Перистальтический насос для 3D-принтера: руководство по тихой подаче микрожидкостей

Перистальтический насос подходит для 3D-принтера, когда задача заключается в точной перекачке жидкости в небольшом объеме, а не в объемном охлаждении. Skoocom SC2201RPW перемещает 20–50 мл/мин при напряжении 3, 5 или 8 В постоянного тока, измеряет уровень шума ниже 60 дБ на расстоянии 30 см и выполнил 600 000 циклов подачи при заводских испытаниях. Он подходит для одноконтурной подачи охлаждающей жидкости, перекачивания смолы и растворителя и дозирования пигмента - и это неподходящий насос для высокопроизводительного горячего конца или охлаждения камеры.

1. Почему настольным 3D-принтерам нужна тихая и точная подача жидкости

Настольные принтеры FDM и полимерные принтеры все чаще используются в спальнях, общих офисах и учебных лабораториях, поэтому акустическая сигнатура каждой подсистемы имеет такое же значение, как и ее скорость потока. Тихий водяной насос теперь является компонентом системы, а не аксессуаром, а определение перистальтического насоса для 3D-принтера только по скорости потока оставляет неопределенными акустические требования. Работа насоса, установленного внутри кожуха, слышна дважды: непосредственно через воздух и еще раз как корпусная вибрация через раму и панели.

Две проблемы с жидкостью определяют выбор насоса. При FDM-печати принтер, работающий внутри нагретой камеры при температуре примерно 45–55 градусов, может потерять свой тепловой запас на холодном конце хотэнда: нить размягчается выше зоны плавления и застревает в середине печати, режим отказа, обычно называемый тепловой ползучестью. При печати смолой эквивалентным отказом является чан, который заканчивается в течение ночи, образуя видимую линию слоя или маркированную пленку на дне резервуара. Обе проблемы решаются за счет надежного перемещения небольшого количества жидкости, а не за счет быстрого перемещения большого количества.

Второе требование – точность. Контур охлаждения нуждается в стабильном, повторяемом потоке; линия дозирования требует повторяемого объема. Перистальтические насосы справляются с обоими задачами, поскольку они являются машинами прямого вытеснения: поток задается диаметром трубки и скоростью ротора, а не противодавлением системы, и жидкость контактирует только с внутренней частью трубки. Вот почему микронасос для подачи жидкости можно загерметизировать внутри корпуса принтера без доступа к жидкости для обслуживания.

2. Проверенные характеристики SC2201RPW.

Выбор перистальтического насоса для 3D-принтера начинается с контура, а не с номера заголовка. Все приведенные ниже цифры взяты со страницы продукта SC2201RPW и из отчета о заводских испытаниях, опубликованного производителем. Если число имеет смысл только вместе с условиями его испытаний, это условие указывается в той же строке, поскольку скорость потока или уровень шума, указанные без этого условия, не могут использоваться для принятия инженерных решений.

Таблица 1. Сводные характеристики SC2201RPW с условиями испытаний.

Источник: страница продукта Skoocom SC2201RPW и отчет о заводских испытаниях производительности.

3. Что на самом деле означает «ниже 60 дБ» внутри корпуса принтера

Для системы охлаждения, напечатанной на 3D-принтере, опубликованный коэффициент шума составляет менее 60 дБ, измеренный на расстоянии 30 см, при 5 В постоянного тока, с губкой толщиной 5 см, помещенной под насос для поглощения вибрации. Эти три условия имеют большее значение, чем само число, и покупателю следует внимательно прочитать их, прежде чем вписывать значение в спецификацию продукта.

Частотная коррекция не указана.Акустические данные для машин обычно представляются как уровень звукового давления, взвешенный по шкале А, дБ(А), который принижает значение низкочастотных тонов, которые производит перистальтический насос, когда каждый ролик входит в контакт с трубкой. Простое значение в дБ несопоставимо с показателями в дБ(А) от других поставщиков.

