Productive and environmental performance indicators analysis by a combined LCA hybrid model and real-time manufacturing process monitoring: A grinding unit process application

Among machining processes, grinding has been used to achieve high dimensional tolerances and surface quality on workpieces. Yet, high levels of energy expenditure per volume of removed material and the need for cutting fluids make grinding one of the most environmentally impactful machining processes. Furthermore, changes in parameters such as grain and bond specifications of the grinding wheel, cutting speed, and specific material removal rate can lead to different productive and environmental results. Thus, the analysis of grinding processes should not be aggregated and leveraged into a single and broad output parameter. Instead, comprehensive study should be performed, in which the most relevant process parameters, inputs and outputs are considered. This paper presents a detailed study of grinding process, including the characterization of machine subunits and production modes, along with the use of a combined life cycle assessment hybrid model and real-time monitoring system to evaluate the consumption of energy, tooling, cutting fluid and compressed air. A detailed cradle-to-gate life cycle assessment study using eleven different impact categories and a productive performance assessment were performed to evaluate the effects on varying specific material removal rate and wheel type. For equal values of specific material removal rate, the change from a conventional wheel to a cubic boron nitride represented a power requirement increase of 19–24%. Cubic boron nitride wheel achieved remarkably better results on the wheel wear and part roughness indicators for all tested conditions. The environmental performance assessment showed a strict relation between the process environmental impacts and the consumption of electric energy and cutting fluid. To conclude, despite the higher power requirements, the combination of cubic boron nitride wheel with high values of specific material removal rate optimizes both the productive and the environmental results

Environmental Life Cycle Assessment of industrial pine roundwood production in Brazilian forests

This is the accepted manuscript of the following article: Salles Ferro et al., 2018. Environmental Life Cycle Assessment of industrial pine roundwood production in Brazilian forests. Science of the Total Environment 640-641, 599-608Pine (Pinus oocarpa) wood has great economic importance in Brazil. Pine stands represent the second largest reforested area in the country due to their industrial interest. Combining the relevance of industrial pine stands in the country and corresponding environmental concerns, this current study aims to identify and quantify the environmental impacts derived from industrial pine roundwood production in Brazil. The environmental study was developed considering the Life Cycle Assessment (LCA) methodology according to ISO14040 framework. The study convers the life cycle of pine roundwood production from cradle-to-forest gate perspective and considers the current practices in the country. The production system was divided in five main stages: Soil preparation, seedlings plantation, forest management, forest harvesting and infrastructure establishment. The environmental profile was estimated considering characterization factors from the ReCiPe method, in terms of twelve impact categories. According to the results, forest harvesting stagewas identified as the environmental hotspot being themain responsible of contributions to nine impact categories under assessment with contributing ratios ranging from 21% (e.g., freshwater eutrophication) to 76% (e.g., photochemical oxidants formation). The high amount of fossil fuel required by heavy machinery used in the activities involved in this stage is behind this result. Soil preparation stage reported also an outstanding contribution in categories such as freshwater eutrophication (37%) and toxicity related categories (≈35%). The rationale behind these contributions is associated with the use of chemical fertilizers,mostly superphosphate. The identification of the environmental hotspots in forest biomass production can assist the Brazilian forest practitioners to improve the environmental profile bymeans of the optimization of forest practices.This research has been partially supported by Personnel Improvement Coordination of High Level (CAPES- process number 99999.006274/ 2015-03), by a project granted by Xunta de Galicia (project ref. ED431F2016/001) and by the STAR-ProBio project funded by the European Union's Horizon 2020 Program research and innovation programme under grant agreement No. 727740. Dr. S.G-G. would like to express her gratitude to the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness for financial support (Grant reference RYC-2014- 14984). Dr. S.G-G. belongs to the Galician Competitive Research Group GRC 2013-032 as well as to CRETUS (AGRUP2015/02), co-funded by Xunta de Galicia and FEDER (EU)S

Lean & Green and the life cycle stages of constructions: literature mapping and trend analysis

The synergy between lean production and sustainability can bring competitive advantages to civil construction companies, with increased productivity and reduced negative environmental impacts. In this study, we identified the main tools and best practices used throughout the life cycle of constructions to achieve Lean & Green. The literature reveals relatively few studies on the topic, since only 37 publications were found in the explored databases. There has been a strong incidence of the theme in the last five years, especially in countries such as the United States, Brazil and New Zealand. The application of lean-green in the design and planning phases is highlighted, through practices such as the Building Information Modeling (BIM) methodology application. The main limitations were the lack of studies related to the phases of use, maintenance and demolition of buildings, which is an opportunity for further studies. The main trends identified are outlined in a roadmap so that they can be applied by construction companies aiming at a better performance of lean and sustainable construction projects

