Pompa chłodząca wodę do drukarki 3D: SC2201RPW i pompy perystaltyczne

Chłodzenie cieczą rozwiązuje problemy związane z ciepłem, do którego nie może dotrzeć wentylator powietrza wewnątrz drukarki 3D, a pompa decyduje, czy pętla pozostanie cicha i niezawodna. Pompa zębata SC2201RPW zapewnia cyrkulację chłodziwa z szybkością 20–50 ml/min poniżej 60 dB dla pojedynczej pętli małej mocy, podczas gdy perystaltyczna pompa SC2301CPW 24 V zapewnia przepływ chłodziwa 100 ml/min i więcej, gdy obciążenie cieplne jest większe. Zmierz przepływ ciepła, a następnie wybierz chłodziwo i rurkę.

Dlaczego drukarka 3D potrzebuje układu chłodzenia wodą

System chłodzenia wodą do druku 3D sprawdza się, gdy źródło ciepła jest zamknięte, skoncentrowane lub ciągłe, ponieważ powietrze może przenosić ciepło tylko do otaczającego go powietrza, podczas gdy ciecz przenosi to ciepło do grzejnika, który można umieścić w dowolnym miejscu maszyny.

Pełzanie cieplne jest najbardziej oczywistym przypadkiem. Wewnątrz szczelnej komory, w temperaturze 45-55 C, wentylator zimnego końca hotendu recyrkuluje ciepłe powietrze zamiast chłodnego, włókno mięknie powyżej strefy topienia, a dysza zatyka się w trakcie drukowania.

Ciepło w komorze to drugi przypadek i nie jest to wyłącznie problem jakości druku. Opublikowane wytyczne dotyczące drukarek żarnikowych opisują komory, w których utrzymuje się temperaturę około 60-70°C i stwierdzają, że drukarka umieszczona w komorze powinna posiadać elektronikę z aktywnym chłodzeniem, aby zmniejszyć ryzyko pożaru.

Trzecią pozycję stanowią źródła skoncentrowane. Moduł lasera diodowego przekształca tylko część swojej mocy wejściowej na moc wyjściową optyczną, więc pozostała część pozostawia ciepło, które należy odprowadzić z małej obudowy, a silniki krokowe ze swoimi sterownikami dodają po kilka watów do ramy i powietrza w komorze.

Raporty terenowe producenta przedstawiają tę zmianę w kategoriach drukarki: przeniesienie hotendu na chłodzenie cieczą ustabilizowało jego temperaturę od wahań od około 5°C do około 1°C lub mniej i podniosło współczynnik powodzenia drukowania z około 70 procent do ponad 90 procent.

Dlaczego w przypadku chłodzenia powietrzem brakuje miejsca nad głową

Woda przenosi około cztery razy więcej ciepła właściwego powietrza na jednostkę masy – około 4,2 J/(gK) w porównaniu z około 1,0 J/(gK) – więc to samo obciążenie cieplne wymaga znacznie mniejszego masowego przepływu cieczy niż powietrza. To właśnie ten stosunek, a nie wentylator, sprawia, że ​​pętla cieczy jest atrakcyjna, gdy ciepło zostaje uwięzione w obudowie.

Drugą zaletą jest routing. Wentylator może odprowadzać ciepło jedynie do powietrza, w którym się znajduje, czyli tego samego, w którym drukowana jest część. Pętla z zewnętrznym grzejnikiem może odprowadzać to ciepło na zewnątrz komory, więc chłodzenie i temperatura w komorze przestają ze sobą walczyć.

Które źródła ciepła rzeczywiście odpowiadają chłodzeniu cieczą

Tabela 1. Źródła ciepła w drukarce 3D, dokąd zmierza każde z nich i czy pętla chłodziwa jest właściwą odpowiedzią.

Źródła: wytyczne producenta dotyczące układu cieczy (komora 45–55°C, dane dotyczące pola chłodzenia hotendu) i cytowane odniesienie dotyczące wytwarzania żarnika (komory 60–70°C, aktywnie chłodzona elektronika); rzędy lasera, silnika i elektroniki to praktyka inżynieryjna dla tej klasy maszyn.

Przeczytaj dalej:Jak wybrać system płynów do drukarek 3D.

