Jak wybrać system płynów do drukarek 3D? Kompleksowy przewodnik porównawczy między pompami perystaltycznymi i zębatymi

Odpowiedź bezpośrednia: dopasuj do obciążenia, a nie do kategorii pompy

Wybierz typ pompy z obowiązku, a nie z przyzwyczajenia. Do płynów o niskiej lepkości, wrażliwych na ścinanie lub zanieczyszczeń pod niskim lub średnim ciśnieniem należy używać mikropompy perystaltycznej, a do płynów lepkich, przy wyższym ciśnieniu tłoczenia lub dozowaniu bez impulsów. Przed złożeniem zamówienia sprawdź napięcie, prąd i koszt części zużywalnych.

Obie rodziny to pompy wyporowe, więc obie wytwarzają przepływ zasadniczo niezależny od oporu za pompą. Wszystko, co je dzieli, wynika z jednej decyzji projektowej: w jaki sposób pompa uszczelnia szczelinę między wlotem a wylotem.

Praktyczną konsekwencją jest to, że wybór pompy w systemie zasilania płynem do druku 3D nie jest kwestią marki ani ceny. Jest to pytanie obowiązkowe, na które odpowiada pięć zmiennych, które można zmierzyć lub odczytać z arkusza danych. Prawie każde dostępne na rynku rozwiązanie do kontroli płynów do druku 3D ogranicza się do jednej z tych dwóch rodzin pomp, wyposażonych w różne obudowy i klasy napięcia.

O co właściwie drukarka 3D prosi pompę?

Drukarka 3D ma cztery płynne zadania i różnią się one bardziej, niż przyznaje większość porad dotyczących wyboru. Chłodzenie hotendu odbywa się w sposób ciągły przy niskim przepływie, uzupełnianie żywicy odbywa się sporadycznie przy większej objętości, cyrkulacja myjąca przebiega partiami z agresywnymi płynami, a dozowanie odbywa się precyzyjnie przy małych objętościach.

Najpierw zbudowanie profilu obowiązków powstrzymuje konstruktora przed zakupem pompy, która rozwiązała problem kogoś innego. Pętla chłodząca i przewód dozujący mogą korzystać z tego samego płynu i nadal wymagać przeciwnej charakterystyki pompy.

Pełzanie cieplne to awaria, która najczęściej popycha konstruktora FDM w stronę chłodzenia cieczą. Włókno mięknie powyżej strefy topienia, a wytłaczanie zatrzymuje się w połowie wydruku, co jest usterką, którą Prusa Research dokumentuje jako wyraźną przyczynę niepowodzenia wytłaczania w połowie wydruku.

Chłodzenie cieczą wygrywa z fizyką, a nie z modą. Woda przenosi w przybliżeniu czterokrotnie więcej ciepła właściwego powietrza na kilogram: około 4,18 kJ/kg·K w porównaniu z około 1,0 kJ/kg·K. Dlatego mały przepływ chłodziwa usuwa znacznie więcej ciepła niż duży przepływ powietrza, a grzejnik może wyrzucić to ciepło na zewnątrz ogrzewanej komory.

Uzupełnianie żywicy to inny problem w przypadku tej samej listy wyposażenia. Ponieważ wstrzymanie wydruku w celu uzupełnienia kadzi pozostawia ślad w momencie ponownego uruchomienia, pompa uzupełniająca musi pracować bez nadzoru, co sprawia, że ​​wykrywanie poziomu i powtarzalne dostarczanie małych objętości stanowią ograniczenia projektowe.

Dozowanie to najtrudniejszy obowiązek. Wytłaczanie pasty i atramentu to proces wyporowy napędzany ciśnieniem, a wielkość silnika pompy jest zwykle dobierana na podstawie momentu obrotowego, a nie przepływu, dlatego systemy te są projektowane jako osie ruchu z własnymi sterownikami.

