMSM: Gràfics individuals de valors reals. Per poder obtenir tots els gràfics individuals de viscositat dels valors reals separats un per cadascú, la segona part del programa que es procedirà a explicar és el codi per l’obtenció de gràfics desglossats (Il·lustració 61). Aquests van connectats al programa anteriorment mostrat i el seu funcionament és el següent: Il·lustració 61: Programa per obtenir els gràfics del PMSM. 80  Aquesta part del codi comença amb Private Sub PMSM_Click(), que defineix una subrutina privada que s’executa quan es fa clic en un botó anomenat "PMSM". Aquesta rutina genera diversos gràfics de dispersió nous, a partir de parelles de columnes específiques del full actiu.  La línia Dim chartLeft As Double declara una variable numèrica chartLeft que servirà per controlar la posició horitzontal dels gràfics que es generin.  Tot seguit, Set ws = ActiveSheet selecciona el full actiu d'Excel per treballar-hi.  La línia chartLeft = 50 inicialitza la posició horitzontal del primer gràfic, deixant un espai inicial de 50 unitats des del marge esquerre.  A continuació, comença el bucle For i = 4 To 9 Step 2, que recorre parelles de columnes.  Dins del bucle, primer es calcula lastRow per trobar l'última fila amb dades, utilitzant Application.WorksheetFunction.Max per assegurar-se d'agafar la fila més baixa amb dades.  Després es defineixen els rangs de dades.  Amb Set chartObj = ws.ChartObjects.Add(...) es crea un nou gràfic de dispersió per cada parell de columnes. Aquest gràfic es posiciona a chartLeft i es configura amb dimensions de 400x300 unitats.  Amb With chartObj.Chart es configuren les propietats del gràfic: o .ChartType = xlXYScatterSmooth defineix que serà un gràfic de dispersió suau. o .ChartStyle = 240 aplica un estil visual. o .HasTitle = True activa el títol. o .ChartTitle.Text = "Gràfic " & i & "-" & (i + 1) escriu el títol del gràfic amb el nom de les columnes utilitzades. 81  Després, s’afegeix una nova sèrie de dades al gràfic: o .SeriesCollection.NewSeries crea la nova sèrie. o .XValues = xRange assigna les dades de l’eix X. o .Values = yRange assigna les dades de l’eix Y.  Tot seguit, dins del With chartObj.Chart, es configura l’escala de l’eix X.  A continuació, es comprova si un botó (anomenat boton) està activat per aplicar escala logarítmica. La funció If boton.Value = True Then verifica si el botó està actiu. Si és cert, canvia l’escala de l’eix X a logarítmica. Si no, amb s’aplica una escala lineal normal.  Un cop configurat l'eix, es tanca el With chartObj.Chart.  Després, es prepara la posició per al següent gràfic: chartLeft = chartLeft + 420 incrementa la posició horitzontal per evitar que els gràfics se superposin entre ells, separant-los 420 unitats.  Finalitzat el bucle For, es netegen les variables utilitzades.  Finalment, es mostra un missatge de confirmació amb MsgBox: Es mostra un missatge emergent amb el text "Els gràfics de dispersió s'han generat correctament.", un botó d'informació i el títol "Procés completat". La subrutina acaba amb End Sub. 82 5) Teòric: Creació del gràfic teòric. Per poder obtenir el gràfic de viscositat teòric únicament, la tercera part del programa que es procedirà a explicar és el codi que hi ha darrere de com obtenir el gràfic teòric (Il·lustració 61). Aquests van connectats al programa anteriorment mostrat i el seu funcionament és el següent: Il·lustració 62: Programa per obtenir el gràfic teòric. 83  La subrutina comença amb Private Sub teoric_Click(), que defineix una rutina privada que s’executarà quan es faci clic a un botó anomenat "teòric".  Es declara la variable chartLeft com a tipus Double per controlar la posició horitzontal del gràfic.  