Расстояние измерения составляет 30 см, а не 1 м.Уровень звукового давления падает с расстоянием, поэтому значение, полученное на расстоянии вытянутой руки, всегда будет выглядеть лучше, чем тот же насос, измеренный на эталонном расстоянии 1 м, который используется такими инженерными методами, как ISO 3744 и ISO 11202.

В тесте использовалась виброизоляция.Губка длиной 5 см является частью измерительной установки, что подтверждает, что монтаж для данного насоса является шумовой переменной первого порядка, а не деталью.

Для контекста OSHA рассматривает 85 дБА как уровень, на котором работник должен повысить голос, чтобы его услышали на расстоянии примерно 3 футов. Таким образом, значение ниже 60 дБ полностью исключает любые проблемы, связанные с шумом на рабочем месте. Полезный вывод заключается не в том, что насос тихий в абсолютном выражении, а в том, что это утверждение необходимо повторно проверить в реальной установке: установите насос на эластомерные демпферы, держите его подальше от больших плоских панелей, излучающих звук, и измерьте дБ(А) на расстоянии 1 м в собранной машине.

Если конструктивным требованием является бесшумная работа и необходимо сравнить тихие водяные насосы разных поставщиков, запросите одну цифру: уровень звукового давления по шкале А на расстоянии 1 м, измеренный на насосе без оборудования и снова на демпфируемом креплении. Две сопоставимые фигуры стоят больше, чем четыре несравнимых.

4. Три приложения SC2201RPW подходит, а три нет.

Применение перистальтического насоса для 3D-принтера определяется скоростью потока, давлением и химическим составом. В разделах ниже отделены задачи, для которых SC2201RPW является разумным выбором, и те, для которых требуется другой насос.

4.1 Одноконтурная подача охлаждающей жидкости хотэнда

В системе охлаждения 3D-печати контур отводит тепло со скоростью, определяемой массовым расходом и повышением температуры. Для воды удельная теплоемкость равна 4,184 Дж/(кг·К) при 20 градусах, поэтому арифметика проста: Q=массовый расход × 4,184 × повышение температуры.

Таблица 2. Теплопередающая способность расхода SC2201RPW для воды.

Рассчитано по массовому расходу Q=× cp × ΔT с использованием cp=4,184 Дж/(кг·К) (NIST).

Таким образом, SC2201RPW потребляет примерно от 14 до 70 Вт в зависимости от того, какое повышение температуры может выдержать контур. Это можно использовать для холодного конца одиночного хотэнда, где необходимо отводить только тепло, передаваемое через тепловой разрыв, а в руководстве по применению Skoocom указана скорость одного контура хотэнда 20-50 мл/мин - именно этот диапазон охватывает этот насос.

Его нельзя использовать для чего-либо с большей тепловой нагрузкой. Машина с двойным нагревателем, камера с подогревом, шаговые приводы или платформа с подогревом требуют на порядок большего потока, а потолок давления 6 фунтов на квадратный дюйм (41 кПа) оставляет мало места для длинной трубки, ограничительного быстроразъемного фитинга или пластинчато-ребристого водоблока. Для этих задач подойдет SC2301CPW с более высоким расходом.

4.2 Обработка смолы и растворителя для рабочих процессов SLA и DLP

Это приложение, которое чаще всего описывается неверно. Станция промывки смолой не очищает детали, пропуская струйку растворителя; он перемешивает детали в большом объеме. Например, Formlabs Form Wash использует крыльчатку с магнитной связью, вмещает 7–15 л растворителя и рассчитан на 120 отпечатков на заправку изопропилового спирта с 10-минутной промывкой по умолчанию. Насос, работающий со скоростью 20–50 мл/мин, не может вызвать такого перемешивания, и в печати не должно быть никаких заявлений об обратном.

Что действительно хорошо помогает перистальтическому насосу с низким расходом в рабочем процессе со смолой, так это логистику жидкости вокруг резервуара:

Передача.Декантация использованного растворителя из промывочного ведра и подача свежего растворителя при самовсасывающем насосе и отсутствии уплотнений на пути утечки жидкости.

