Pompa perystaltyczna drukarki 3D: Przewodnik po cichym dostarczaniu mikropłynów

Pompa perystaltyczna sprawdza się w drukarce 3D, gdy zadaniem jest precyzyjne operowanie małą ilością cieczy, a nie chłodzenie masowe. Skoocom SC2201RPW porusza się z prędkością 20–50 ml/min przy napięciu 3, 5 lub 8 V DC, mierzy poniżej 60 dB w odległości 30 cm i wykonał 600 000 cykli dostarczania w testach fabrycznych. Pasuje do podawania chłodziwa w pojedynczym obiegu, przenoszenia żywicy i rozpuszczalnika oraz dozowania pigmentu – i jest to niewłaściwa pompa do chłodzenia głowicy lub komory o wysokim przepływie.

1. Dlaczego stacjonarne drukarki 3D potrzebują cichego i precyzyjnego zasilania płynem

Biurkowe drukarki FDM i drukarki żywiczne coraz częściej działają w sypialniach, wspólnych biurach i laboratoriach dydaktycznych, dlatego sygnatura akustyczna każdego podsystemu ma takie samo znaczenie, jak jego natężenie przepływu. Cicha pompa wodna jest teraz elementem systemu, a nie akcesorium, a określenie pompy perystaltycznej drukarki 3D wyłącznie na podstawie natężenia przepływu pozostawia wymagania akustyczne niezdefiniowane. Pompę zamontowaną wewnątrz obudowy słychać dwukrotnie: bezpośrednio w powietrzu i ponownie w postaci wibracji przenoszonych przez konstrukcję przez ramę i panele.

Wybór pompy zależy od dwóch problemów z płynami. W przypadku druku FDM drukarka pracująca w ogrzewanej komorze o temperaturze około 45–55 stopni może utracić margines termiczny na zimnym końcu hotendu: włókno mięknie powyżej strefy topienia i zacina się w połowie druku, co jest przyczyną awarii powszechnie zwanej pełzaniem cieplnym. W przypadku drukowania na żywicy równoważną awarią jest niski poziom wody w kadzi, w wyniku czego na dnie zbiornika tworzy się widoczna linia warstw lub zaznaczony film. Obydwa problemy rozwiązuje się poprzez niezawodne przemieszczanie małej ilości cieczy, a nie szybkie przemieszczanie dużej ilości.

Drugim wymaganiem jest precyzja. Pętla chłodząca wymaga stałego, powtarzalnego przepływu; linia dozująca wymaga powtarzalnej objętości. Pompy perystaltyczne radzą sobie z obydwoma, ponieważ są maszynami wyporowymi: przepływ jest ustalany na podstawie średnicy rury i prędkości wirnika, a nie przeciwciśnienia w systemie, a ciecz styka się tylko z wnętrzem rury. Dlatego też pompę dostarczającą mikropłyny można zamknąć w obudowie drukarki, bez konieczności konserwacji przedostawania się cieczy.

2. Sprawdzone specyfikacje SC2201RPW

Dobór pompy perystaltycznej drukarki 3D rozpoczyna się od pętli, a nie od numeru nagłówka. Wszystkie poniższe rysunki pochodzą ze strony produktu SC2201RPW i raportu z testów fabrycznych opublikowanego przez producenta. Jeżeli liczba ma znaczenie tylko w połączeniu z jej warunkiem testowym, warunek jest podany w tym samym wierszu, ponieważ natężenie przepływu lub poziom hałasu podane bez warunku nie mogą zostać wykorzystane do decyzji inżynieryjnych.

Tabela 1. Podsumowanie specyfikacji SC2201RPW z warunkami testowymi.

Źródło: strona produktu Skoocom SC2201RPW i raport z testu wydajności fabrycznej.

