Design and manufacture of a prototype induction heating system with temperature control for sintering processes for 3d printers in space

Abstract

Este trabajo de tesis muestra las consideraciones de diseño y la implementación de un modelo de ingeniería de un calentador por inducción para que siga una curva de temperatura en los procesos de sinterización mediante la utilización de un crisol de grafito de 40mm de altura y 5mm de espesor. Este calentador está basado en un inversor con topología de medio puente con potencia de hasta 5kW que utiliza la técnica de conmutación ZVS. Contiene un banco de capacitores que, junto a la bobina de trabajo, conforman el circuito resonante de topología paralela para utilizar al inversor como un amplificador de corriente y aumentar su eficiencia. La frecuencia de resonancia se establece en 75 kHz para obtener una profundidad de penetración de 1,84mm. El sistema cuenta con un circuito de retroalimentación e implementa hasta 5 tipos distintos de control PID con auto-sintonización para controlar la temperatura del crisol de grafito que alcanza hasta 1365.7°C con un consumo de 1.3kW. Los resultados demostraron que el método de sintonización CohenCoon se adapta mejor al sistema, logrando alcanzar seguir un perfil de temperatura de 700°C a 1200°C de forma más precisa comparado con el resto de métodos.

This thesis work shows the design considerations and the implementation of an engineering model of an induction heater to follow a temperature curve in sintering processes using a graphite crucible of 40mm height and 5mm thickness. This heater is based on a half-bridge topology inverter with power up to 5kW using the ZVS switching technique. It contains a capacitor bank which, together with the working coil, form the parallel topology resonant circuit to use the inverter as a current amplifier and increase its efficiency. The resonant frequency is set at 75 kHz to obtain a penetration depth of 1.84mm. The system has a feedback loop and implements up to 5 different types of self-tuning PID control to control the temperature of the graphite crucible reaching up to 1365.7°C with a power consumption of 1.3kW. The results showed that the CohenCoon tuning method is better suited to the system, achieving to follow a temperature profile from 700°C to 1200°C more accurately compared to the other methods.