Set ws = ActiveSheet selecciona el full actiu d'Excel per treballar-hi.  Es busca la darrera fila amb dades per a un parell de columnes: lastRow = Application.WorksheetFunction.Max(...), utilitza la funció Max per trobar la fila més baixa amb dades entre les columnes 2 i 3.  Es defineixen els rangs de dades per als eixos X i Y: o xRange captura les dades de la columna 2 (X). o yRange captura les dades de la columna 3 (Y).  Es crea un nou objecte de gràfic de dispersió: o Set chartObj = ws.ChartObjects.Add(Left:=50, Width:=600, Top:=50, Height:=400). Crea un gràfic de 600x400 unitats situat a la posició 50,50.  Es configuren les propietats del gràfic dins del With chartObj.Chart: o .ChartType = xlXYScatterSmooth estableix el tipus de gràfic com a dispersió suau, .ChartStyle = 240, aplica un estil visual al gràfic,.HasTitle = True activa el títol del gràfic. o .ChartTitle.Text = "Gràfic Teòric" , posa com a títol del gràfic "Gràfic Teòric".  Es crea una nova sèrie de dades dins del gràfic.  Es configuren els eixos X.  Es comprova si el botó d’escala logarítmica està activat. 84  Es tanca el With chartObj.Chart.  S’eliminen les referències a les variables utilitzades: o Set ws = Nothing, Set chartObj = Nothing, Set xRange = Nothing, Set yRange = Nothing, per alliberar memòria.  Finalment, es mostra un missatge de confirmació.  Finalitza la subrutina amb End Sub. 85 6) Alternació d’escales: Logarítmica o Lineal. Per definir de quin estil ha d’estar els rangs de els escales dels gràfics de viscositat, a gust del propi usuari vulgui editar, sigui d’un tipus o d’un altre, es pot fer del botó de definir l’escala si es vol en escala logarítmica o en escala lineal. Aquest botó va connectat al programa següent (Il·lustració 63):  Aquesta part del codi comença amb Private Sub boton_Click(), que defineix una subrutina privada que s’executa quan es fa clic en el botó. Aquest botó serveix per alternar entre escales lineals i logarítmiques en els gràfics del full actiu.  La línia boton.Caption = IIf(boton.Value, "Escala: Log" o "Escala: Lineal", canvia el text del botó segons si està activat o no. És a dir, mostra "Escala: Log" si el botó està activat, o "Escala: Lineal" si no ho està.  Tot seguit, amb la instrucció Dim, es declaren les variables ch , com a ChartObject i i com a Integer. Aquestes variables s’utilitzen per recórrer els gràfics del full actiu i modificar-los. Il·lustració 63: Programa per canviar el tipus d'escala. 86  A continuació, s’executa el bucle recurrent que és el de For i = 1 To ActiveSheet.ChartObjects.Count, que recorre tots els gràfics del full actiu un per un. A dins del bucle, amb la funció “Set”, s’assigna cada gràfic individual a la variable ch.  La línia On Error Resume Next permet continuar l’execució del codi encara que es produeixi un error. Aquesta línia és útil per evitar problemes en cas que un gràfic no permeti aplicar una escala logarítmica, per exemple, seria el cas si el gràfic té valors negatius o zero.  El bloc If boton.Value Then comprova si el botó està activat. En cas afirmatiu, automàticament aplica als gràfics una escala logarítmica amb ch.Chart.Axes(xlValue).ScaleType = xlLogarithmic. Si el botó no està activat, s’aplica una escala lineal amb ScaleType = xlLinear.  Un cop acabat el If, s’utilitza la línia On Error GoTo 0, que restaura el comportament normal d’errors de VBA.  Finalment, fora del bucle, s’utilitza MsgBox”per mostrar un missatge informatiu que indica que les escales dels gràfics han estat actualitzades. Amb vbInformation, afegeix una icona d’informació al missatge com a títol de la finestra.  Com és habitual, la línia End Sub marca el final de la subrutina. 