W przypadku konstrukcji, w których pętla płynu stanowi tylko jedną część maszyny, należy wybrać pompę wraz z resztą sprzętu, zamiast przykręcać ją na końcu. ProducentaZastosowania pomp do drukarek 3Dstrona zawiera listę rodzin pomp już wdrożonych na platformach drukarek.

W jaki sposób pompy perystaltyczne i zębate przemieszczają płyn w różny sposób?

Obie są pompami wyporowymi i różnią się sposobem uszczelnienia. Mikropompa perystaltyczna ściska rurkę zamkniętą rolkami, dzięki czemu uszczelnienie jest mechaniczne, a płyn pozostaje wewnątrz rurki. Mikropompa zębata zatrzymuje płyn pomiędzy zazębiającymi się zębami i uszczelnia warstwę płynu we własnych szczelinach.

W pompie perystaltycznej rolki lub ślizgacze ściskają rurę podczas jej obrotu, tworząc podciśnienie, które zasysa płyn. Całkowite zamknięcie rurki w punkcie okluzji zapewnia pompie działanie wyporowe: zapobiega przepływowi wstecznemu bez żadnego zaworu zwrotnego i nic poza rurką nie styka się z cieczą.

Konsekwencją inżynierską jest to, że zakup pompy perystaltycznej to tak naprawdę wybór rurki. Rury silikonowe i inne elastomerowe określają kompatybilność chemiczną, zakres temperatur i częstotliwość konserwacji, a wymiana rurki jest zdarzeniem podlegającym zużyciu, a nie naprawą.

W pompie zębatej uszczelnienie odbywa się wewnątrz komory pompującej. Micropump opisuje trzy dynamiczne obszary uszczelniające: końcówki zębów koła zębatego względem ściany wnęki, miejsce, w którym dwa koła zębate zazębiają się i zamykają, oraz współpracujące powierzchnie kół zębatych, korpus i pokrywę końcową.

Ponieważ te części muszą się poruszać, muszą istnieć prześwity, a płyn wycieka z wylotu wysokiego ciśnienia do wlotu niskiego ciśnienia. Ten wyciek wsteczny nazywany jest poślizgiem i jest głównym czynnikiem wpływającym na wydajność objętościową pompy zębatej.

Przeczytaj oba mechanizmy razem, a reszta porównania nastąpi automatycznie. Lepkość dominuje w zachowaniu pompy zębatej i ledwo wpływa na uszczelnienie perystaltyczne. Ciśnienie tłoczenia dominuje nad zdolnością perystaltyczną i dociera do pompy zębatej jedynie poprzez poślizg. Kwestia zwilżonego materiału kurczy się do jednej rurki elastomerowej w jednej rodzinie i rozprzestrzenia się na kilka części metalowych i polimerowych w drugiej.

Zakresy komercyjne odzwierciedlają ten podział. Skoocom'aSeria mikro pomp perystaltycznychopiera się na niskim przepływie, niskim ciśnieniu i dostawie wolnej od zanieczyszczeń, podczas gdy konstrukcja pomp zębatych opiera się na regulowanym przepływie przy wyższym ciśnieniu.

Która pompa obsługuje Twój płyn? Lepkość, ścinanie i ścieranie

Decyduje o tym lepkość. Mikropompa perystaltyczna toleruje prawie każdą lepkość, ponieważ jej uszczelnienie nie zależy od cieczy. Pompa z mikrozębatą potrzebuje wystarczającej lepkości, aby film płynu uszczelnił luzy i traci wydajność objętościową w miarę rozrzedzania się płynu.

Pompy zębate obejmują bardzo szeroki zakres lepkości w kategoriach katalogowych: Pompy Viking o wydajności modeli z regulowanym luzem od 1 do 440 000 cSt. Zakres użytkowy dowolnej pojedynczej pompy jest znacznie węższy, ponieważ jej prześwity są ustalone dla jednego pasma cieczy. Poślizg rośnie wraz ze wzrostem różnicy ciśnień, spadkiem lepkości i zużyciem kół zębatych, dlatego dwie identyczne pompy mogą dostarczać różne objętości dwóch różnych płynów.