3. Co właściwie oznacza „poniżej 60 dB” w obudowie drukarki?

W przypadku systemu chłodzenia druku 3D opublikowany współczynnik hałasu wynosi poniżej 60 dB, mierzony w odległości 30 cm, przy napięciu 5 V DC, z 5-centymetrową gąbką umieszczoną pod pompą w celu pochłaniania wibracji. Te trzy warunki mają większe znaczenie niż sama liczba i kupujący powinien je uważnie przeczytać przed zapisaniem wartości w specyfikacji produktu.

Nie podano ważenia częstotliwości.Dane dotyczące akustyki maszyn są zwykle podawane jako poziom ciśnienia akustycznego ważony A, dB(A), który pomniejsza dźwięki o niskiej częstotliwości wytwarzane przez pompę perystaltyczną, gdy każdy z wałków styka się z rurą. Zwykła wartość dB nie jest porównywalna z wartościami dB(A) innych dostawców.

Odległość pomiaru wynosi 30 cm, a nie 1 m.Poziom ciśnienia akustycznego spada wraz z odległością, zatem wartość zmierzona na wyciągnięcie ręki zawsze będzie wyglądać lepiej niż ta sama pompa zmierzona w odległości referencyjnej 1 m, stosowanej w metodach inżynierskich, takich jak ISO 3744 i ISO 11202.

W teście wykorzystano izolację wibracyjną.Gąbka o średnicy 5 cm stanowi część zestawu pomiarowego, co potwierdza, że ​​montaż jest w przypadku tej pompy czynnikiem hałasu pierwszego rzędu, a nie szczegółem.

Dla kontekstu OSHA traktuje 85 dBA jako poziom, na którym pracownik musi podnieść głos, aby usłyszeć go z odległości około 3 stóp. Dlatego też odczyt poniżej 60 dB nie budzi żadnych obaw związanych z hałasem w miejscu pracy. Użytecznym wnioskiem nie jest to, że pompa jest cicha w wartościach bezwzględnych, ale że twierdzenie należy ponownie przetestować w rzeczywistej instalacji: zamontuj pompę na amortyzatorach elastomerowych, trzymaj ją z dala od dużych płaskich paneli emitujących dźwięk i zmierz dB(A) w odległości 1 m w zmontowanej maszynie.

Jeżeli wymagana jest cicha praca i trzeba porównać cichą pompę wodną różnych dostawców, poproś o jedną liczbę: poziom ciśnienia akustycznego ważony A w odległości 1 m, mierzony na gołej pompie i ponownie na tłumionym uchwycie. Dwie porównywalne liczby są warte więcej niż cztery nieporównywalne.

4. Trzy zastosowania, które nadaje SC2201RPW – i trzy, których nie

O przydatności pompy perystaltycznej drukarki 3D decyduje natężenie przepływu, ciśnienie i skład chemiczny. Poniższe sekcje oddzielają zadania, w przypadku których SC2201RPW jest dobrym wyborem, od tych, które wymagają innej pompy.

4.1 Dopływ chłodziwa do hotendu z pojedynczą pętlą

W systemie chłodzenia druku 3D pętla usuwa ciepło z szybkością określoną przez przepływ masowy i wzrost temperatury. W przypadku wody ciepło właściwe wynosi 4184 J/(kg·K) w temperaturze 20 stopni, więc arytmetyka jest prosta: Q=przepływ masowy × 4184 × wzrost temperatury.

Tabela 2. Zdolność transportu ciepła zakresu przepływu SC2201RPW dla wody.

Obliczono z Q=przepływu masowego × cp × ΔT przy użyciu cp=4,184 J/(kg·K) (NIST).

Dlatego SC2201RPW przenosi około 14 do 70 W, w zależności od tego, jak duży wzrost temperatury może tolerować pętla. Można to zastosować w przypadku zimnego końca pojedynczej głowicy, gdzie należy usunąć tylko ciepło przewodzące przez przerwę cieplną, a wytyczne dotyczące stosowania Skoocom określają prędkość pojedynczej pętli hotendu na poziomie 20–50 ml/min – czyli dokładnie taki zakres, jaki pokrywa ta pompa.