93 Un cop acceptada la finestra anterior el programa s’executarà i mostrarà a la pantalla principal els gràfics que s’han demanat que en el cas de les taules de dades que s’estan utilitzant d’exemple són els següents: a) En el cas del gràfic teòric (Il·lustració 70): Il·lustració 69: Procés per obtenir els gràfics separats. 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 1,00E+08 1,00E+09 1,00E+10 1,00E+11 5,60E+02 5,70E+02 5,80E+02 5,90E+02 6,00E+02 6,10E+02 6,20E+02 6,30E+02 6,40E+02 Gràfic Teòric Series1 Il·lustració 70: Gràfic teòric obtingut. 94 b) Cas dels gràfics obtinguts per el PMSM separats (Il·lustracions 71 i 72): 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 5,70E+02 5,80E+02 5,90E+02 6,00E+02 6,10E+02 6,20E+02 6,30E+02 6,40E+02 Gràfic 4-5 Series1 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 5,70E+02 5,80E+02 5,90E+02 6,00E+02 6,10E+02 6,20E+02 6,30E+02 6,40E+02 Gràfic 6-7 Series1 Il·lustració 71: Gràfic obtingut del PMSM (1). Il·lustració 72: Gràfic obtingut del PMSM (2). 95 Un cop explicat els diferents gràfics que es poden obtenir a partir del menú que s’ha creat, la següent part que tracta del funcionament del programa creat, constarà en l’explicació de les diferents opcions per editar els gràfics segons els requisits o les necessitats de l’usuari. Una d’aquestes possibles maneres de modificar el gràfic és simplement amb el botó de “Log o Lineal”. Aquest botó té la funció simplement de poder canviar l’escala de el gràfic, si es vol en escala logarítmica, que és com normalment es mostra predeterminada, o en escala lineal. Sempre tenint en compte principalment les necessitats o els requisits que té l’usuari. A l’hora de produir aquest canvi en el gràfic, el menú mostrarà l’opció inicial que apareix en el menú d’entrada de creació de gràfics. Posteriorment, al donar clic al botó, sortirà una finestra comunicant que l’escala del gràfic ha estat actualitzada i així consecutivament fins que s’obtingui l’escala ideal. Com només hi ha dues opcions sempre al fer clic sortirà la mateixa finestra i tan sols canviarà el rètol del botó tal i l’escala tal com es mostra en les imatges següents (Il·lustracions 73,74 i 75): Il·lustració 73: Canvi en l'escala del gràfic. Il·lustració 74: Finestra d'actualització de l'escala del gràfic. 96 A continuació com a exemple del funcionament d’aquesta botó de modificació, es mostrarà el gràfic de la il·lustració 58 en escala lineal: Un altre tipus d’edició a les escales dels gràfics és la que es pot fer a través del menú situat just a la dreta on es pot fer l’edició de l’escala màxima i de l’escala mínima. Aquesta part del menú d’edició funciona de la manera següent (Il·lustració 76): Il·lustració 75: Gràfic en escala lineal. Il·lustració 76: Localització de les edicions d'escales. 1,00E+00 1,01E+02 2,01E+02 3,01E+02 4,01E+02 5,01E+02 6,01E+02 7,01E+02 8,01E+02 9,01E+02 5,70E+02 5,80E+02 5,90E+02 6,00E+02 6,10E+02 6,20E+02 6,30E+02 6,40E+02 Gràfic 6-7 Series1 97 Aquests dos espais ofereixen un accés directe on l’usuari pot escriure, mitjançant el teclat de l’ordinador, els valors dels rangs d’escala que desitja aplicar al gràfic. Aquesta funcionalitat permet un control molt més precís i personalitzat de la visualització de les dades representades (Il·lustració 77). Un cop escrits els valors corresponents a les escales, s’ha de fer clic al botó que es troba just al costat, anomenat “Actualitzar escala”. Automàticament, de la mateixa manera que amb les opcions anteriors, apareixerà una finestra emergent informant que les escales s’han actualitzat correctament i que el canvi s’ha aplicat amb èxit (Il·lustració 78). Il·lustració 77: Requadres d'escala màxima i mínima. Il·lustració 78: Procés per actualitzar els rangs d'escala. 