Пополнение.Восстановление объема, потерянного в результате испарения между промывками - 50 мл, занимает около 60 секунд при 50 мл/мин и около 150 секунд при 20 мл/мин.

Фильтрация и рециркуляция.Пропускание растворителя через линейный фильтр для продления срока его службы, что по своей природе является задачей с низким расходом.

Изопропиловый спирт имеет температуру вспышки 11,7 градусов в открытой чашке (13 градусов в закрытой чашке) и диапазон взрывоопасности 2-12,7% по объему на воздухе, поэтому он воспламеняется при комнатной температуре. Перистальтический насос помогает, поскольку единственной смачиваемой частью является трубка, но ответственность за вентиляцию, соединение и пригодность сборки остается на интеграторе. Силикон очень инертен, но значительно более проницаем для газов, чем другие каучуки, что имеет значение, когда потеря растворителя является проблемой.

4.3 Дозирование пигментов и добавок для многоцветных принтеров

Дозирование является наиболее подходящим для этого насоса. При скорости 20–50 мл/мин SC2201RPW подает от 0,33 до 0,83 мл в секунду, что является практической скоростью для добавления пигмента, смолы или добавки в смесительную головку дозированными порциями, а не гравитационным способом. Поскольку жидкость остается внутри трубки, замена трубки также устраняет риск перекрестного загрязнения между цветами, а затвердевшая смола не может накапливаться внутри корпуса насоса.

К используемому таким образом микронасосу для подачи жидкости применяются два ограничения. Диаметр трубки 2,5 мм ограничивает дисперсию высоковязких пигментов, а эффективность перистальтического насоса падает с увеличением вязкости, поэтому для пасты с высокой концентрацией требуется диаметр большего диаметра или насос другого типа. Оседающие пигментированные жидкости также требуют либо короткого времени пребывания в линии, либо пути рециркуляции, поскольку трубка не удерживает твердые частицы во взвешенном состоянии.

4.4. Где SC2201RPW не принадлежит

«Микросмазка головки экструдера».Введение смазки в путь накала не является стандартным обслуживанием FDM и может привести к загрязнению расплава и дестабилизации экструзии. Если принтер действительно нуждается в автоматической смазке, точками износа являются линейные направляющие и ходовые винты, и жидкость никогда не должна попадать в хотэнд.

Подогрев кровати, драйвера или охлаждение камеры.Расход на порядок меньше.

Любая петля, для которой требуется давление более 41 кПа.Давление нагнетания в шесть фунтов на квадратный дюйм — это потолок; перед фиксацией проверьте реальное падение давления в собранном контуре.

5. От рейтинга цикла до часов работы

Подсчет циклов сам по себе бесполезен, поскольку цикл не имеет фиксированной длины. Показатели выносливости SC2201RPW были измерены в режиме 5-секундного пробега и 3-секундной остановки, поэтому один цикл составляет 8 секунд. Преобразование опубликованных цифр в часы работы делает их сопоставимыми с номинальными показателями, основанными на часах, используемыми для большинства промышленных насосов, и дает цифру, которую не следует повторять.

Таблица 3. Опубликованные показатели цикла, пересчитанные в часы работы.

Рассчитано на основе количества циклов и рабочего цикла 5 с вкл./3 с выкл., указанного в отчете о заводских испытаниях.

Число 480 000 циклов встречается в нескольких собственных статьях производителя, но не на странице продукта, и оно ниже, чем 600 000 циклов, достигнутых при заводских испытаниях. Это занижает документально подтвержденную выносливость и не может быть прослежено по отчету об испытаниях. Опубликуйте проверенный рейтинг 300 000 циклов с указанием рабочего цикла, укажите испытание с 600 000 циклов как зарегистрированный максимум и не повторяйте 480 000 циклов без основного отчета.