Ścinanie jest drugim filtrem. Siatka zębata powoduje duże ścinanie w docisku, co jest nieszkodliwe dla wypełnionej pasty i może być szkodliwe dla fotopolimeru rozrzedzającego się pod wpływem ścinania, emulsji lub odczynnika biologicznego. Ścieżka rurki pompy perystaltycznej jest z natury delikatniejsza i nigdy nie wystawia płynu na działanie gorącej lub szybko poruszającej się metalowej powierzchni.

Ścieranie jest trzecim. Twarde cząstki ceramiczne lub metalowe zużywają końcówki przekładni i płyty wnękowe, a zużycie to objawia się spadkiem wydajności objętościowej, której nie można ponownie skalibrować. W pompie perystaltycznej te same cząstki ścierają rurkę, ale rura jest zaprojektowana tak, aby można ją było wymieniać, a jej koszt to ułamek głowicy pompy.

Zgodność chemiczna uzupełnia obraz. W pompie perystaltycznej jedyną zwilżoną częścią jest rura, więc kwestia kompatybilności jest jedyną istotną decyzją. W pompie zębatej płyn styka się z kołami zębatymi, wałem, łożyskami i obudową, więc agresywny płyn może wykluczyć pompę zębatą jeszcze przed wzięciem pod uwagę wydajności.

Jedno zastrzeżenie dotyczy całej tabeli. Lepkość należy podawać przy szybkości ścinania faktycznie wytwarzanej przez pompę i przy temperaturze roboczej, ponieważ większość tych płynów jest płynami nieniutonowskimi i ich zmierzona lepkość zmienia się w obu przypadkach. Pojedyncza liczba wzięta przy niewłaściwej szybkości ścinania może przesunąć płyn przez dwa rzędy tej tabeli.

Pulsacja i dokładność dozowania: która pompa utrzymuje wartość zadaną?

Pompa z mikrozębatą lepiej utrzymuje wartość zadaną. Jego przepływ jest proporcjonalny do prędkości i w dużej mierze niezależny od ciśnienia na wylocie, zatem dostarczana objętość odpowiada obliczonej objętości. Pompa perystaltyczna zapewnia ten sam średni przepływ, ale z impulsem przy każdym przejściu walca.

Częstotliwość pulsacji ustalana jest poprzez liczbę rolek pomnożoną przez prędkość obrotową, zatem dziesięciorolkowa głowica pracująca z prędkością 60 obr./min wytwarza dziesięć impulsów na sekundę. Więcej rolek zmniejsza amplitudę każdego impulsu, ale zwiększa zmęczenie każdej sekcji rurki, co projektant pompy już dla Ciebie zrobił.

Poślizg, a nie pulsacja, to granica dokładności pompy zębatej. Dostarczona objętość równa się geometrycznemu przemieszczeniu na obrót pomniejszonemu o wyciekający płyn, a wyciekająca część rośnie wraz z różnicą ciśnień. Pompa zębata jest zatem najdokładniejsza przy znanym i stabilnym przeciwciśnieniu.

Aplikacja decyduje, który efekt ma znaczenie. Pętle chłodzące tolerują zarówno pulsację, jak i niewielki błąd przepływu, ponieważ masa termiczna hotendu i radiatora wygładza wszelkie odchylenia. Wkład żywiczny dba o dostarczaną objętość, a nie o pulsację, ponieważ uzupełnienie 50-100 mL przy 20-50 mL/min zajmuje od jednej do dwóch i pół minuty i nikt nie obserwuje przebiegu przepływu.

Dozowanie pasty i atramentu dba o jedno i drugie. Impuls ciśnienia objawia się defektem powierzchni lub zmianą szerokości ścieżki. Błąd w dostarczonej objętości objawia się jako błąd wymiarowy gotowej części. Dlatego systemy te są zwykle budowane wokół pompy wyporowej napędzanej jako oś ruchu.

Która pompa pasuje do płytki drukowanej i budżetu Twojej drukarki?

