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Cahier des charges thermique
Cahier des charges thermique
Ce qu’on attend de l’enceinte…
Ce qu’on attend de l’enceinte…
•Capable d’isoler l’impression de l’objet
•Impressions qui puissent se faire de -10ºC à 100ºC
•Plus grande que les dimensions de l’imprimante
•Assez rigide pour porter les réservoirs ainsi que la matière
•Présence d’une porte et d’une fenêtre
•Transportable
Visuel des principaux composants de l'enceinte
Mise en équation : température de l'enceinte en fonction du temps
Mise en équation : température de l'enceinte en fonction du temps
On peut ensuite fixer certaines valeurs
On cherche maintenant à déterminer la puissance à fournir pour s’arrêter à 373K.
Suppositions établies
Suppositions établies
Pour la régulation, on peut supposer que la résistance chauffe instantanément compte tenu du temps de chauffe de l’ensemble. Donc, on peut considérer que quand on pilote la puissance de la résistance, on pilote en fait directement sa température Tc.
On suppose aussi que la température de la résistance correspond à la température de l’air dans la boîte de chauffage.
Asservissement du système
Asservissement du système
Pour piloter, on assimile le système à un premier ordre : Tint' = -k.(Tint - Tc)
En faisant un asservissement, on établira une consigne de la forme : Tc = C.(Tint - Tvoulue)
Le meilleur C (correcteur) serait un PI (K1+K2p) compte tenu du système. Un proportionnel fonctionnerait très bien néanmoins.
Néanmoins, pour déterminer les constantes, on a besoin de connaître le k, ce qu’il faudra faire par identification après avoir envoyé une consigne échelon à Tc. Pour cela, il faut construire tout le système.
Dans un premier temps, il sera déjà bien de piloter tout simplement en fixant Tc=Tvoulue, c’est-à-dire sans correcteur (et donc sans asservissement).
Bilan : calcul du temps de chauffe et de la puissance en fonction des paramètres
Bilan : calcul du temps de chauffe et de la puissance en fonction des paramètres
Au moyen des calculs détaillés précédemment et des hypothèses choisies, on peut ainsi déterminer tous les paramètres du système. On obtient finalement qu'une puissance de 3000W permet de chauffer de 20°C à 100°C en 21min, un temps de démarrage que nous avons estimé raisonnable car comparable à celui des imprimantes 3D existantes.
Le matériau choisi pour l'enceinte : le polyuréthane
Le matériau choisi pour l'enceinte : le polyuréthane
Celui-ci remplit en effet les principales fonctions demandées :
Travailler sur une plage de -10ºC à 100ºC
Ne pas se dégrader avec la chaleur (jusqu'à 100ºC)
Supporter structurellement le poids (poids de l'enceinte et des réservoirs)
Système thermique retenu
Système thermique retenu
Après discussions avec des spécialistes, Delphine Bresch-Pietri et François Cauneau, nous avons déterminé une solution pour le système thermique, explicitée dans le schéma ci-dessous.
- La solution sera modulaire. Les échangeurs sont situés à l’extérieur de l’enceinte de l’imprimante et un réseau de flexible molletonnés assurent la circulation de l’air.
- L’échangeur chaud sera constitué de thermo-résistances.
- La solution retenue pour l’échangeur froid est un radiateur froid de type réfrigérateur/congélateur.
- Un ventilateur centrifuge assure la circulation de l’air.
- L’air rentre dans l’enceinte après son passage sur les échangeurs par le haut selon un système de type “douche circulaire”.
Contrôle en température
Contrôle en température
Schéma bloc
Schéma bloc
Simulations
Simulations
Puissance du chauffage
Puissance délivrée par les résistances
Température mesurée dans l'enceinte
Sous Scilab, il est possible de créer le schéma bloc du système thermique présenté ci-dessus, puis grâce à celui-ci, d'effectuer des simulations pour déterminer la puissance de chauffe et la puissance des résistances. Il est également important d'ajouter un générateur d'aléatoire pour prendre en compte l'erreur de mesure du thermomètre dans l'enceinte.
Bilan thermique de cette année
Bilan thermique de cette année
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