Nie nadaje się do niczego o większym obciążeniu termicznym. Maszyna z dwoma hotendami, podgrzewana komora, sterowniki krokowe lub podgrzewane łóżko wymagają o rząd wielkości większego przepływu, a sufit ciśnieniowy 6 psi (41 kPa) daje niewiele miejsca na długą rurę, restrykcyjne szybkozłącze lub blok wodny z płytką i żebrem. Do tych zadań odpowiednią częścią jest SC2301CPW o większym przepływie.

4.2 Postępowanie z żywicą i rozpuszczalnikiem w przepływach pracy SLA i DLP

Jest to aplikacja najczęściej opisywana błędnie. Stacja mycia żywicy nie czyści części poprzez cyrkulację strużki rozpuszczalnika; miesza części w dużej objętości. Na przykład Formlabs Form Wash wykorzystuje magnetycznie sprzężony wirnik, mieści 7–15 l rozpuszczalnika i jest określony na 120 wydruków na wkład alkoholu izopropylowego przy domyślnym 10-minutowym praniu. Pompa poruszająca się z szybkością 20–50 ml/min nie jest w stanie wytworzyć takiego mieszania i w druku nie powinny pojawiać się żadne twierdzenia stanowiące inaczej.

To, co pompa perystaltyczna o niskim przepływie naprawdę dobrze radzi sobie z przepływem pracy z żywicą, to logistyka płynów wokół zbiornika:

Przenosić.Zlać zużyty rozpuszczalnik z wiadra do mycia i wprowadzić świeży rozpuszczalnik, przy samozasysającej się pompie i braku wycieków na ścieżce płynu.

Uzupełnianie.Zastąpienie objętości utraconej w wyniku parowania pomiędzy przemywaniami - 50 ml zajmuje około 60 sekund przy 50 ml/min i około 150 sekund przy 20 ml/min.

Filtrowanie i recyrkulacja.Przepuszczanie rozpuszczalnika przez wbudowany filtr w celu przedłużenia jego żywotności, co z natury jest obowiązkiem przy niskim przepływie.

Alkohol izopropylowy ma temperaturę zapłonu 11,7 stopnia w otwartym kubku (13 stopni w zamkniętym kubku) i zakres wybuchowości 2-12,7% objętościowo w powietrzu, więc jest palny w temperaturze pokojowej. Pompa perystaltyczna jest pomocna, ponieważ jedyną zwilżoną częścią jest rurka, ale za wentylację, klejenie i przydatność montażu pozostaje odpowiedzialność integratora. Silikon jest wysoce obojętny, ale znacznie bardziej przepuszczalny dla gazów niż inne gumy, co ma znaczenie, gdy problemem jest utrata rozpuszczalnika.

4.3 Dozowanie pigmentów i dodatków w drukarkach wielokolorowych

Dozowanie jest najlepszym rozwiązaniem dla tej pompy. Przy prędkości 20–50 ml/min SC2201RPW dostarcza od 0,33 do 0,83 ml na sekundę, co jest praktyczną szybkością dodawania pigmentu, żywicy lub dodatku do głowicy mieszającej w odmierzonych krokach, a nie przy zasilaniu grawitacyjnym. Ponieważ płyn pozostaje wewnątrz rurki, wymiana rurki eliminuje również ryzyko zanieczyszczenia krzyżowego pomiędzy kolorami, a wewnątrz korpusu pompy nie może gromadzić się utwardzona żywica.

W przypadku stosowanej w ten sposób pompy dostarczającej mikropłyny obowiązują dwa ograniczenia. Otwór rurki o średnicy 2,5 mm ogranicza dyspersje pigmentów o dużej lepkości, a skuteczność pompy perystaltycznej spada wraz ze wzrostem lepkości, więc mocno obciążona pasta wymaga większego otworu lub innego typu pompy. Płyny pigmentowane, które osiadają, również wymagają krótkiego czasu przebywania w przewodzie lub ścieżki recyrkulacji, ponieważ rura nie będzie utrzymywać zawiesiny ciał stałych.

