От чернил низкой вязкости к керамическим пастам высокой вязкости: определение границы выбора между шестеренчатыми и перистальтическим насосами для специальных жидкостей для 3D-печати

Граница обработки жидкости между шестеренчатым насосом и перистальтическим насосом находится там, где жидкость перестает течь под всасыванием и начинает нуждаться в давлении для перемещения. При давлениях ниже примерно 1000 мПа·с более безопасным вариантом является перистальтический трубочный насос. При давлениях примерно 10 000 мПа·с шестеренный насос удерживает давление и измеряет его без пульсаций. Между тем, совместимость жидкостей – истирание, сдвиг и размер частиц – решает, какой насос выдержит нагрузку.

Ключевые выводы

Диапазон вязкости специальных жидкостей для 3D-печати охватывает более пяти порядков: керамические чернила для струйной печати выбрасываются со скоростью 10–40 мПа·с, тогда как опубликованные пасты для роботизированного литья имеют вязкость от 2 × 10⁵ мПа·с при скорости сдвига при печати до 2,6 × 10⁷ мПа·с.

Шестеренчатый насос уплотняет саму жидкость. Скольжение увеличивается по мере падения вязкости, поэтому тонкие чернила теряют точность дозирования, пока не будут уменьшены зазоры, не будет поддерживаться низкий перепад давления и не будут отфильтровываться твердые частицы.

Перистальтический насос герметизирует трубку, поэтому герметизация практически не зависит от вязкости. Давление является предельным: трубочные насосы достигают около 3–7 бар, роликовые головки — до 8 бар, а башмачные шланговые — около 15 бар.

Пригодность материала наиболее четко определяется по истиранию и сдвигу. Керамические частицы изнашивают наконечники и пластины шестерен, а перистальтическая изнашиваемая часть представляет собой недорогую трубку; Чувствительные к сдвигу чернила предпочитают путь трубки с низким сдвигом.

В данном руководстве по выбору рекомендуются перистальтические насосы для маловязких, чувствительных к сдвигу или стерильных жидкостей, а также шестеренные насосы для дозирования высокой вязкости, высокого давления или безимпульсного дозирования.

Какой диапазон вязкости фактически охватывает каждый тип насоса?

Шестеренчатые насосы охватывают самый широкий диапазон вязкости — насосы Viking оценивают модели с регулируемым зазором от 1 до 440 000 сСт, в то время как перистальтические трубочные насосы перерабатывают жидкости от маловязких до умеренно вязких, а насосы с усиленными шлангами работают с жесткими средами с содержанием твердых частиц при более низком давлении.

Используемый диапазон уже, чем предполагает любое техническое описание, поскольку возникают сразу два вопроса: как жидкость влияет на насос (износ, коррозия, усталость трубок) и как насос влияет на жидкость (сдвиг, пульсация, загрязнение). Для специальной жидкости для 3D-печати это отображение выглядит как таблица 1.

Откуда берется граница обращения с жидкостью

В двух семействах насосов используются противоположные стратегии уплотнения. Шестеренчатый насос образует три динамических уплотнения внутри головки насоса и опирается на пленку жидкости внутри зазоров, которая отделяет выпускное отверстие высокого давления от впускного отверстия низкого давления. Перистальтический насос никогда не позволяет жидкости достичь уплотнения: ролики или башмаки сжимают трубку, и жидкость перемещается внутри закрытого кармана.

Это единственное различие объясняет всю границу. Вязкость доминирует над поведением шестеренного насоса и практически не влияет на перистальтическое уплотнение; Давление нагнетания в первом случае устанавливается напором насоса, во втором — трубкой.

Почему шестеренные насосы теряют точность дозирования чернил с низкой вязкостью?

Шестеренчатый насос уплотняется пленкой жидкости внутри своих зазоров. Когда жидкость разжижена, большая часть ее просачивается обратно из выпускного отверстия в впускное (проскальзывание), поэтому подаваемый объем падает ниже теоретического рабочего объема, а ошибка изменяется в зависимости от перепада давления и износа шестерни.

Микронасос описывает три области динамического уплотнения в шестеренном насосе: кончики шестерен прилегают к стенке полости, точка зацепления двух шестерен и сопрягаемые поверхности, где шестерни встречаются с корпусом и торцевой крышкой. Зазоры неизбежны, поскольку детали должны двигаться, поэтому часть жидкости всегда перерабатывается внутри.

Скольжение не является фиксированным числом. Ситуация ухудшается по мере увеличения перепада давления, уменьшения вязкости и износа шестерен. Вот почему два одинаковых насоса могут подавать разные объемы двух разных чернил и почему кривая зависимости расхода от давления шестеренного насоса изгибается при повышении давления.