98 NOTA: En el cas de que no es fiqui cap dada en els espais o valors numèrics que no són aptes per editar l’escala del gràfic, el programa executarà una finestra d’error de validació demanant que es posi valors numèrics que siguin correctes (Il·lustració 79). Després d’acceptar aquesta finestra, es mostrarà a la pantalla el gràfic amb les noves escales, exactament segons els valors que l’usuari ha introduït prèviament. Això permet ajustar amb molta precisió la representació gràfica segons les necessitats específiques de cada situació o anàlisi que es vulgui fer (Il·lustració 80). Il·lustració 79: Finestra d'error de validació. 1,00E+01 1,00E+02 5,70E+02 5,80E+02 5,90E+02 6,00E+02 6,10E+02 6,20E+02 6,30E+02 6,40E+02 Gràfic 4-5 Series1 Il·lustració 80: Gràfic amb rang d’escala actualitzat. 99 Finalment, un cop ja no calgui fer cap més comanda, es pot donar per tancada tota la part gràfica del programa. Per fer-ho, simplement cal dirigirse al botó que apareix representat amb una icona d’una porta de sortida i que porta el rètol “Tancar”. En fer clic sobre aquest botó, s’activarà una finestra emergent que comunica a l’usuari que tots els gràfics s’han esborrat correctament i que el procés de tancament s’ha completat amb èxit. Aquesta funcionalitat resulta especialment útil per agilitzar el tancament del programa, ja que evita haver d’anar tancant gràfic per gràfic de manera individual i es converteix en una opció molt més eficient i còmoda. D’aquesta manera, l’usuari pot acabar la seva sessió de treball de forma ràpida i ordenada (Il·lustració 81). Il·lustració 81: Procés per al tancament del programa. 100 Il·lustració 83: : 2n pas Implementació al PMSM. 4.6. IMPLEMENTACIÓ AL PMSM En aquest apartat s’explicarà la manera correcta d’implementar les macros en altres fitxers d’Excel. En el cas d’aquest projecte, s’ha d’implementar dins de l’ordinador del PMSM. Primer de tot, s’ha d’obrir l’aplicació de VBA. Un cop iniciat el programa, s’ha de dirigir a la secció de Projecte - VBAProject i es selecciona el UserForm anomenat simplement com a gràfiques. A continuació, es fa clic a Fitxer i després a Exportar fitxer (Il·lustració 82). S’exportarà com un fitxer de formulari. També s’ha de triar la carpeta on es desarà. Ara que el codi s’ha convertit en un fitxer, es pot utilitzar l’opció d’importar per incorporar-lo en altres fitxers d’Excel (Il·lustració 83). Il·lustració 82: 1r pas Implementació al PMSM. 101 En aquest cas, es repeteix el procés: obrir l’aplicació VBA, s’ha de dirigir a la secció de projectes, es selecciona el llibre d’Excel obert, es fa clic a Fitxer i posteriorment a Importar fitxer (Il·lustració 84). Un cop seleccionat el fitxer que s’havia exportat, es crearà tant el formulari (UserForm) com la carpeta Formularis (Il·lustració 84). Ara, per al botó que crida el formulari, es pot copiar i enganxar-lo d’un full a un altre. Tanmateix, també s’ha de crear un botó nou i assignar-li la macro corresponent, per facilitar el seu ús. Il·lustració 84: : 3r pas Implementació al PMSM. Il·lustració 85: 4rt pas Implementació al PMSM. 102 4.7. RESULTATS OBTINGUTS I MODIFICACIONS Un cop explicada el procés de com implementar el programa creat a l’ordinador del PMSM on està emmagatzemat tots els arxius de les proves que s’han anat realitzant, es pot dir que la implementació al PC del laboratori ha estat un èxit permetent que qualsevol usuari a partir d’ara pugui utilitzar el nou sistema per poder fer la anàlisis dels diferents gràfics de viscositat de manera més ràpida i eficient. En addició, s’han portat a terme unes petites modificacions en el programa final, per tant de que l’usuari pugui realitzar més funcions dintre d’aquest