4.4 Gdzie nie jest miejsce dla SC2201RPW

„Mikrosmarowanie głowicy wytłaczarki.”Wprowadzenie smaru na ścieżkę żarnika nie jest standardową konserwacją FDM i wiąże się z ryzykiem zanieczyszczenia stopu i destabilizacji wytłaczarki. Jeśli drukarka rzeczywiście wymaga automatycznego smarowania, punktami zużycia są szyny liniowe i śruby pociągowe, a płyn w żadnym wypadku nie powinien przedostawać się do głowicy.

Podgrzewane łóżko, chłodzenie sterownika lub komory.Przepływ jest o rząd wielkości za mały.

Każda pętla wymagająca ciśnienia większego niż około 41 kPa.Sufitem jest ciśnienie tłoczenia wynoszące sześć psi; przed przystąpieniem do montażu sprawdź rzeczywisty spadek ciśnienia zmontowanej pętli.

5. Od wskaźników cykli po godziny pracy

Liczenie cykli samo w sobie nie jest pomocne, ponieważ cykl nie ma ustalonej długości. Wartości wytrzymałości SC2201RPW zostały zmierzone w schemacie obejmującym 5 sekund pracy i 3 sekundy zatrzymania, zatem jeden cykl trwa 8 sekund. Przeliczenie opublikowanych liczb na godziny pracy pompy sprawia, że ​​są one porównywalne z ocenami godzinowymi stosowanymi w przypadku większości pomp przemysłowych i ujawnia liczbę, której nie należy powtarzać.

Tabela 3. Opublikowane wartości cykli w przeliczeniu na godziny pompowania.

Obliczono na podstawie liczby cykli i cyklu pracy 5 s włączenia / 3 s wyłączenia podanego w raporcie z testów fabrycznych.

Liczba 480 000 cykli pojawia się w kilku artykułach producenta, ale nie na stronie produktu, i jest niższa niż 600 000 cykli osiągnięte w teście fabrycznym. Zaniża udokumentowaną trwałość i nie można jej powiązać z raportem z testów. Opublikuj zweryfikowaną wartość znamionową wynoszącą 300 000 cykli wraz z cyklem pracy, jako zarejestrowane maksimum podaj test obejmujący 600 000 cykli i nie powtarzaj 480 000 cykli bez raportu bazowego.

Rura jest materiałem eksploatacyjnym, a nie silnikiem. Kauczuk silikonowy ma niską wytrzymałość na rozciąganie i słabą odporność na zużycie, a każdy cykl ściska ten sam krótki odcinek rury. Producent oczekuje tysięcy godzin pracy rurek silikonowych przy pracy z chłodziwem, ale tylko miesięcy do roku przy pracy z żywicą, zatem wymień rurkę, gdy wydaje się miękka lub płaska, i zaprojektuj pompę w maszynie tak, aby rura była dostępna.

6. SC2201RPW w porównaniu z SC2301CPW

Dwie pompy perystaltyczne z gamy Skoocom są rutynowo brane pod uwagę w przypadku tej samej drukarki 3D i nie można ich stosować zamiennie. O wyborze decyduje to, czy maszyna potrzebuje małej odmierzonej objętości, czy też ciągłego przepływu.

Tabela 4. Porównanie zastosowań dwóch pomp perystaltycznych Skoocom.

Źródła: strona produktu Skoocom SC2201RPW; Artykuł o produkcie Skoocom SC2301CPW.

Zasada podejmowania decyzji jest prosta. Jeśli pompa musi utrzymać temperaturę, przesunąć litr lub zasilić drugą głowicę, wybierz 24 V SC2301CPW. Jeśli musi umieścić małą, powtarzalną objętość cieczy w określonym miejscu, wybierz SC2201RPW i zaakceptuj fakt, że pobiera moc 0,8 W z szyny 5 V, a nie z głównego zasilania drukarki 24 V.