Трубка - это расходный материал, а не мотор. Силиконовая резина имеет низкую прочность на разрыв и плохую износостойкость, и каждый цикл сжимает один и тот же короткий участок трубки. Производитель ожидает тысячи часов работы силиконовой трубки при работе с охлаждающей жидкостью, а при работе со смолой - всего от нескольких месяцев до года, поэтому замените трубку, когда она станет мягкой или плоской, и спроектируйте насос в машине так, чтобы трубка была доступна.

6. SC2201RPW по сравнению с SC2301CPW

Два перистальтических насоса линейки Skoocom обычно рассматриваются для одного и того же 3D-принтера, и они не являются взаимозаменяемыми. Выбор определяется тем, нужен ли машине небольшой измеряемый объем или непрерывный поток.

Таблица 4. Сравнение двух перистальтических насосов Skoocom с точки зрения применения.

Источники: страница продукта Skoocom SC2201RPW; Статья о продукте Skoocom SC2301CPW.

Правило принятия решения простое. Если насосу необходимо поддерживать температуру, перекачивать литр или питать второй горячий конец, выберите SC2301CPW на 24 В. Если необходимо поместить небольшой повторяемый объем жидкости в определенное место, выберите SC2201RPW и согласитесь с тем, что он потребляет свои 0,8 Вт от шины 5 В, а не от основного источника питания принтера 24 В.

7. Контрольный список интеграции для производителей принтеров

Проверьте напряжение по таблице данных, а не по заголовку страницы.Для этой модели на странице поставщика указан диапазон напряжения, отличный от спецификации. Перед проектированием источника питания подтвердите 3/5/8 В или 3/6/12 В в письменной форме.

Спланируйте линию электропередачи.Насос с напряжением 5 В, потребляющий ток менее 160 мА, прост в управлении, но большинство настольных принтеров распределяют напряжение 24 В. Запланируйте либо специальный источник питания 5 В, либо небольшой понижающий преобразователь, и не допускайте подключения насоса к любой шине, общей с нагревателем.

Крепление на демпферах.В заводском тесте на шум использовалась губка длиной 5 см, что является прямым сигналом о том, что изоляция меняет результат. Используйте крепления из эластомера и избегайте больших панелей без опор.

Держите петлю короткой.При наличии давления 6 фунтов на квадратный дюйм длина трубки, количество фитингов и ограничение водоблока имеют значение. Измерьте падение давления в собранном контуре или выполните стендовые испытания.

Выбирайте жидкость осознанно.Дистиллированная вода с биоцидом или специальная охлаждающая жидкость. Избегайте использования абразивных и агрессивных жидкостей и проверяйте наличие растворителей на материале трубки, а не на корпусе насоса.

Используйте самовсасывание.Насос заполняется самостоятельно и допускает образование небольших пузырьков, что упрощает заполнение и прокачку новой петли. Не оставляйте его сухим на длительное время.

Запасная трубка в наличии.Это единственный расходный материал, его замена занимает минуты, а принтер, вышедший из строя из-за тюбика, — это принтер, который помнит клиент.

Ключевые выводы

SC2201RPW — это перистальтический насос для 3D-принтера, рассчитанный на производительность 20–50 мл/мин, 3/5/8 В постоянного тока, ток ниже 160 мА, давление нагнетания не менее 6 фунтов на квадратный дюйм (около 41 кПа) и корпус длиной 55,9 мм.

Его коэффициент шума ниже 60 дБ был измерен на расстоянии 30 см на губке длиной 5 см без заявленной частотной коррекции. Прежде чем использовать число в спецификации, повторно проверьте его в дБ(А) на расстоянии 1 м на готовой машине.

Пропускная способность 20–50 мл/мин соответствует примерно 14–70 Вт теплопередачи воды, что подходит для одного контура хотэнда и не более того.

Станции промывки смолы перемешивают 7-15 л растворителя; этот насос обеспечивает перекачку растворителя, доливку и фильтрацию, а не перемешивание.