programa. La modificació principal que s’ha fet simplement tracta de la inversió del gràfic que l’usuari desitja per veure la viscositat. A continuació es mostrarà la modificació de la següent manera, des de la modificació del menú principal i el programa que s’ha afegit dintre de l’arxiu VBA per poder executar-lo. Primerament, s’ha modificat el menú principal, on s’ha afegit un nou botó amb la funcionalitat d’invertir el gràfic. D’aquesta manera, l’usuari pot visualitzar els resultats del gràfic de viscositat invertits de forma automàtica, quan així es desitgi, simplificant considerablement el procés d’inversió i evitant haver-lo de fer manualment. Aquesta millora contribueix a una experiència d’usuari més fluida i eficient. El nou menú actualitzat quedaria de la següent manera (Il·lustració 86): Il·lustració 86: Menú principal actualitzat. 109 c) Ara, per provar el funcionament real, s’ha d’encendre la punta del termoparell i deixar-lo durant un temps (almenys 45 segons) perquè es calci la unió. En el cas de que cap d’aquestes proves resulti efectiva a l’hora d’arreglar el termoparell. S’hauria de canviar i comprar-ne un de nou. Per la compra d’un nou termoparell s’hauria de tenir en compte diferents aspectes i característiques del tipus de termoparell que volem que s’adeqüi a les nostres necessitats d’implementació al PMSM. A continuació, es mostra la taula amb els tipus de termoparells més utilitzats dins del mercat. Aquesta taula també compta amb les característiques principals de cada tipus. Entre ells els metalls que el formen, el rang de temperatura, la força electromotriu i el seu coeficient de Seebeck. Tipus Lead Metal A (+) Lead Metal B (-) Rang de Temperatura (ºC) Força Electromotriu (mV) Coeficient de Seebeck* (𝜇𝑉/º𝐶) a 0ºC J Ferro Constantan -210 a 1200 -8.095 a 69.533 50.37 K Crom Alumini -270 a 1370 -6.458 a 54.886 39.48 T Coure Constantan -200 a 400 -6.258 a 20.872 38.74 E Crom Constantan -270 a 1000 -9.385 a 76.373 58.7 S Platí + 10 % Rhodi Platí -50 a 1768 -0.236 a 18.693 10.19 Taula 2: Tipus de termoparells més comuns [18]. Taula 3: Gràfic de la força motriu dels termoparells [18] 110 Finalment, cal mencionar que altres problemes més habituals que s'han de tenir en compte a l'hora de fer una revisió amb la mesura del nou termoparell són:  Resistència de la guia: L’ús de cables prims millora la resposta però incrementa la resistència i sensibilitat al soroll [19].  Voltatge en mode comú: Voltages no desitjats poden aparèixer per connexions defectuoses o inductància externa [21].  Descalibratge: Succeeix per difusió d’impureses o partícules en el metall, especialment a altes temperatures [20].  Problemes de connexió: Connexions no intencionals poden crear unions falses; cal assegurar l’ús de cables i connectors adequats [22].  Sorolls ambientals: Es recomana retorçar cables i utilitzar cables d’extensió per reduir soroll. En entorns molt sorollosos, cal apagar equips que el puguin generar per verificar lectures [21] [22]. Ara bé, la solució més efectiva seria dissenyar un filtre passa-baix (una resistència i un condensador en sèrie), però això es podria deixar plantejat com a millora per a futurs projectes [21] [22]. 5.2. PROGRAMA PYTHON PANDAS Pandas és una llibreria molt potent del llenguatge de programació Python, especialment pensada per a la manipulació i anàlisi de dades i es basa en estructures com les Sèries o arrays unidimensionals i els DataFrames o taules amb files i columnes, similars a un full de càlcul. És àmpliament utilitzada en camps com la ciència de dades, la intel·ligència artificial, l’enginyeria, l’economia o qualsevol àmbit on es treballi amb grans volums d’informació [23]. Pandas permet gestionar dades de manera molt més eficient que amb les estructures bàsiques de Python, i és compatible amb altres llibreries del seu 111 ecosistema fent més senzill implementar solucions en diversos entorns de treball. Entre les funcionalitats més destacades de Pandas es troba:  Lectura i escriptura de fitxers en múltiples formats, com per exemple l’Excel  Creació, modificació i visualització de taules de manera intuïtiva.  