Jakiego przepływu chłodziwa potrzebuje pętla?

Przepływ wynika z obciążenia cieplnego, a nie z katalogu pompy: wymagany przepływ równa się obciążeniu cieplnemu podzielonemu przez gęstość, ciepło właściwe i wzrost temperatury, który jesteś skłonny zaakceptować. Przy wzroście o 5 K woda o przepływie 50 ml/min przenosi około 17 W; przy wzroście o 10 K ten sam przepływ niesie około 35 W.

Równanie przepływu w jednostkach drukarskich

Dla wody o temperaturze bliskiej pokojowej równanie sprowadza się do jednej stałej: wymagany przepływ w ml/min wynosi około14,4-krotność obciążenia cieplnego w watach podzielona przez dopuszczalny wzrost w kelwinach. Stała jest odwrotnością gęstości i ciepła właściwego, zatem należy do czynnika chłodzącego, a nie do pompy.

Glikol zmienia tę stałą. Mieszanka glikolu i wody w stosunku masowym 1:1 ma ciepło właściwe około 3140 J/(kg.K), czyli mniej więcej trzy czwarte ciepła wody, więc przy tym samym wzroście temperatury potrzebuje około 25 procent większego przepływu. Taka jest cena zabezpieczenia przed zamarzaniem, którą warto zapłacić tylko wtedy, gdy maszyna musi przetrwać poniżej zera.

Tabela 2. Przepływ chłodziwa wymagany do przeniesienia danego obciążenia cieplnego przy trzech wzrostach temperatury, dla wody o temperaturze 25 C.

Źródło: obliczenia autorskie z Q=P / (rho xcx dT) z rho=997 kg/m3 i c=4180 J/(kg.K), dając Q w ml/min=14.4 x P / dT. Użyj 17,9 x P / dT dla mieszanki wody i glikolu 1:1. Wartości są zaokrąglone.

Dlaczego większy przepływ nie oznacza automatycznie lepszego chłodzenia

Przy 50 ml/min przez otwór o średnicy 2,5 mm chłodziwo przemieszcza się z prędkością około 0,17 m/s, a liczba Reynoldsa wynosi w przybliżeniu 420 w temperaturze 20°C i 650 w temperaturze 40°C – czyli głęboko w paśmie laminarnym, które kończy się w pobliżu 2300. W tym trybie współczynnik filmu na zimnej płycie jest ustalany na podstawie geometrii kanału i przewodności płynu, a nie siły nacisku pompy, więc podwojenie przepływu powoduje mniejszy wzrost temperatury płynu, ale nie zmniejsza o połowę oporu cieplnego bloku.

Spadek ciśnienia zachowuje się w ten sam sposób. W zależności Hagena-Poiseuille'a dla rury okrągłej opór przepływu jest odwrotnie proporcjonalny do czwartej potęgi promienia, więc średnica otworu ma znacznie większe znaczenie niż długość. Otwór o średnicy 2,5 mm i średnicy 600 mm przy 50 ml/min kosztuje tylko około 0,3 kPa tarcia w prostej rurze; zmniejszenie o połowę otworu oznacza pomnożenie tego przez szesnaście.

W prawdziwej pętli i tak dominują okucia. Mikrokanały, szybkozłącza, kolanka i filtry z zimną płytką stawiają znacznie większy opór niż ścianka rury, dlatego też opublikowane 40–150 kPa SC2301CPW ma znaczenie, gdy pętla zawiera kilka złączek i płytkę chłodzącą o drobnym skoku, podczas gdy wartość znamionowa SC2201RPW wynosząca ponad 30 kPa jest wygodna w przypadku krótkiego, prostego obwodu.

Zbiornik to masa termiczna, a nie ścieżka ciepła

Zbiornik pochłania stany nieustalone, a nie obciążenie w stanie ustalonym. Jeden litr wody pobiera około 4,2 kJ na każdy kelwin, który ogrzeje, więc impuls o mocy 100 W trwający minutę - 6 kJ - podnosi temperaturę w jednolitrowym zbiorniku o około 1,4 K, podczas gdy w zbiorniku o pojemności 100 ml wzrośnie o około 14 K. Zbiornik należy dobrać jako bufor, a powierzchnię grzejnika i przepływ wykorzystać do pracy, która nigdy się nie kończy.