7. Lista kontrolna integracji dla producentów drukarek

Sprawdź napięcie w arkuszu danych, a nie w tytule strony.W przypadku tego modelu na stronie dostawcy podano inny zakres napięcia niż w karcie specyfikacji. Przed zaprojektowaniem zasilania należy potwierdzić pisemnie wartość 3/5/8 V lub 3/6/12 V.

Zaplanuj szynę zasilającą.Pompa 5 V pobierająca prąd poniżej 160 mA jest łatwa w sterowaniu, ale większość drukarek biurkowych rozprowadza napięcie 24 V. Zainwestuj w dedykowany zasilacz 5 V lub mały konwerter buck i trzymaj pompę z dala od szyn współdzielonych z grzejnikiem.

Montaż na amortyzatorach.Do fabrycznego testu hałasu wykorzystano gąbkę o średnicy 5 cm, co jest bezpośrednim sygnałem, że izolacja zmienia wynik. Używaj mocowań elastomerowych i unikaj dużych, niepodpartych paneli.

Zachowaj krótką pętlę.Przy dostępnym ciśnieniu 6 psi, długość rury, liczba złączek i ograniczenie blokowania wody mają znaczenie. Zmierz spadek ciśnienia zmontowanej pętli lub przetestuj ją na stanowisku badawczym.

Wybieraj płyn świadomie.Woda destylowana z dodatkiem biocydu lub specjalnie przygotowany płyn chłodzący. Unikaj ściernych i agresywnych płynów i sprawdzaj rozpuszczalnik w stosunku do materiału rury, a nie do korpusu pompy.

Wykorzystaj samozasysanie.Pompka zasysa się sama i toleruje powstawanie małych pęcherzyków, co ułatwia napełnianie i odpowietrzanie nowej pętli. Nie susz go przez dłuższy czas.

Zapasowa dętka.Jest to jedyny materiał eksploatacyjny, wymiana zajmuje kilka minut, a drukarka, która została wycofana z użytku w przypadku tuby, jest drukarką, którą klient zapamiętuje.

Kluczowe wnioski

SC2201RPW to pompa perystaltyczna do drukarki 3D o wydajności 20–50 ml/min, 3/5/8 V DC, poniżej 160 mA, o ciśnieniu tłoczenia co najmniej 6 psi (około 41 kPa) i korpusie o długości 55,9 mm.

Jego współczynnik szumów, poniżej 60 dB, zmierzono w odległości 30 cm na 5 cm gąbce bez podanego ważenia częstotliwości. Przed użyciem liczby w specyfikacji przetestuj ją ponownie jako dB(A) w odległości 1 m w gotowej maszynie.

Przepływ 20-50 mL/min odpowiada około 14-70 W transportowi ciepła dla wody, co wystarcza na pojedynczą pętlę hotendu i nic większego.

Stanowiska do mycia żywicy mieszają 7-15 l rozpuszczalnika; ta pompa obsługuje transfer rozpuszczalnika, uzupełnianie i filtrację, a nie mieszanie.

Najsilniejszym zastosowaniem jest dozowanie pigmentów i dodatków, wynoszące 0,33–0,83 ml na sekundę, bez zanieczyszczeń krzyżowych, ponieważ zwilżana jest tylko rurka.

Opublikuj 300 000 zweryfikowanych cykli z cyklem pracy 5 s włączenia / 3 s wyłączenia lub wynik testu 600 000 cykli. Liczba 480 000 cykli krążących w niektórych materiałach nie jest poparta żadnym raportem z testów.

Jako cicha pompa wodna i mikropompa dostarczająca ciecz pracuje znacznie poniżej progów hałasu w miejscu pracy, ale przed wyceną klientowi należy ponownie zmierzyć współczynnik akustyczny w zmontowanym układzie chłodzenia druku 3D.