Filtratge i ordenació de dades segons criteris concrets.  Tractament de valors nuls o buits.  Agrupació de dades i càlculs agregats.  Conversió de tipus de dades i manipulació de columnes.  Unió, fusió i concatenació de diferents conjunts de dades.  Treball amb sèries temporals i dates.  Integració amb eines de visualització o exportació de dades [23][24][25]. Una de les raons per considerar aquestes millores és la possibilitat de programar part del sistema utilitzant aquesta llibreria. En un futur projecte, es podria realitzar el codi en Pandas per facilitar la seva compatibilitat amb altres sistemes digitals [24]. L'ús de Pandas facilitaria la gestió eficient de grans volums de dades generades pel procés PMSM, com ara els valors de temperatura, temps de manteniment o taxes de refredament, i permetria automatitzar-ne l’anàlisi per a una presa de decisions més àgil i precisa [25]. La formació en aquesta tecnologia es pot dur a terme de diferents maneres. Un exemple concret és el curs seguit en aquest mateix projecte, on s’ha introduït el llenguatge Python i s’han treballat conceptes bàsics i intermedis de manipulació de dades amb Pandas. Aquesta base ja permetria desenvolupar scripts o aplicacions adaptades al PMSM en futurs desenvolupaments [26]. 112 5.3. ALTRES IMPLEMENTACIONS Finalment en l’explicació d’aquest apartat, es farà menció a aquelles idees que es van tenir en compte a l’hora de realitzar implementacions o millores en el PMSM dins del projecte. Que finalment no és van completar per raons vàries i es deixen com a propostes per a futurs projectes. Aquestes possibles noves implementacions o millores serien: 1) Implementació de comunicació RS232/RS485: Es va considerar la possibilitat d’integrar un sistema de comunicació basat en RS232 o RS485 per millorar la transmissió de dades entre dispositius, com ara sensors, PLCs o sistemes de monitoratge externs. Aquest tipus de comunicació és robust, fiable i adequat per a entorns industrials, i permetria una millor supervisió del procés en temps real, així com una major flexibilitat en la integració amb altres equips. 2) Controlador EuroTerm: També es va estudiar la incorporació d’un controlador EuroTerm, un dispositiu habitualment emprat per al control de temperatura en processos tèrmics. La seva implementació hauria permès una gestió més precisa i estable de les temperatures durant la fase de fusió parcial del material, millorant la qualitat del procés. A més, aquests controladors ofereixen interfícies intuïtives i són fàcils d’integrar en sistemes automatitzats. 3) Creació d’un simulador del procés: Finalment, es va valorar el desenvolupament d’un simulador digital del procés PMSM. Aquest simulador hauria de permetre la recreació virtual de les condicions de fusió parcial i solidificació, facilitant proves prèvies sense necessitat de fer assaigs físics. A més de reduir costos i temps, seria una eina molt útil per a la formació d’operaris, l’anàlisi de paràmetres crítics i la detecció de possibles millores del procés. 