Przeczytaj dalej:Techniczny kompromis dotyczący natężenia przepływu, ciśnienia i hałasu.

SC2201RPW: cicha pompa chłodząca wodę do drukarki 3D

SC2201RPW to pompa zębata na prąd stały o wydajności 20–50 ml/min, powyżej 30 kPa i poniżej 60 dB przy 30 cm przy napięciu 3, 6 lub 12 V, co czyni ją cichą pompą wodną do pojedynczej pętli chłodziwa o małej mocy, a nie do obwodu chłodnicy o wysokim przepływie.

Co mówi opublikowana specyfikacja

Tabela 3. Parametry SC2201RPW i to, co każdy z nich zmienia w obiegu chłodziwa drukarki 3D.

Źródło: strona specyfikacji producenta SC2201RPW; kolumna przenoszona ciepło to obliczenia autorskie z tabeli 2.

Dlaczego 20–50 ml/min to właściwy rozmiar dla jednej pętli

Pojedyncza pętla zimnego końca hotendu to obciążenie o małej mocy. Przy 50 mL/min i wzroście o 10 K SC2201RPW przesyła już około 35 W ciepła, co stanowi więcej niż pojedyncza przerwa cieplna odrzucona w normalnych warunkach pracy – szacunki techniczne dla tej klasy maszyn, a nie opublikowane dane – a krótka pętla z otworem referencyjnym producenta potrzebuje do działania znacznie poniżej 30 kPa.

Niski przepływ jest tutaj cechą, a nie kompromisem. Praca tej cichej pompy wodnej z prędkością 20–50 ml/min pozwala utrzymać niski poziom hałasu, nagrzewania się silnika i każdej powierzchni zużywalnej, ponieważ wszystkie one rosną wraz z prędkością, podczas gdy ciepło, które musi przekazywać pojedyncza pętla małej mocy, nie wzrasta. Wolniejsza pętla jest właściwym rozwiązaniem konstrukcyjnym do tego zadania i dlatego wartość znamionowa poniżej 60 dB i zakres przepływu 20-50 mL/min należą do tej samej pompy.

Sterowanie jest proste, ponieważ przepływ śledzi prędkość silnika. Zapasowe wyjście PWM zapewnia powtarzalny przepływ, a opublikowane wytyczne mówią o przesunięciu pasma przełączania na 20–25 kHz i utrzymaniu minimalnego polecenia powyżej martwej strefy, gdzie w przeciwnym razie pompa zaczęłaby buczeć i nagrzewać swoje uzwojenie bez poruszania się płynu.

Rysunek 1. Ciepło przenoszone przez pętlę wodną przy trzech wzrostach temperatury, z zaznaczonymi opublikowanymi zakresami przepływu obu pomp.

Źródło: obliczenia autora z Q=P / (rho xcx dT) dla wody o temperaturze 25 C, wykreślone w porównaniu z opublikowanymi przez producenta zakresami przepływu dla SC2201RPW (20-50 mL/min) i SC2301CPW (100 mL/min i więcej). Kalkulacja, nie pomiar.

Przeczytaj dalej:Pompa zębata SC2201RPW do uzupełniania żywicy.

Chłodzenie pompy perystaltycznej: izolacja cieczy i duży przepływ

SC2301CPW to pompa perystaltyczna 24 V o wydajności 100 mL/min i większej, 40–150 kPa, 60 dB lub mniej w odległości 50 cm i 200 mA lub mniej. To pompa określa, kiedy pętla musi przenosić więcej ciepła, tolerować pęcherzyki powietrza lub utrzymywać elektronikę całkowicie poza ścieżką płynu.

Co mówi opublikowana specyfikacja

Tabela 4. Parametry SC2301CPW i to, co każdy z nich zmienia w obiegu chłodziwa drukarki 3D.

Źródło: podsumowanie specyfikacji producenta SC2301CPW; kolumna przenoszona ciepło to obliczenia autorskie z tabeli 2.