Sprawdź napięcie, następnie prąd, a następnie stopień sterownika. Żadna z pomp nie jest podłączona do pinów MCU: pin przełącza bramkę, a prąd pochodzi z szyny drukarki. Obydwa działają najlepiej na wyjściu PWM, które można ograniczyć do bezpiecznego działania.

Wybór strony elektrycznej sprowadza się do tego, która szyna może unieść obciążenie. Płytka drukarki zawiera ciężką szynę prądu stałego, która zasila stół, hotend i wentylatory, a także niskoprądową domenę logiczną dla MCU i czujników. Tylko ciężka szyna ma wystarczającą ilość miejsca na pompę wodną drukarki 3D, a pin MCU nigdy nie jest częścią ścieżki zasilania.

Klasa napięcia nie przewiduje poboru prądu. Moc to napięcie pomnożone przez prąd, więc pompa perystaltyczna 5-6 V dostarczająca do 100 mL/min pobiera około 500 mA, podczas gdy pompa 12 V o tej samej klasie przepływu pobiera 200-300 mA. Wybór pompy o niższym napięciu, która jest łagodniejsza dla elektroniki, zwykle sprawia, że ​​problem elektryczny jest raczej trudniejszy niż łatwiejszy.

PWM to normalna kontrola prędkości dla obu rodzin. Utrzymuj czas cyklu w zakresie milisekund i ustaw wartość rozruchu, aby pompa nie mogła utknąć przy niskim poleceniu. Klipper udostępnia cykl_time, czas_start_startu i czas wyłączenia poniżej w sekcjach wyjściowych i wentylatorowych, a Marlin steruje wyjściami typu wentylatorowego poprzez M106.

Oczywiście dodaj zabezpieczenie na odgałęzieniu pompy. Dioda zwrotna na silniku, bezpiecznik dobrany do gałęzi, a nie do prądu roboczego pompy i sterownik przystosowany do prądu utyku – wszystko to kosztuje bardzo niewiele. Razem powstrzymują zablokowaną pompę przed zniszczeniem deski.

Jaki jest koszt każdej pompy w całym okresie jej użytkowania?

Porównaj część zużywalną, a nie cenę zakupu. Stałym kosztem pompy perystaltycznej są rurki; pompa zębata nie ma rurek eksploatacyjnych, ale jej zwilżony zespół przekładni musi wytrzymać działanie płynu przez cały okres użytkowania, a jej dokładność zależy od luzów zużywanych przez materiały ścierne.

Żywotność lampy zależy od obciążenia. Szybka praca pompy, praca pod wysokim ciśnieniem i pompowanie agresywnego płynu skracają ją, a płaska lub miękka rurka zapewnia mniejszy przepływ, zanim nastąpi widoczne uszkodzenie. Samo zadanie konserwacji jest proste i niewymagające użycia narzędzi, dlatego w maszynach bezobsługowych popularne są konstrukcje perystaltyczne. Rozwiązania do bezobsługowej kontroli płynów do druku 3D umieszczają w harmonogramie konserwacji część zużywalną, a nie pompę.

Deklarowany okres użytkowania należy rozpatrywać łącznie z warunkami testowymi. Producenci podają okres pracy w cyklu przerywanym, zazwyczaj 5 sekund włączenia i 3 sekundy przerwy, czyli dokładnie tak, jak działa pompa uzupełniania, a nie jak działa pompa chłodząca. Jedynym uczciwym porównaniem jest przeliczenie cykli na lata:

Pompa o wytrzymałości przekraczającej 300 000 cykli przy 5 sekundach włączenia i 3 sekundach wyłączenia, używana do dziesięciu napełnień dziennie, jest przystosowana do pracy przez około 30 000 dni, czyli znacznie dłużej niż żywotność maszyny, w której jest zamontowana.

Ta sama pompa pracująca nieprzerwanie co pompa chłodząca ma znacznie krótszą żywotność, ponieważ rura ulega zużyciu poprzez ciągłą pracę, a nie liczbę uruchomień.