Influência dos parâmetros de fabricação nas Propriedades Físicas e Mecânicas de Paineis de Partícula de Média Densidade

A presente pesquisa tem por objetivo avaliar a influência de três fatores de produção (densidade nominal, temperatura e pressão) na produção de paineis de partículas de média densidade da madeira de Eucalyptus saligna com resina ureia-formaldeído e catalisadores e verificar se os paineis atendem ao requisito normativo da ABNT NBR 14810. A influência dos fatores nos paineis MDP foram analisados por intermédio de 12 tratamentos experimentais. Foram fabricadas 48 chapas ao total, com 4 chapas com dimensões 300 mm x 300 mm x 15 mm, determinando 7 propriedades físicas e mecânicas, totalizando 336 determinações experimentais. Foram avaliadas as seguintes propriedades: teor de umidade, densidade aparente, inchamento em espessura após 2h e 24h, tração perpendicular, módulo de elasticidade e módulo de resistência. Os tratamentos, em grande parte, atenderam aos requisitos normativos, com três tratamentos atendendo plenamente. Para a maioria das propriedades os fatores de produção não foram significativos do ponto de vista estatístico, possibilitando que possa haver redução de algum fator a fim de manter o mesmo desempenho atendendo aos requisitos normativos. Palavras-chave: Painéis de partículas de média densidade (MDP), Eucalyptus, fator de produção, desempenho, análise de variância (ANOVA)

Influence of the length of test specimens in obtaining modulus of elasticity Ec0

As dimensões de corpos-de-prova para caracterização da madeira são estabelecidas sempre \ud buscando situações em que seja anulada a interferência do atrito nas medidas de deformação. A \ud NBR 7190 (ABNT, 1997) - Anexo B adota corpos-de-prova para o ensaio de compressão paralela \ud às fibras com relação 1:3 entre uma aresta da seção transversal (50  mm) e o comprimento, \ud enquanto a COPANT  464 (COPANT, 1972) e ASTM  D  143 (ASTM, 1982) estabelecem a de \ud 1:4. Este trabalho objetivou determinar se as proporções 1:3, 1:4 e 1:5 nos corpos-de-prova, \ud referentes aos comprimentos de 150, 200 e 250  mm, respectivamente, influenciam o E\ud c0\ud obtido na compressão paralela às fibras. As análises foram realizadas nas espécies Canelão \ud (Nectandra  membranacea), Corymbia  citriodora e Angelim (Vatairea  sp.).Os valores de Ec0\ud para as espécies citadas apresentaram-se estatisticamente equivalentes entre si, ao nível de 5% \ud de significância, demonstrando que as variações nos comprimentos dos corpos-de-prova não \ud afetaram esta propriedade.The dimensions of test specimens employed in wood characterization are always established \ud searching situations where friction interference is annulled in deformation measurements. \ud NBR  7190 norm (ABNT, 1997)  -  Annex  B adopts specimens to compression parallel to grain \ud tests with 1:3 ratio between the side (50 mm) of cross section and length, while COPANT 464 \ud (COPANT, 1972) and ASTM D 143 (ASTM, 1982) establish 1:4 ratio. The purpose of this research \ud was to determine whether 1:3, 1:4 and 1:5 ratios in the specimens, referring respectively to 150, \ud 200 and 250  mm lengths could influence the E\ud c0\ud obtained in compression parallel to grain \ud test. Analyses were performed in ‘Canelao’ (Nectandra  membranacea), Corymbia  citriodora \ud and‘Angelim’ (Vatairea  sp.) species.E\ud c0\ud values for the mentioned species were statistically \ud equivalent at 5% significance level, demonstrating that length variation did not affect the \ud property values analyzedFAPESPCAPESCNP

Materiais compósitos particulados em matriz epóxi reforçados com serragem, cimento e silicato de magnésio