Jedna uwaga dotycząca wartości hałasu. Nie publikowano informacji o tych dwóch pompach w tej samej odległości: poniżej 60 dB w odległości 30 cm dla SC2201RPW, w porównaniu do 60 dB lub mniej w odległości 50 cm dla SC2301CPW. Ciśnienie akustyczne spada o około 6 dB przy każdym podwojeniu odległości, zatem 60 dB w odległości 50 cm wynosi w przybliżeniu 64 dB w odległości 30 cm w wolnej przestrzeni. Porównywalnie te dwie liczby są blisko siebie, zatem cichsza liczba oznacza odległość pomiarową, a nie różnicę konstrukcyjną.

Rysunek 2. Zakresy przepływu chłodziwa dla dwóch pomp w porównaniu z przepływem wymaganym w typowych pętlach drukarki.

Źródła: producent opublikował zakresy przepływu dla SC2201RPW (20–50 mL/min) i SC2301CPW (100 mL/min i więcej); pasma pętli pochodzą z Tabeli 2 przy wzroście temperatury o 10 K. Kalkulacja, nie pomiar.

SC2201RPW lub SC2301CPW: która pompa dla której pętli

Tabela 5. SC2201RPW i SC2301CPW obok siebie, ciepło które każdy z nich może przenosić w pętli wodnej.

Źródła: strony specyfikacji producentów obu modeli; rząd przenoszony przez ciepło to obliczenia autora z Q=14.4 x P / dT.

„Wysokoprzepływowe chłodzenie pompy zębatej”: co tak naprawdę oznacza wyszukiwane hasło

Kupujący, którzy szukają chłodzenia o wysokim przepływie za pomocą pompy zębatej, zwykle opisują zadanie, a nie sprzęt. W tej rodzinie urządzeniem dozującym jest pompa zębata: SC2201RPW porusza się z prędkością 20–50 mL/min, co jest pompą o niskim przepływie według dowolnego standardu chłodzenia. Chłodzenie o wysokim przepływie jest obsługiwane przez perystaltyczny SC2301CPW przy 100 ml/min i więcej lub przez pompę odśrodkową, gdy pętla potrzebuje litrów na minutę przy niskim ciśnieniu.

To rozróżnienie ma znaczenie, ponieważ przepływ i ciśnienie współdziałają ze sobą, a nie się sumują. Obie pompy mają wyporność, więc utrzymują przepływ w miarę wzrostu oporu układu, ale ich przepływ bezwzględny jest ustalany na podstawie przemieszczenia i prędkości, a nie siły napędzania silnika. Jeśli pętla musi poruszać się z mocą większą niż około 70 W przy wzroście o 10 K, punktem wyjścia jest pompa perystaltyczna o wydajności 100 ml/min; poniżej około 35 W, zadanie spełnia cicha pompa zębata.

Przeczytaj dalej:Pompa perystaltyczna vs pompa zębata do drukarek 3D.

Dobór płynu chłodzącego do układu chłodzenia wodą drukarki 3D

Domyślnym chłodziwem pętli drukarki jest woda destylowana z inhibitorem korozji i biocydem. Glikol dodaje się tylko wtedy, gdy maszyna musi przetrwać temperaturę poniżej zera, ponieważ oddaje mniej więcej jedną czwartą pojemności cieplnej pętli i nic nie kupuje w temperaturze pokojowej.

Woda, glikol lub wstępnie zmieszany płyn chłodzący

Tabela 6. Opcje chłodziwa dla pętli drukarki z właściwością zmieniającą obliczenie przepływu.

Źródła: ciepło właściwe i przewodność cieplna wody z cytowanego źródła wody; glikol 1:1 masowo przy około 3140 J/(kg.K) i czysty glikol przy około połowie ciepła właściwego wody, z cytowanego odniesienia do glikolu; wartość -37°C dla mieszaniny glikolu propylenowego o stężeniu 50% objętościowych w układzie ciśnieniowym, zgodnie z cytowaną dokumentacją dotyczącą środka przeciw zamarzaniu.

Metale mieszane: pułapka korozji w każdym obiegu drukarki

Pętla drukarki zazwyczaj miesza metale bez decyzji kogokolwiek: aluminiowy blok chłodzący, grzejnik miedziany lub mosiężny, złączki mosiężne i zacisk ze stali nierdzewnej. Gdy dwa różne metale dzielą płyn przewodzący, para tworzy ogniwo galwaniczne, a metal mniej szlachetny ulega korozji. Jest to ten sam problem, który sprawia, że ​​płyn chłodzący do samochodów zawiera inhibitory korozji, ponieważ układ chłodzenia pojazdu zawiera jednocześnie aluminium, żeliwo, miedź, mosiądz i lut.