Opublikowane dane dotyczące tego samego modelu mogą się nie zgadzać; jeśli tak, zaplanuj niższą liczbę i potwierdź ją w arkuszu danych dostarczonym wraz z otrzymaną częścią.

Pompy zębate wymieniają ten materiał eksploatacyjny na inne ryzyko. Nie ma tu rurki do wymiany, a przy czystym, kompatybilnym i odpowiednio lepkim płynie pompa może pracować latami. Jednakże cząstki ścierne zmniejszają luzy, a co za tym idzie wydajność objętościową, a zużyty zestaw przekładni stanowi raczej wymianę pompy niż element serwisowy.

Przykład praktyczny: parametry SC2201RPW i wydajność SC2301CPW

Dwa opublikowane zestawy danych pokazują, dokąd zmierza decyzja. SC2201RPW to mikropompa perystaltyczna o niskim przepływie, przeznaczona do uzupełniania żywicy, dozowania chłodziwa i środka czyszczącego; SC2301CPW to pompa 24 V o większym przepływie, przeznaczona do chłodzenia hotendu i większych pętli napełniania.

Zacznij odMikropompa perystaltyczna SC2201RPW, którego opublikowane dane opisują raczej kompaktową pompę dozującą niż pompę obiegową.

Dane dotyczące wydajności SC2301CPW należą do innej klasy, a różnica jest zamierzona, a nie przyrostowa.

Jedno praktyczne ostrzeżenie dotyczy obu modeli i każdego numeru części dostępnego na tym rynku. Zasada pompowania to pole arkusza danych, a nie coś, co można rozszyfrować na podstawie numeru modelu.

SC2201RPW jest opisana na stronie produktu jako pompa perystaltyczna, jednak w niektórych ofertach innych firm ten sam model jest opisywany jako pompa zębata. W opublikowanych materiałach dotyczących SC2301CPW oba opisy znajdują się w różnych artykułach.

Przed zaprojektowaniem pętli płynu wokół numeru części należy sprawdzić trzy pola w bieżącym arkuszu danych: typ lub konstrukcję pompy, zwilżane materiały oraz warunki testowe określające przepływ i ciśnienie znamionowe. Wartość przepływu podana bez ciśnienia i napięcia nie stanowi specyfikacji.

Procedura selekcji w pięciu krokach

Wykonaj w podanej kolejności pięć kroków, a klasa pompy zostanie wybrana sama. Zapisz punkt pracy, scharakteryzuj płyn, zdecyduj, czy pulsacja ma znaczenie, zaplanuj stronę elektryczną, a następnie wybierz strategię dotyczącą części zużywalnych.

Zapisz punkt pracy. Zapisz płyn, objętość przemieszczoną w cyklu, dopuszczalny czas i ciśnienie wymagane w punkcie podawania. Wymóg określony jako wystarczający przepływ nie może zostać przetestowany.

Scharakteryzuj płyn. Zmierzyć lepkość w temperaturze roboczej i przy szybkości ścinania pompy, zanotować zawartość ciał stałych i twardość cząstek oraz sprawdzić zgodność chemiczną z zwilżonymi materiałami każdego kandydata.

Zdecyduj, czy pulsacja ma znaczenie. Obowiązki chłodzenia i uzupełniania są ignorowane; pasta, tusz i jakakolwiek dawka, która pojawia się w gotowej części, nie.

Budżet po stronie elektrycznej. Sprawdź napięcie szyny, dostępny prąd, stopień sterownika i czy potrzebna jest kontrola prędkości PWM, a następnie dodaj bezpiecznik i diodę flyback.

Wybierz strategię dotyczącą części zużywalnych. Zdecyduj, kto wymienia dętkę i jak często, lub potwierdź, że płyn jest czysty i wystarczająco kompatybilny, aby pompa zębata mogła działać bez niego.