Производители отвечают стратегией очистки, а не одной спецификацией. Viking Pump предлагает регулируемые зазоры в диапазоне от 1 до 440 000 сСт, поэтому одно семейство насосов может быть изготовлено герметичным для жидких жидкостей или свободным для тяжелых паст. В микронасосе используется нагруженный давлением всасывающий башмак, который закрывается при повышении перепада давления, обеспечивая почти нулевое проскальзывание на протяжении всего срока службы шестерни.

Для чернил низкой вязкости соблюдаются три правила. Поддерживайте низкий перепад давления, поскольку скольжение обусловлено давлением. Фильтруйте твердые частицы размером до 5 мкм, поскольку износ приводит к образованию зазоров и постоянному повышению скольжения. И питайте насос через затопленное впускное отверстие: шестеренные насосы не являются самовсасывающими и никогда не должны работать всухую. Там, где эти правила не могут быть соблюдены, перистальтический насос является более стабильным выбором для дозирования, поскольку его вытесняемый объем устанавливается трубкой, а не зазором.

Почему перистальтические насосы перестают работать с высоковязкой пастой?

Потому что трубка — это сосуд под давлением. Перистальтический насос создает давление путем сжимания шланга или трубки, поэтому давление нагнетания, которого он может достичь, ограничено прочностью и усталостным ресурсом этой трубки, а не жидкостью.

Два перистальтических класса имеют разные потолки. Прецизионные трубочные насосы созданы для низкого давления и дозирования: Verderflex Ds500 обеспечивает производительность до 30 л/ч при максимальном давлении нагнетания 7 бар, а серия Microdos OEM рассчитана на давление 3 бар. Насосы с армированными шлангами идут дальше: Verderflex Dura достигает производительности 55 000 л/ч и давления до 16 бар с точностью дозирования ±1 % и высотой всасывания 9,5 м. Остальное задает конструкция головки насоса: роликовые головки выдерживают давление до 8 бар, а башмачные головки распределяют нагрузку по большей площади и предпочтительны для более высоких давлений, примерно до 15 бар, и для более вязких жидкостей.

Перекачивание вязкого материала также затрудняет фазу всасывания. Перистальтический насос всасывает жидкость, когда сжатый шланг пружинит; паста с пределом текучести сопротивляется такому восстановлению и может образовывать кавитации вместо того, чтобы заполнять трубку. Поэтому для работы с высокой вязкостью требуется подача затопленной жидкости или под давлением, а не высота всасывания, даже несмотря на то, что насос легко самовсасывается в жидких жидкостях.

Последним ограничением является сама трубка. Перистальтические шланги выходят из строя из-за усталости армирующего слоя, и поток снижается по мере старения трубки. Рекомендации AxFlow по выбору заключаются в том, чтобы увеличить размер насоса и замедлить его работу, что увеличивает срок службы трубки за счет увеличения напора насоса. Когда насадке требуется большее давление, чем может выдержать трубка, перистальтический вариант не применяется: экструзия пасты перемещается в экструдер прямого вытеснения, питаемый поршнем или поршнем, где давление создает крутящий момент, а не сила трубки.

Как определяется совместимость жидкости между двумя типами насосов?

Чувствительность к истиранию и сдвигу тянут в противоположных направлениях. Твердые керамические частицы разрушают шестеренные насосы с малым зазором, но изнашивают только перистальтическую трубку; Чувствительные к сдвигу чернила выдерживают воздействие перистальтического насоса, но могут быть повреждены внутри зазоров шестеренного насоса.

Керамический порошок твердый, поэтому Micropump рекомендует осуществлять фильтрацию с размером частиц до 5 мкм, если частицы твердые: эти частицы ускоряют износ внутри шестеренного насоса. В состав чернил для роботизированного литья входит более 40 об.% керамического порошка, размеры частиц которого намного превышают номинал фильтра, поэтому прецизионный шестеренный насос не может быть защищен при выполнении этой задачи без замены чернил. Там, где сегодня в керамике используются шестеренные насосы, они подают мелкие пигментные чернила к печатающим головкам цифровых принтеров для плитки, и именно по этой причине поставщики выбирают устойчивые к истиранию материалы для насосов.

Сдвиг – это вторая ось. Перистальтические насосы описываются их поставщиками как устройства с низким сдвиговым усилием, поскольку жидкость проталкивается через трубку, а не через узкие зазоры - требование для чувствительных к сдвигу полимеров, гелей и биочернил, насыщенных клетками. Шестеренчатый насос подвергает жидкость сильному сдвигу на концах шестерен и в сетке, что приемлемо для пигментированных чернил и паст, но рискованно для чувствительных к сдвигу систем.