Następują dwie zasady. Tam, gdzie to możliwe, trzymaj się jednej rodziny metali i zawsze używaj chłodziwa z inhibitorami, a nie gołej wody. Inhibitory stosowane w instalacjach wodnych obejmują azotyn sodu i molibdenian sodu. Dodaj także biocyd: algi rosną w świetle i cieple w nieoczyszczonej pętli, a biofilm blokuje zimną płytę i wprowadza cząsteczki do pompy.

Kondensacja: odwadniacz zimnej płyty w ogrzewanej komorze

Im zimniejszy płyn chłodzący, tym więcej ciepła może pochłonąć, dlatego kuszące jest schłodzenie zbiornika. W ogrzewanej komorze jest to błąd. Temperatura powietrza w komorze w drukarkach tej klasy wynosi około 60–70°C, a na zimnej płycie utrzymywanej znacznie poniżej punktu rosy w komorze woda skrapla się z powietrza bezpośrednio na blok, złączki i wszystko poniżej.

Utrzymuj płyn chłodzący powyżej punktu rosy w komorze, zaizoluj blok chłodniczy i jego przewody lub podziel pętlę na szczelny obwód pierwotny i wtórny obwód agregatu chłodniczego. Nigdy nie prowadź pętli nad zasilaczem lub sterownikiem.

Przeczytaj dalej:Usuwanie zatorów, pęcherzyków i wycieków na podstawie parametrów mikropomp.

Dobór rur chłodzących: rurki, otwory i złączki

Wybierz rurki w następującej kolejności: materiał, który przetrwa mechanizm pompy, skład chemiczny, który przetrwa płyn chłodzący, następnie średnica i długość wymagana w obliczeniach przepływu. Wszystko inne to szczegóły.

Materiał: co tolerują rolki i chłodziwo

Tabela 7. Materiały rurek pętli chłodziwa drukarki, oceniane na podstawie kryteriów faktycznie decydujących o wyborze.

Źródła: zakres twardości silikonu i jego niska wytrzymałość na rozciąganie oraz słaba odporność na zużycie na podstawie cytowanego odniesienia do silikonu; Twardość EPDM, zakres zastosowań i ostrzeżenie dotyczące bitumu na podstawie cytowanej publikacji EPDM; Współczynnik tarcia PTFE i stabilność termiczna na podstawie cytowanego odniesienia do PTFE; warunki testowe 45 Shore A i średnica 2,5 mm z podsumowania specyfikacji producenta. Rzędy bez podanego rysunku są praktyką inżynierską dla tej klasy maszyn.

Otwór, długość i promień zgięcia

Otwór pochodzi z obliczeń przepływu, a nie z kolca, który akurat posiadasz. Producent testuje tę rodzinę pomp z otworem o średnicy 2,5 mm, co stanowi rozsądny punkt odniesienia: utrzymuje pętlę w paśmie laminarnym na poziomie 20–50 ml/min i utrzymuje spadek ciśnienia wystarczająco niski dla pompy o wartości znamionowej większej niż 30 kPa.

Utrzymuj odcinek ssania krótki, prosty i tak szeroki, jak pozwala na to wlot pompy, ponieważ tarcie i uwięzione powietrze najbardziej bolą przed pompą. Utrzymuj małą całkowitą objętość pętli, ponieważ określa to, jak długo trwa odpowietrzanie i ile chłodziwa kosztuje serwis. I przestrzegaj promienia zgięcia: zagięta rura jest zamkniętym zaworem bez ostrzeżenia, dlatego należy trasować z dużymi zakrętami i podpierać długie odcinki, aby rura nie zapadła się pod wpływem zasysania.

Złączki, zaciski i szybkozłącza

Każde złącze powoduje spadek ciśnienia i drogę wycieku, dlatego należy je policzyć przed wyborem pompy. Złączki kolczaste z obejmą i miękkim silikonowym wężem; Złączki typu push-to-connect pasują do sztywnych rur i są szybsze w serwisowaniu, kosztem uszczelki, która ostatecznie będzie wymagać wymiany.