113 5.4. PRESSUPOST Durant el desenvolupament del projecte s’ha mantingut un control del temps implementat a cada fase del mateix. Aquestes es veuen reflectides a la taula 4, on es mostra el temps invertit, t en hores, el preu per hora, en €· ℎ−1 , a 8 €· ℎ−1 [Conveni Pràctiques UPC] i el cost en €. Tot això per cada una de les etapes del projecte. Costos productius Fase t / h Preu / €· 𝒉−𝟏 Cost / € Investigació experimental 125,56 8 1004,48 Experimentació 301,65 8 2413,20 Anàlisi de Resultats 106,74 8 853,92 Documentació 100 8 800 Subtotal 4171,60 IVA 21 % 876,04 Total 5047,64 Taula 4: Pressupost TFG. 114 6. SOSTENIBILITAT DINS DEL PROJECTE L’alumini és un metall no ferromagnètic que s’extreu únicament del mineral conegut com a bauxita. Un dels principals problemes d’extreure l’alumini a partir de la bauxita és que es generen una gran quantitat de residus perillosos coneguts com a fang vermell. Els principals components d’aquest residu són òxids metàl·lics que no han reaccionant i el percentatge d’aquests òxids dependrà de la qualitat i naturalesa del mineral bauxita i les condicions a les quals ha estat sotmès per extreure l’alumini. Aquests residus tenen una alta concentració d’òxid de ferro i també tenen una petita quantitat residual d’hidròxid de sodi. Per posar un exemple, l’any 2007 es va calcular que amb l’extracció d’alumini a partir de la bauxita durant 120 anys s’havien generat 2.7 billons de tones d’aquest residu i que aquesta quantitat aniria augmentant en unes 120 milions de tones per any (Il·lustració 91) [30]. Una vegada obtingut l’alumini en forma de metall aquest requereix algun tipus de tractament posterior, com pugui ser l’aliatge amb altres elements, per optimitzar les seves propietats mecàniques. En aquest treball s’ha plantejat si es podien obtenir aliatges d’alumini a partir d’alumini reciclat amb les mateixes propietats de l’alumini extret de la bauxita [32]. L’obtenció de l’alumini a partir de la bauxita consta de dues etapes: Il·lustració 90: Extracció de bauxita [30]. 115 1) Procés Bayer: És el mètode industrial principal per obtenir òxid d’alumini a partir de la bauxita. El procés comença amb la trituració de la bauxita i el seu tractament amb una solució concentrada de sosa càustica a alta temperatura i pressió, fet que permet dissoldre els components de l’alumini, mentre que les impureses com la sílice i els òxids de ferro es mantenen en estat sòlid i es poden separar fàcilment; aquestes impureses es coneixen com a fangs vermells (Il·lustració 92) [30]. La solució clara resultant es refreda i, mitjançant l’addició de llavors d’alúmina, es fa precipitar l’hidròxid d’alumini. Aquest compost, un cop calcinat a alta temperatura, perd l’aigua i dona lloc a l’alúmina pura, utilitzada posteriorment en el procés d’electròlisi (Il·lustració 93) [30]. Per l’obtenció de dues tones d’òxid d’alumini es necessita:  4 tones de Bauxita.  200 kilograms d’hidròxid de sodi.  70 kW/h d’electricitat. Il·lustració 91: Presa d’emmagatzematge de fang vermell [30]. 116 2) Procés Hall-Heroult: En aquest procés, l’òxid d’alumini obtingut pel procés Bayer es transforma en alumini metàl·lic mitjançant electròlisi. Aquesta electròlisi es duu a terme en banys electrolítics formats per criolita fosa, que serveix per reduir el punt de fusió de l’alúmina i millorar la conductivitat del sistema [31]. L’alúmina s’introdueix dins del bany de criolita i, aplicant una forta corrent elèctrica, es produeix la descomposició electroquímica. Així, el producte final és alumini líquid, que es recull al fons de la cubeta electrolítica [30]. Amb el procés d’electròlisi s’obté alumini amb una puresa entre el 99.5 % i el 99.7 %, a on el silici i el ferro són les impureses més corrents [31]. En aquesta segona fase, per obtenir una tona d’alumini es necessita:  25 kg de criolita o 30 kg de fluorurs d’alumini.  550 kg d’electròlits de grafit.  