Análisis Térmico del Plato

La simulación del plato térmico se compone de dos estudios principales; un estudio libre donde la resistencia permanece encendida sin interrupción, y un estudio de termostato el cual simula la acción del PID. Se pretende estudiar el comportamiento del plato con la resistencia libre para conocer los tiempos aproximados para lograr las temperaturas deseadas en el pad. Se recuerda que la temperatura de interés es aquella en la superficie exterior de pad ya que es la que llevará a cabo el intercambio con el sustrato. Se estudian también las diferencias de temperatura entre los elementos de control que son la resistencia, el pad y el termopar. Una diferencia de temperatura grande entre el sensor y los elementos puede traer fallas o problemas de control. Lo ideal es que la temperatura en el sensor sea idéntica a la de los elementos. El estudio de termostato revelará las temperaturas semi-estables del sistema completo, por lo que se podrá revisar la temperatura de los componentes y sus superficies por comportamientos no deseados.

Ambos estudios son bajo el régimen transitorio por lo que se define un tiempo completo de 16 minutos (960 s) y pasos de 2 min (120 s). Se definen los materiales para cada uno de los componentes involucrados en el análisis como indica la tabla. Se excluyen del análisis la glándula, el tornillo y tuerca ya que solo entorpecen el estudio. Las condiciones de carga térmica y de mallado son idénticas en ambos estudios. Se define la temperatura inicial de todos los cuerpos a temperatura ambiente en este caso 25°C. En sí el modelo representativo de la resistencia se excluye del análisis, pero se define el efecto que provoca. Se agrega una potencia calorífica de 200 W a la cara cilíndrica en donde se aloja la resistencia. Por ultimo se añade un mecanismo de convección con temperatura ambiente de 25°C (bulk temperature) y un coeficiente de transferencia de calor de h0=34 W/m2°K (film coefficient) a todas las caras pertinentes del

modelo. Se utiliza un mallado estándar con tamaño máximo de elemento de 4.8 mm con un total de 41,261. En comparación con mallados anteriores puede parecer una malla pobre, pero la naturaleza del análisis térmico no requiere un mallado fino como en el estudio estático por que la geometría no se modifica significativamente.

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Resultados de Estudio Libre

Una vez ejecutado el análisis se debe buscar entre los pasos de estudio en cual se cumple la condición de temperatura máxima de 250°C en el plato. El trazado de temperatura a 12 minutos del encendido muestra una temperatura máxima de 254.37°C en el plato térmico, solo 2 minutos más de lo que se esperaba. Se muestra el trazado del ensamblaje y la vista de sección.

Figura 4.17: Mallado del subensamblaje del plato térmico

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Se comprueba que el estado máximo se puede alcanzar antes de llegar al estado estable y que por tanto las temperaturas de trabajo se logran dentro de este régimen como es deseado. El sistema nunca deberá alcanzar la temperatura máxima y mucho menos operar bajo este estado. Se puede establecer una temperatura máxima de 230°C en el controlador para lanzar la alarma y bloquear temperaturas de configuración que excedan de este limite.

Del trazado se puede notar que la diferencia de temperatura entre el plato y el pad es de 20°C a 30°C aproximadamente. Se pretende que la temperatura de trabajo del pad sea de 120°C a 180°C. Tomando 180°C en el pad como la temperatura de operación máxima, se busca el paso del estudio en donde se cumple tal condición. Se crea una curva de comparación entre los valores de temperatura de la resistencia, el pad y el termopar durante los 16 minutos del estudio. Con ello se encontrará el tiempo donde el pad alcanza este valor y compararlo con el estado de los demás componentes. Con ello también se evalúa la posición elegida para el termopar.