Este trabalho tem como objetivo investigar propriedades físicas (densidade volumétrica e absorção de água) e mecânicas (módulo de elasticidade e resistência à compressão) de materiais compósitos particulados em matriz epóxi reforçados com serragem de madeira, cimento Portland e silicato de magnésio. Um planejamento experimental inicial foi elaborado envolvendo apenas a resina epóxi e a serragem de madeira. Posteriormente, elegeu-se o tratamento que forneceu os maiores valores para o módulo de elasticidade na compressão. Sobre a condição escolhida, foram desenvolvidas outras quatro, incorporando-se 10% e 20% em frações mássicas de partículas de silicato de magnésio e cimento Portland sobre a resina. Os compostos com 30% de serragem de madeira Eucalyptus grandis e faixa granulométrica 50-80 US-Tyler apresentaram os melhores valores para o módulo de elasticidade na compressão, sendo utilizados como condição de referência para a inclusão das partículas de cimento e do talco. O emprego do cimento nos compostos conferiu aumentos significativos no módulo de elasticidade à compressão, densidade e redução na absorção de água. O mesmo não ocorreu com a incorporação de partículas de silicato de magnésio, a qual foi significativa apenas na absorção de água, sendo os maiores valores provenientes dos materiais fabricados com a adição de 20%

AVALIAÇÃO NUMÉRICA DO MÓDULO DE ELASTICIDADE EM VIGAS ROLIÇAS DE MADEIRA DA ESPÉCIE Pinus elliottii

This research aimed to present a numerical methodology of calculation, based on the Finite Element Method and the Least Squares Method, to determine de longitudinal modulus of elasticity in structural round timber beams, considering the irregularities in the geometry of the elements by linear approximation along the finite elements. In addition with the numerical model (1D), together, two others were used, one analytical (1D simplified), which considers a single value of diameter (cylindrical geometry), measured at the midpoint of the elements, and another numerical model (3D), allows more accurately to delineate the geometry of the element, enabling check the difference between them. Therefore, the beams were evaluated according to the static three-point bending test, being tested twenty four elements of Pinus elliottii wood species, with average length of 630 cm, breast height diameter around 21 cm, green wood (satured), tape average of 6% and mean of factor form section of 0,82. The results of the confidence interval between the modulus of elasticity of the 1D numerical model (Eo) and analytical (Edeq) showed statistical equivalence between the methodologies, justified by the small taper of the elements, may be different for others tapers. The use of the longitudinal modulus of elasticity obtained from de numerical 1D model in the 3D simulations of the round timber beams lead to displacement values equivalent to those obtained in the tests, proving the efficiency of 1D numerical model, requiring less computational work.Este trabalho objetivou apresentar uma metodologia numérica de cálculo, fundamentada no Método dos Elementos Finitos e no Método dos Mínimos Quadrados, para obtenção do módulo de elasticidade longitudinal em vigas roliças de madeira de dimensões estruturais, considerando a influência das irregularidades na geometria das peças por aproximações lineares ao longo dos elementos finitos. Além do modelo numérico desenvolvido (1D), foram utilizados em conjunto outros dois, um analítico (simplificado 1D), que considera um único valor de diâmetro (geometria cilíndrica), medido no ponto médio da peça, e outro numérico (3D), que também permite delinear, de forma mais precisa, a geometria dos elementos estruturais roliços, possibilitando verificar as diferenças entre ambos. Para tanto, as vigas foram ensaiadas segundo o modelo de flexão estática a três pontos, sendo testadas 24 peças roliças de madeira da espécie Pinus elliottii, com comprimento médio de 630 cm, diâmetro médio das peças de 21 cm, madeira verde (saturada), conicidade média de 6% e fator de forma médio da seção de 0,82. Os resultados do intervalo de confiança entre os módulos de elasticidade do modelo numérico 1D (Eo) e analítico (Edeq) revelaram a equivalência estatísticas entre as metodologias, justificadas pela pequena conicidade das peças avaliadas, podendo ser diferentes para outras conicidades. O emprego dos módulos de elasticidade obtidos do modelo numérico 1D nas simulações dos elementos roliços em três dimensões conduziram a valores de deslocamentos equivalentes aos obtidos nas experimentações, comprovando a eficiência do modelo numérico 1D, mostrando ser este último mais interessante por exigir menor esforço computacional