Następnie kup pompę, której karta katalogowa pasuje, a nie tę z najdłuższą listą funkcji. TheSeria pomp wodnych micro DCobejmuje obie rodziny, a dopasowanie klasy napięcia i wymagań ciśnienia do punktu pracy jest szybsze niż porównanie kopii marketingowej.

Często zadawane pytania

Czy do chłodzenia drukarki 3D lepsza jest pompa perystaltyczna czy pompa zębata?

Pompa perystaltyczna jest bezpieczniejszym rozwiązaniem domyślnym w przypadku pętli chłodzącej. Jest samozasysający, nie może wyciekać przez uszczelnienie wału, ponieważ płyn nigdy nie opuszcza rury, a lepkość chłodziwa nie ma wpływu na jego przepływ. Pompa zębata ma taką samą wydajność, gdy płyn chłodzący jest czysty, wolny od cząstek ściernych, a przeciwciśnienie w pętli jest stabilne, co zapewnia dostarczanie bez impulsów.

Czy mogę uruchomić pompę wodną drukarki 3D z portu wentylatora na płycie głównej?

Często tak, jeśli pozwala na to ocena portu. Port wentylatora to wyjście przełączane przez MOSFET na głównej szynie zasilającej, co jest poprawną architekturą, ale port może być przystosowany do obsługi małego wentylatora osiowego, a nie pompy pobierającej kilkaset miliamperów. Sprawdź parametry portu, dodaj bezpiecznik i użyj portu ze sterowaniem PWM, jeśli chcesz kontrolować prędkość.

Jakiego przepływu faktycznie potrzebuje hotend chłodzony wodą?

Mniej niż większość konstruktorów oczekuje, ale z zapasem ciśnienia. Pojedyncza pętla hotendu jest zwykle wystarczająca na poziomie 20-50 mL/min, więc pompa o wydajności 100 mL/min lub większej daje margines dla maszyny z dwoma hotendami i oporem długiego przewodu rurowego. Ciśnienie ma większe znaczenie niż przepływ szczytowy, ponieważ blok wodny i szybkozłącza ustalają przeciwciśnienie.

Jakiej pompy należy użyć do uzupełnienia żywicy SLA?

Mikropompa perystaltyczna nadaje się do uzupełniania żywicy bez nadzoru, ponieważ żywica pozostaje wewnątrz rurki, więc nie ma konieczności usuwania utwardzonej żywicy z pompy, a wymiana rurki jest zadaniem krótkim i niewymagającym użycia narzędzi. Pompa z mikrozębatem wygrywa, gdy żywica jest lepka i nie pulsuje, ważne są powtarzalne małe objętości - pod warunkiem, że zwilżane materiały są odporne na fotopolimer, a wlot pozostaje zalany.

Dlaczego pompa zębata traci dokładność w przypadku rzadkich płynów?

Ponieważ płyn jest uszczelką. Pompa zębata opiera się na cienkiej warstwie płynu znajdującej się w szczelinach pomiędzy końcówkami przekładni, ścianą wnęki i płytami końcowymi. Płyn o niskiej lepkości wypływa przez te szczeliny szybciej, więc większa część wypartej objętości wycieka z powrotem do wlotu, a dostarczana objętość jest niższa od objętości obliczonej.

Jakiej konserwacji wymaga każda pompa?

Pompa perystaltyczna wymaga wymiany rurki zgodnie z harmonogramem ustalonym na podstawie prędkości, ciśnienia i płynu, a także sprawdzenia, czy rolki i gąsienica są czyste i nieuszkodzone. Pompa zębata nie wymaga rurowego materiału eksploatacyjnego, ale wymaga filtra na wlocie, zalanego wlotu lub pojedynczego zalewania oraz okresowych kontroli dostarczanej objętości jako wskaźnika zużycia wewnętrznego.

Prześlij swój punkt pracy – płyn, lepkość robocza, objętość na cykl, ciśnienie tłoczenia i napięcie szyny – poprzezskontaktuj się z namia klasę pompy i stopień sterownika można potwierdzić przed zakupem.