Se ve que las tres curvas están muy próximas por lo que la ubicación del termopar es correcta. La grafica indica que aproximadamente a 8 minutos del encendido se cumple la condición de 180°C en el pad, por lo que el diseño es aceptable. Las temperaturas de los tres elementos se asemejan mucho por lo que el Offset o el ue se o figu a el o t olado es po o se puede ig o a . P ue as eales i di a á si es

Figura 4.19: Gráfica de Temperatura vs Tiempo para el termopar, pad y resistencia.

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necesario calibrar el indicador de temperatura.

Resultados de Estudio con Termostato a 180°C

Se ejecuta ahora un estudio donde se fuerza el sistema a conservar una temperatura de aproximadamente 180°C en la superficie exterior del pad. El control de termostato se aplica en la ubicación del termopar con un rango de 180°C a 180.5°C. Este rango es en extremo fino, por lo que el error no debe sorprender. SolidWorks no utiliza control PID, solamente un control de apagado y encendido cuando se alcanzan los limites especificados. Se pretende conocer los dos primeros ciclos de apagado fuera del control PID, ue es do de su ede el Auto Ajuste del o t olado “WA-2441. Los ciclos deben ser en un tiempo relativamente corto y con sobretiros pequeños de manera que se vea que el sistema sea fácil de controlar. Mediante un estudio de sensores se repite la curva de temperatura versus tiempo ahora con un control de termostato.

De la curva se puede apreciar que el sobretiro después del apagado es mucho más grande que el sobretiro después del encendido. La resistencia se apagó al alcanzar 180.5°C a los 7 minutos, pero la temperatura continuó aumentando hasta un máximo de 200°C para luego descender a 180°C en

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aproximadamente 2.5 minutos. Esto es debido a que la resistencia mantiene cierta temperatura aun después de haberse apagado, al igual que el plato térmico. Al encenderse, la resistencia tarda poco en retomar la temperatura adecuada y casi inmediatamente vuelve a apagarse a los 11 minutos. Para el segundo ciclo se ve que el sistema comienza a estabilizarse. Lo ideal es que para después del primer ciclo el sistema ya comenzará a estabilizarse, pero no es así y puede deberse a varias razones. Quizás la resistencia posee demasiada potencia, o no se retiene suficiente calor antes del primer apagado. Lo que es seguro es que los límites son muy cerrados y provocan el comportamiento brusco del sistema. Una alternativa sería apagar la resistencia quizás a 170°C y apagarla a 190°C. Esto se hizo a propósito para examinar el comportamiento del sistema bajo condiciones críticas. La realidad es que el controlador establecerá los lí ites o los ue fue p og a ado pa a pode ealiza el Auto Ajuste . Du a te este pe iodo el controlador evaluará la respuesta del sistema y calibrará los pa á et os del o t ol PID. Después del Auto Ajuste el o t ol PID se a ti a á el siste a se a te d á a la te pe atu a deseada ±0.5°C.

De lo anterior se puede concluir que aun bajo condiciones de control muy bruscas el sistema tiende a estabilizarse en aproximadamente 16 minutos después del encendido, lo cual es bastante aceptable además que el controlador puede mejorar este tiempo. Se presenta el trazado de temperaturas del último estado calculado, es decir a 16 minutos del encendido.

Del trazado se ve que la superficie de la guarda tenderá a estar entre 140°C y 170°C por lo que la al o a ía de ad e te ia es e esa ia. El o po e te I te faz esta á t a aja do e u p o edio de 175°C, no existe mucho peligro ya que la carga de la pieza es relativamente pequeña para la geometría en

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cuestión. Un efecto inevitable será el calentamiento del Ariete-Cremallera, aunque sin mayor peligro ya que los aceros aleados son resistentes a la corrosión. La preocupación será la oxidación de las piezas de acero al carbono por lo que deben ir pintadas con aerosoles resistentes a altas temperaturas. La glándula puede sufrir ablandamiento, pero se espera sea lo suficiente robusta para soportar la carga térmica y el movimiento. En caso de que falle, una glándula de aluminio sería la solución.

In document Diseño de una plancha térmica para la impresión transfer (página 195-200)