NUMERICAL EVALUATION OF THE BENDING MODULUS OF ELASTICITY IN Pinus elliottii ROUND TIMBER BEAMS

Este trabalho objetivou apresentar uma metodologia num\ue9rica de c\ue1lculo, fundamentada no M\ue9todo dos Elementos Finitos e no M\ue9todo dos M\uednimos Quadrados, para obten\ue7\ue3o do m\uf3dulo de elasticidade longitudinal em vigas roli\ue7as de madeira de dimens\uf5es estruturais, considerando a influ\ueancia das irregularidades na geometria das pe\ue7as por aproxima\ue7\uf5es lineares ao longo dos elementos finitos. Al\ue9m do modelo num\ue9rico desenvolvido (1D), foram utilizados em conjunto outros dois, um anal\uedtico (simplificado 1D), que considera um \ufanico valor de di\ue2metro (geometria cil\uedndrica), medido no ponto m\ue9dio da pe\ue7a, e outro num\ue9rico (3D), que tamb\ue9m permite delinear, de forma mais precisa, a geometria dos elementos estruturais roli\ue7os, possibilitando verificar as diferen\ue7as entre ambos. Para tanto, as vigas foram ensaiadas segundo o modelo de flex\ue3o est\ue1tica a tr\ueas pontos, sendo testadas 24 pe\ue7as roli\ue7as de madeira da esp\ue9cie Pinus elliottii , com comprimento m\ue9dio de 630 cm, di\ue2metro m\ue9dio das pe\ue7as de 21 cm, madeira verde (saturada), conicidade m\ue9dia de 6% e fator de forma m\ue9dio da se\ue7\ue3o de 0,82. Os resultados do intervalo de confian\ue7a entre os m\uf3dulos de elasticidade do modelo num\ue9rico 1D (Eo) e anal\uedtico (Edeq) revelaram a equival\ueancia estat\uedsticas entre as metodologias, justificadas pela pequena conicidade das pe\ue7as avaliadas, podendo ser diferentes para outras conicidades. O emprego dos m\uf3dulos de elasticidade obtidos do modelo num\ue9rico 1D nas simula\ue7\uf5es dos elementos roli\ue7os em tr\ueas dimens\uf5es conduziram a valores de deslocamentos equivalentes aos obtidos nas experimenta\ue7\uf5es, comprovando a efici\ueancia do modelo num\ue9rico 1D, mostrando ser este \ufaltimo mais interessante por exigir menor esfor\ue7o computacional.This research aimed to present a numerical methodology of calculation, based on the Finite Element Method and the Least Squares Method, to determine de longitudinal modulus of elasticity in structural round timber beams, considering the irregularities in the geometry of the elements by linear approximation along the finite elements. In addition with the numerical model (1D), together, two others were used, one analytical (1D simplified), which considers a single value of diameter (cylindrical geometry), measured at the midpoint of the elements, and another numerical model (3D), allows more accurately to delineate the geometry of the element, enabling check the difference between them. Therefore, the beams were evaluated according to the static three-point bending test, being tested twenty four elements of Pinus elliottii wood species, with average length of 630 cm, breast height diameter around 21 cm, green wood (satured), tape average of 6% and mean of factor form section of 0,82. The results of the confidence interval between the modulus of elasticity of the 1D numerical model (Eo) and analytical (Edeq) showed statistical equivalence between the methodologies, justified by the small taper of the elements, may be different for others tapers. The use of the longitudinal modulus of elasticity obtained from de numerical 1D model in the 3D simulations of the round timber beams lead to displacement values equivalent to those obtained in the tests, proving the efficiency of 1D numerical model, requiring less computational work

Estimativa de propriedades da madeira Mandioqueira pela frequência natural de vibração e pela densidade aparente

Por ser um material anisotrópico e heterogêneo, o uso racional da madeira em estruturas requer o conhecimento de uma série de propriedades físicas e mecânicas. Parte das propriedades é obtida com o uso de equipamentos de grande porte, geralmente encontrados em poucos centros de pesquisas. A vibração transversal consiste em um método de ensaio não destrutivo utilizado na determinação da rigidez da madeira, em função agilidade proporcionada na realização dos ensaios. Essa pesquisa objetivou, com base na obtenção de dezessete propriedades entre físicas e mecânicas da madeira de Mandioqueira [Ruizterania albiflora (Warm.) Marc. -Berti, Vochysiaceae], espécie pouco conhecida na literatura nacional e internacional, avaliar a indicação de uso e relacionar suas propriedades físicas (estabilidade dimensional) e mecânicas (resistência e rigidez) com a densidade aparente e com a frequência natural do ensaio de vibração transversal por meio de modelos de regressão. Os resultados indicam o uso da madeira de Mandioqueira em estruturas, por apresentar propriedades equivalentes ou superiores às propriedades de outras comumente utilizadas na construção civil. Dos modelos de regressão, foram notadas fracas correlações entre a densidade e a frequência natural com as propriedades físico-mecânicas avaliadas, resultando em estimativas de baixa precisão. Entretanto, resultados mais abrangentes requerem maior número de espécies, e consistirão em objetivos de pesquisas futuras.Palavras-chave: Mandioqueira, caracterização, vibração transversal, correlação.