Często zadawane pytania

Co to jest chłodzenie wodne w drukarkach 3D?

Jest to zamknięta pętla, która odprowadza ciepło z komponentu – najczęściej zimnego końca hotendu – przez ciecz, a następnie odprowadza to ciepło do grzejnika lub zbiornika na zewnątrz obudowy. Woda przenosi około cztery razy więcej ciepła właściwego niż masowe, więc mały przepływ cieczy przenosi znacznie więcej ciepła niż ta sama masa powietrza, dlatego też chłodzenie cieczą może utrzymać temperaturę dyszy na stabilniejszym poziomie niż wentylator w szczelnej komorze.

Czy drukarki 3D wymagają chłodziwa?

Nie. Większość drukarek stacjonarnych jest chłodzona powietrzem i nie potrzebuje żadnego płynu. Chłodziwo staje się konieczne, gdy maszyna pracuje wewnątrz ogrzewanej komory, gdy głowica pracuje z dużym natężeniem przepływu lub gdy obudowa jest uszczelniona na tyle szczelnie, że chłodzenie wentylatorem powoduje recyrkulację jedynie ciepłego powietrza. W takich przypadkach pętla jest wyborem konstrukcyjnym ze względu na stabilność termiczną, a nie materiałem eksploatacyjnym.

Jak cicha jest naprawdę pompa perystaltyczna SC2201RPW?

Producent zmierzył poniżej 60 dB w odległości 30 cm przy napięciu 5 V DC, gdy pompa znajdowała się na 5 cm gąbce. Jest to ciszej niż normalna rozmowa i znacznie poniżej poziomu 85 dBA, na którym rozpoczynają się programy hałasu w miejscu pracy. Ponieważ wartość nie jest ważona i jest pobierana z odległości 30 cm, a nie 1 m, przed porównaniem z inną pompą należy poprosić dostawcę o odczyt ważony A z odległości 1 m, z izolacją wibracyjną lub bez.

Czy pompa 20-50 mL/min może sama chłodzić hotend?

W przypadku pojedynczego hotendu jest to możliwe, ponieważ blok wodny musi jedynie odprowadzić ciepło odprowadzone przez przerwę cieplną. Przy 50 mL/min i wzroście temperatury o 10 K, co stanowi około 35 W mocy przesyłowej, zgodnie z wytycznymi Skoocom dotyczącymi zastosowań, pojedyncza pętla hotendu osiąga prędkość 20–50 mL/min. Nie jest w stanie schłodzić dwóch hotendów, komory, sterowników ani łóżka; wymagają one SC2301CPW o większym przepływie.

Jak długo SC2201RPW wytrzymuje, zanim będzie wymagał serwisu?

Pompa wykonała ponad 300 000 cykli w standardowym teście trwałości i do 600 000 cykli w rozszerzonym teście, zarówno przy 5-sekundowym cyklu pracy, jak i 3-sekundowym zatrzymaniu. Oznacza to odpowiednio około 667 godzin i 1333 godzin pompowania. To rura, a nie silnik, określa, kiedy potrzebny jest serwis, a producent oczekuje tysięcy godzin pracy rurki silikonowej przy pracy z chłodziwem, ale tylko miesięcy do roku przy pracy z żywicą.

Jaka jest różnica między SC2201RPW i SC2301CPW?

SC2201RPW to kompaktowa pompa 3/5/8 V do dozowania 20–50 mL/min. SC2301CPW to pompa 24 V o wydajności 100 mL/min lub większej i ciśnieniu 40–150 kPa, przeznaczona do chłodzenia hotendu, automatycznego uzupełniania żywicy i pętli czyszczących. Wybierz SC2201RPW, gdy konieczne jest precyzyjne umieszczenie małej, powtarzalnej objętości; wybierz SC2301CPW, gdy pętla musi utrzymać temperaturę lub obsługiwać więcej niż jeden hotend.