Контроль загрязнения является третьим. В перистальтическом насосе жидкость контактирует только с трубкой, поэтому перекрестное загрязнение исключается и становится возможным одноразовый путь прохождения жидкости - причина, по которой перистальтические насосы доминируют при работе со стерильными жидкостями. Шестеренчатый насос подвергает жидкость воздействию шестерен, пластин и уплотнений, поэтому проверка очистки, мертвый объем и совместимость материалов становятся частью конструкции.

Температура устанавливает практическое окно. Компания Verderflex оценивает трубки Verderprene от +10 до +85 градусов, а силикон, отвержденный платиной, от −20 до +80 градусов с одобрением класса VI USP и не рекомендует перекачивать жидкости с температурой выше 85 градусов. Шестеренные насосы со смачиваемыми деталями, изготовленными из нержавеющей стали, ПТФЭ, Райтона или ПЭЭК, не ограничены пределом упругости трубки.

Шестеренчатый насос и перистальтический насос: прямое сравнение типов насосов

На дежурстве раскол чистый. Перистальтические насосы выигрывают за счет самовсасывания, сухого хода, низкого сдвига и одноразового прохождения жидкости. Шестеренные насосы выигрывают за счет давления, безимпульсного потока и стабильности дозирования в густых средах с высоким содержанием твердых частиц.

В специализированной системе 3D-печати два типа насосов часто комбинируются, а не выбираются между ними. Перистальтический насос дозирует или рециркулирует жидкость из резервуара, поскольку он легко справляется с всасыванием, твердыми частицами и загрязнениями, в то время как шестеренный насос обеспечивает давление и безимпульсный поток, необходимый соплу или печатающей головке. Тогда возникает граничный вопрос, какой насос будет выполнять функцию дозирования.

Если жидкость жидкая и допуск дозирования умеренный, перистальтический насос должен справиться с этим. Если жидкость густая, абразивная или ее необходимо подавать под давлением в небольшое отверстие, этим должен владеть шестеренный насос, а любой перистальтический насос в контуре следует рассматривать как подающий насос.

Какие свойства жидкости, помимо вязкости, смещают границу?

Предел текучести, загрузка твердых частиц, размер и форма частиц, температура, тиксотропия и рабочий цикл — все это смещает допустимую границу — иногда на порядок величины в любом направлении.

Как мне настроить путь подачи жидкости для каждого типа насоса?

Охарактеризуйте жидкость при температуре печати и скорости сдвига, которую будет наблюдать насос, зафиксируйте рабочую точку, а затем выберите насос, который удовлетворяет обоим требованиям. Десять шагов охватывают большинство специальных жидкостей для 3D-печати.

Измерьте кажущуюся вязкость при более чем одной скорости сдвига, при температуре, которой достигнет жидкость в насосе. Используйте ротационный метод для неньютоновских материалов (ISO 3219-2, ASTM D2196) и метод с высоким сдвигом с использованием конуса и пластины, при котором жидкость проходит через небольшое отверстие (ASTM D4287). Проточная чаша (ISO 2431) подходит только для быстрой проверки в цеху чернил, близких к Ньютоновским.

Преобразуйте единицы измерения перед сравнением каталогов. Кинематическая и динамическая вязкость связаны удельным весом: сСт × удельный вес=сП, и сП ÷ удельный вес=сСт.

Зафиксируйте рабочую точку: требуемую скорость потока, требуемое давление на сопле или печатающей головке и условия вокруг резервуара.

Применяйте граничные правила по порядку: сначала диапазон вязкости, затем истирание, сдвиг и стерильность. Таблица 1 является отправной точкой.

Для перистальтического насоса размер выше рабочей точки и медленнее; Срок службы трубки увеличивается по мере снижения скорости ротора.

Если перистальтический насос питает сопло, установите демпфер пульсаций; равномерный, постоянный расход защищает последующие компоненты.

Для шестеренного насоса спроектируйте затопленное впускное отверстие и никогда не запускайте его всухую. Добавьте путь разгрузки, поскольку скольжение и давление в системе изменяются при любом ограничении на выходе.

Укажите фильтрацию по твердости частиц - 5 мкм для твердых частиц, более грубую только для мягких частиц и убедитесь, что содержание твердых частиц в чернилах находится ниже предельного значения.

Выбирайте состав трубки или шланга с учетом химических, температурных и нормативных требований и помните о практическом потолке в 85 градусов.

Калибруйте на печатающей головке, а не на выходе насоса, и проверяйте повторно по мере старения трубки, поскольку перистальтический поток снижается по мере усталости трубки.

Какой насос выбрать для жидкости для 3D-печати?

Выбирайте перистальтический вариант для жидких, чувствительных к сдвигу или стерильных жидкостей при умеренном давлении и редуктор для густых, абразивных или высоких давлений. Пять правил решают большинство случаев.