Zamontować zgrubny filtr wlotowy przed pompą. Powodem jest pompa zębata: cząstki ścierają siatkę zębatą, a zużyta siatka otwiera luzy regulujące przepływ pompy. Zamiast tego w pompie perystaltycznej filtr chroni rurkę przed ścieraniem.

Przeczytaj dalej:Pompa perystaltyczna drukarki 3D: cichy przewodnik po dostarczaniu mikropłynów.

Instalacja i uruchomienie

Zamontować pompę poniżej zbiornika, utrzymywać krótki przebieg ssania, umieścić zbiornik w najwyższym punkcie z odpowietrzeniem przy zimnym bloku i utrzymywać wszystkie części elektryczne nad płynem. Te cztery zasady zapobiegają większości błędów z sekcji 8.

Rysunek 3. Obieg chłodziwa w drukarce w kolejności przepływu płynu, z uwzględnieniem czterech najważniejszych zasad instalacji.

Źródło: diagram autorski. Kolejność podzespołów jest zgodna ze standardową praktyką chłodzenia cieczą w obiegu zamkniętym; zasada zalewania odzwierciedla opublikowaną uwagę, że SC2201RPW nie jest samozasysający.

Linia bazowa.Zanotować temperaturę otoczenia, temperaturę płynu chłodzącego w zbiorniku, temperaturę zimnej płyty w stanie ustalonym, natężenie przepływu od dawki czasowej do cylindra miarowego oraz prąd pompy.

Góra i powódź.Umieścić zbiornik na wlocie pompy lub nad nim, tak aby pompa zębata zasysała się pod wpływem grawitacji, odizolować pompę od ramy i zamontować filtr wlotowy. Pompa perystaltyczna zasysa się samoczynnie, ale i tak utrzymuj jej wlot zalany, aby zapewnić stabilny przepływ.

Trasa i krwawienie.Napełnij pętlę, następnie uruchom pompę przy niskim obciążeniu z pękniętym najwyższym złączem, aż powracający strumień będzie wolny od pęcherzyków. Przechyl maszynę, aby przesunąć uwięzione powietrze w kierunku punktu upustowego.

Chroń elektrykę.Dostosuj sterownik do stopnia ochrony IP odpowiedniego dla lokalizacji, korzystając z klasyfikacji obudów IEC 60529, umieść wejścia kabli poniżej pętli i umieść tackę ociekową pod złączami. Nigdy nie prowadź rurek nad zasilaczem.

Ustaw napęd.Przesuń pasmo PWM na 20–25 kHz, ustaw polecenie minimalne powyżej strefy martwej i potwierdź parametry MOSFET, bezpiecznik odgałęziony i diodę flyback, jeśli pompa korzysta ze wspólnego portu wentylatora.

Sprawdź i zaloguj.Powtórz linię bazową po 24 godzinach drukowania, a następnie po przerwie konserwacyjnej. Zmiana, która nie przetrwa nawet jednego dnia upału, nie jest ustaloną konfiguracją.

Tabela 8. Protokół uruchomienia i konserwacji pętli chłodziwa drukarki.

Źródła: 40-godzinne kontrole dawki i prądu z kryteriami 5 i 20 procent oraz elementy cotygodniowej inspekcji probówek są zgodne z opublikowanymi wytycznymi dotyczącymi konserwacji układu płynów; rząd płyt zimnych jest praktyką inżynierską dla tej klasy maszyn.

Przeczytaj dalej:3,0 V czy 24 V? Czy płyta główna Twojej drukarki 3D może faktycznie napędzać tę pompę?.

Rozwiązywanie problemów z pętlą chłodziwa

Większość usterek w obiegu chłodziwa objawia się niestabilną temperaturą, a przyczyną jest zwykle przepływ, powietrze lub chemia, a nie sama pompa. Przed wymianą sprzętu porównaj z protokołem uruchomienia.

Tabela 9. Tabela rozwiązywania problemów z pętlą chłodziwa drukarki.

Źródła: dawka i aktualne kryteria są zgodne z opublikowanymi wytycznymi dotyczącymi konserwacji; śluza powietrzna, chłodnica i rzędy kondensatu są praktyką inżynierską dla tej klasy maszyn.