15000 kW/h d’electricitat. Llavors es pot observar que l’obtenció de l’alumini a partir de la bauxita és un procés que suposa un gran cost mediambiental perquè en el procés Bayer es generen grans quantitats de residus d’òxids que són perillosos per al medi ambient, però també suposa un gran cost econòmic perquè per dur a terme l’electròlisi es necessita molta energia i una gran quantitat de carboni [30]. Il·lustració 92: Procés Bayer [30]. 117 L’alumini reciclat s’obté a partir de deixalles que ja han estat utilitzades. El procés és molt més eficient energèticament, ja que només cal fondre el metall, fet que representa un 5 % del consum energètic respecte a l’obtenció a partir de bauxita. Un dels avantatges principals és que es pot reciclar el 100 % de l’alumini tantes vegades com calgui, sense que perdi propietats, ja que no s’oxida amb facilitat ni es degrada amb l’aigua o l’aire (Il·lustració 94) [32]. Reciclar alumini permet evitar l’explotació de bauxita i, per tant, redueix tant l’impacte ambiental com el cost econòmic. De fet, s’estalvia fins a un 95 % de l’energia necessària per produir la mateixa quantitat d’alumini nou. A més, a mitjan segle XX es necessitaven 21 kWh per produir un quilo d’alumini a partir d’alúmina, mentre que el 1997 aquesta xifra es va reduir a 14 kWh, una millora del 30 % [32]. El reciclatge també evita la saturació de contenidors, ja que tot l’alumini recuperat es reutilitza. També s’aconsegueix una reducció important de les emissions de CO₂. En els processos industrials de reciclatge, les llaunes d’alumini es separen dels altres materials per mitjà d’un sistema electromagnètic, es tallen en trossos petits i es netegen químicament o mecànicament. Aquests fragments es compacten en blocs per minimitzar l’oxidació durant la fusió. Un cop fos, es retiren l’hidrogen dissolt i els contaminants hidrocarbonats, i es fa un anàlisi espectroscòpic per determinar-ne les propietats [32]. Segons la composició obtinguda, es pot afegir alumini pur per ajustar el material a les especificacions requerides. Per exemple, a Europa es consumeixen més Il·lustració 93: Alumini recent fabricat [30]. 118 de 38.000 milions de llaunes d’alumini cada any, i en alguns països se’n recicla fins al 80 % [32]. Aquest procés no només estalvia energia i matèria primera, sinó que també conserva el valor elevat que té l’alumini al mercat dels metalls recuperables (Il·lustració 95). Per concloure aquest apartat, dins d’aquest projecte, es fa menció que tot l’alumini que s’ha fet servir en la màquina del PMSM, és reciclat. Això suposa que ja que l'alumini és un material que requereix molta energia per obtenir-se ja que és un procés llarg d’elaboració, que és un molt costós amb un cost energètic molt elevat perquè es necessita molta energia per fabricar-ne i l’impacte mediambiental que crea només la seva fabricació, fer-ne servir un alumini que s’hagi obtingut a partir del seu reciclatge garanteix un gran estalvi i en el cas del PMSM, un ús òptim que és bàsic per aquest estalvi. Il·lustració 94: Exemple de planta de reciclatge d'alumini [30]. 125 [30] G. Power, M. Gräfe, and C. Klauber, “Bauxite residue issues: I. Current management, disposal and storage practices,” Hydrometallurgy, vol. 108, no. 1– 2, pp. 33–45, Juny 2011 [31] G. M. Javier Francisco, M. P. Ma José, and R. R. Daniel, Aleaciones ligeras. Universitat Politècnica de Catalunya. Iniciativa Digital Politècnica, 2004. [32] M. Estrany Rosselló, Estudi i caracterització del procés de conformació de materials en estat semi sòlid. Aplicació al cas de l'A357, Treball de fi de grau, Univ. de les Illes Balears, 2020. 126 ANNEXA I: PROGRAMA VBA L’annexa d’aquest projecte és l’adjunció del programa realitzat amb VBA al dipòsit del Treball Final de Grau.