Менее 1000 мПа·с, без абразивных твердых частиц и при умеренном давлении: перистальтический трубочный насос. Он измеряет объем трубки, хорошо переносит жидкие жидкости и удерживает жидкость внутри трубки.

Менее 1000 мПа·с, но жидкость необходимо впрыскивать в печатающую головку под давлением: шестеренчатый насос с малым зазором, фильтрацией 5 мкм, низким перепадом давления и гравиметрической калибровкой.

От 1000 до 10 000 мПа·с с мягкими или растворенными твердыми частицами: шестеренный насос, поскольку вязкость теперь герметизирует зазоры, а безимпульсный поток улучшает осаждение.

Свыше 10 000 мПа·с с твердыми керамическими частицами: шестеренный насос только в том случае, если конструкция допускает износ и затопленную подачу; в противном случае это экструдер прямого вытеснения с поршневой подачей, поскольку трубчатые насосы находятся за пределами своего диапазона давления.

Стерильный, одноразовый или критический для перекрестного загрязнения: перистальтический насос с трубкой класса VI USP, при любой вязкости в пределах номинального давления трубки.

Если вы определяете путь прохождения жидкости для экструзии пасты или струйной подачи материала, наши инженеры могут проанализировать выбор насоса, устройство подачи и интерфейс печатающей головки в соответствии с вашими данными о жидкости. Поделитесь реологической кривой и рабочей точкой через нашуслуги 3D-печатистраница илизапросить цену, и мы подтвердим, какой тип насоса должен иметь функцию дозирования.

Часто задаваемые вопросы

Может ли перистальтический насос справиться с керамической пастой?

В пределах. Шланговые насосы перекачивают жесткую среду, содержащую твердые частицы, но только при том давлении, которое может выдержать шланг: модели Verderflex Dura среднего класса достигают давления 12 бар и пропускают частицы размером до 2,5 мм. Прецизионный трубчатый насос — это другой случай: для роботизированного литья пасты с высоким содержанием твердых частиц требуется большее давление, чем может обеспечить трубка, поэтому для экструзии пасты обычно используется плунжерная или поршневая подача.

Может ли шестеренный насос работать с чернилами низкой вязкости?

Да, но точность зависит от конструкции. Скольжение увеличивается по мере снижения вязкости, поэтому задавайте узкие зазоры, поддерживайте низкий перепад давления и фильтруйте твердые частицы размером до 5 мкм. Будьте готовы к калибровке печатающей головки, а не доверяйте теоретическому значению смещения.

Какая вязкость является слишком высокой для перистальтического насоса?

Единого числа не существует, поскольку реальным пределом является давление, а не вязкость. Трубочный насос, рассчитанный на давление 3–7 бар, перестает быть практичным, когда для перемещения жидкости требуется большее давление, чем может выдержать трубка. Жесткая керамическая паста класса 10⁵ мПа·с превосходит трубочные насосы, а шланговые насосы справляются с ней только при пониженном расходе.

Какой насос лучше подходит для абразивных керамических суспензий?

Перистальтический шланговый или трубочный насос, поскольку единственной изнашиваемой деталью является шланг или трубка, и ее регулярно заменяют, поэтому зазор не требуется. Шестеренчатые насосы могут перекачивать абразивные жидкости, но из-за износа возникают зазоры и постоянно увеличивается скольжение, поэтому для твердых частиц рекомендуется фильтрация с размером пор 5 мкм.

Как измерить вязкость при выборе насоса?

Используйте ротационный реометр или вискозиметр для неньютоновских жидкостей (ISO 3219-2, ASTM D2196), метод с высоким усилием сдвига с помощью конуса и пластины, при котором жидкость проходит через небольшое отверстие (ASTM D4287) и расходную чашку (ISO 2431) только для быстрого сравнения чернил, близких к ньютоновским. Всегда сообщайте температуру и скорость сдвига вместе со значением.

Повреждают ли шестеренные насосы жидкости, чувствительные к сдвигу?

Они могут. Жидкость, проходящая через зазоры и зубчатое зацепление, подвергается сильному сдвигу, поэтому перистальтические насосы рекомендуются для чувствительных к сдвигу продуктов, таких как гели, полимеры и клеточные культуры. Для пигментных чернил и керамических паст сдвиг не является проблемой.

Итог

Границей между шестеренными и перистальтическим насосами является граница давления, выраженная в терминах вязкости: перистальтические насосы уплотняются механически, но не могут развивать высокое давление, тогда как шестеренные насосы создают давление, но уплотняют только настолько, насколько позволяет жидкость. Сопоставьте вязкость, абразивность и сдвиг с этими ограничениями, а затем проверьте, выполнив калибровку печатающей головки.