Дозирование пигментов и добавок является самым сильным применением, со скоростью 0,33–0,83 мл в секунду, без перекрестного загрязнения, поскольку смачивается только пробирка.

Опубликуйте 300 000 проверенных циклов с рабочим циклом 5 с вкл./3 с выкл. или результат теста с 600 000 циклов. Цифра в 480 000 циклов, циркулирующая в некоторых материалах, не имеет под собой никакого отчета об испытаниях.

Как тихий водяной насос и микронасос для подачи жидкости, он работает значительно ниже порогового уровня шума на рабочем месте, но акустический показатель необходимо повторно измерить в собранной системе охлаждения, напечатанной на 3D-принтере, прежде чем предлагать ее заказчику.

Часто задаваемые вопросы

Что такое водяное охлаждение для 3D-принтеров?

Это замкнутый контур, который отводит тепло от компонента (чаще всего от холодного конца хотэнда) через жидкость, а затем отводит это тепло через радиатор или резервуар за пределами корпуса. Вода переносит примерно в четыре раза больше удельной теплоты воздуха по массе, поэтому небольшой поток жидкости переносит гораздо больше тепла, чем та же масса воздуха, поэтому жидкостное охлаждение может поддерживать температуру сопла более стабильной, чем вентилятор в герметичной камере.

Нужна ли 3D-принтерам охлаждающая жидкость?

Нет. Большинство настольных принтеров имеют воздушное охлаждение и вообще не нуждаются в жидкости. Охлаждающая жидкость становится необходимой, когда машина работает внутри нагретой камеры, когда горячий конец работает на высоких скоростях потока или когда корпус герметично закрыт, поэтому при охлаждении вентилятором рециркулирует только теплый воздух. В этих случаях контур является выбором конструкции для обеспечения термостабильности, а не расходным материалом.

Насколько тих на самом деле работает перистальтический насос SC2201RPW?

Производитель замерил уровень ниже 60 дБ на расстоянии 30 см при напряжении 5 В постоянного тока, когда насос опирался на губку толщиной 5 см. Это тише, чем обычный разговор, и значительно ниже уровня 85 дБА, при котором начинаются программы по снижению шума на рабочем месте. Поскольку показатель не взвешен и получен на расстоянии 30 см, а не 1 м, перед сравнением с другим насосом попросите у поставщика показания по шкале А на расстоянии 1 м с виброизоляцией и без нее.

Может ли насос производительностью 20–50 мл/мин самостоятельно охладить хотэнд?

Для одного хотэнда это возможно, потому что водоблок должен только отводить тепло, передаваемое через тепловой разрыв. При скорости 50 мл/мин и повышении температуры на 10 К это составляет около 35 Вт транспортной мощности, а в руководстве по применению Skoocom указана скорость одного контура горячего конца 20-50 мл/мин. Он не может охладить два хотэнда, камеру, драйверы или станину; им нужен SC2301CPW с более высоким расходом.

Как долго SC2201RPW прослужит, прежде чем ему потребуется обслуживание?

Насос выполнил более 300 000 циклов при стандартном испытании на срок службы и до 600 000 циклов при расширенном испытании, как при 5-секундном режиме работы, так и при 3-секундном режиме остановки. Это около 667 часов и 1333 часов сцеживания соответственно. Трубка, а не двигатель, определяет, когда необходимо обслуживание, и производитель ожидает тысячи часов от силиконовой трубки при работе с охлаждающей жидкостью, но только от месяцев до года при работе с смолой.

В чем разница между SC2201RPW и SC2301CPW?

SC2201RPW — это компактный насос 3/5/8 В для дозирования 20–50 мл/мин. SC2301CPW — это насос с напряжением 24 В, производительностью 100 мл/мин или более и давлением 40–150 кПа, предназначенный для горячего охлаждения, автоматической заправки смолы и контуров очистки. Выбирайте SC2201RPW, когда необходимо точно разместить небольшой повторяемый объем; выбирайте SC2301CPW, когда контур должен поддерживать температуру или обслуживать более одного горячего конца.