Как выбрать систему подачи жидкости для 3D-принтеров? Комплексное руководство по сравнению перистальтических и шестеренных насосов

Прямой ответ: выбирайте режим работы, а не категорию насоса.

Выбирайте тип насоса по обязанности, а не по привычке. Используйте микроперистальтический насос для жидкостей с низкой вязкостью, чувствительных к сдвигу или критических к загрязнению при низком и умеренном давлении, а также микрошестеренный насос для вязких жидкостей, более высокого давления подачи или дозирования без импульсов. Перед заказом подтвердите напряжение, ток и стоимость изнашиваемых деталей.

Оба семейства представляют собой объемные насосы, поэтому оба создают поток, который практически не зависит от сопротивления на выходе. Все, что их разделяет, вытекает из одного конструктивного решения: как насос герметизирует зазор между входом и выходом.

Практическим следствием является то, что выбор насоса в системе подачи жидкости для 3D-печати — это не вопрос бренда и не вопрос цены. Это дежурный вопрос, на который отвечают пять переменных, которые вы можете измерить или прочитать в таблице данных. Практически каждое представленное на рынке решение по управлению жидкостью с помощью 3D-печати сводится к одному из этих двух семейств насосов, имеющих разные корпуса и классы напряжения.

Что на самом деле 3D-принтер требует от насоса?

3D-принтер выполняет четыре плавных задания, и они различаются больше, чем допускают большинство советов по выбору. Охлаждение Hotend работает непрерывно при низком расходе, заправка смолы осуществляется периодически при большем объеме, промывочная циркуляция осуществляется порциями с агрессивными жидкостями, а дозирование осуществляется точно при небольших объемах.

Создание профиля нагрузки в первую очередь — вот что удерживает строителя от покупки насоса, который решил чью-то проблему. В контуре охлаждения и дозирующей линии может использоваться одна и та же жидкость, но при этом требуются противоположные характеристики насоса.

Ползучесть тепла — это вид отказа, который чаще всего подталкивает разработчиков FDM к использованию жидкостного охлаждения. Нить размягчается выше зоны плавления, и экструзия прекращается в середине отпечатка, что, по данным исследования Prusa Research, является отдельной причиной сбоя экструзии в середине печати.

Жидкостное охлаждение выигрывает в физике, а не в моде. Вода переносит примерно в четыре раза больше удельной теплоты воздуха на килограмм: около 4,18 кДж/кг·К против примерно 1,0 кДж/кг·К. Таким образом, небольшой поток охлаждающей жидкости отводит гораздо больше тепла, чем большой поток воздуха, и радиатор может отводить это тепло за пределы обогреваемой камеры.

Заправка смолы — другая проблема при том же списке оборудования. Поскольку приостановка печати для пополнения чана оставляет след в момент перезапуска, заправочный насос должен работать без присмотра, что делает определение уровня и повторяемую подачу небольших объемов конструктивными ограничениями.

Дозирование – самая трудная обязанность. Экструзия пасты и чернил — это процесс прямого вытеснения, управляемый давлением, а размер двигателя насоса обычно определяется крутящим моментом, а не расходом, поэтому эти системы проектируются как оси движения со своими собственными приводами.

Для сборок, в которых контур подачи жидкости является лишь одной частью машины, выбирайте насос рядом с остальным оборудованием, а не прикручивайте его болтами на конце. ПроизводительПрименение насосов для 3D-принтеровНа странице перечислены семейства насосов, уже используемые на платформах принтеров.

Как перистальтические и шестеренные насосы по-разному перемещают жидкость?

Оба являются объемными насосами и различаются способом уплотнения. Микроперистальтический насос сжимает трубку, закрывающуюся роликами, поэтому уплотнение становится механическим, и жидкость остается внутри трубки. Микрошестеренчатый насос улавливает жидкость между сцепляющимися зубьями и герметизирует пленку жидкости в собственных зазорах.

В перистальтическом насосе ролики или башмаки сжимают трубку при вращении, создавая вакуум, который втягивает жидкость. Полное закрытие трубки в точке окклюзии — это то, что придает насосу положительное вытесняющее действие: оно предотвращает обратный поток без какого-либо обратного клапана, и ничего, кроме трубки, никогда не касается жидкости.

Техническим следствием является то, что покупка перистальтического насоса на самом деле представляет собой выбор трубки. Силиконовые и другие эластомерные трубки определяют химическую совместимость, температурный диапазон и интервал технического обслуживания, а замена трубки является расходным мероприятием, а не ремонтом.

В шестеренчатом насосе уплотнение происходит внутри насосной камеры. Микронасос описывает три области динамического уплотнения: кончики зубьев шестерни прилегают к стенке полости, точку, где две шестерни зацепляются и смыкаются, а также сопрягаемые поверхности шестерен, корпус и торцевую крышку.

Поскольку эти детали должны двигаться, должны существовать зазоры, и жидкость вытекает обратно из выпускного отверстия высокого давления во впускное отверстие низкого давления. Эта обратная утечка называется проскальзыванием и является основным фактором объемного КПД шестеренного насоса.

Прочтите оба механизма вместе, и остальная часть сравнения будет выполнена автоматически. Вязкость доминирует в поведении шестеренного насоса и практически не влияет на перистальтическое уплотнение. Давление нагнетания преобладает над перистальтической способностью и достигает шестеренного насоса только через скольжение. Вопрос о смачиваемом материале сводится к одной эластомерной трубке в одном семействе и распространяется на несколько металлических и полимерных деталей в другом.

Коммерческие диапазоны отражают это разделение. Скукомсерия микроперистальтических насосовсоздан для подачи с низким расходом, низким давлением и без загрязнений, в то время как конструкция шестеренного насоса рассчитана на регулируемый поток при более высоком давлении.

Какой насос перекачивает вашу жидкость? Вязкость, сдвиг и истирание

Вязкость решает все. Микроперистальтический насос выдерживает практически любую вязкость, поскольку его уплотнение не зависит от жидкости. Микрошестеренчатому насосу необходима достаточная вязкость, чтобы пленка жидкости герметизировала зазоры, и он теряет объемную эффективность по мере разжижения жидкости.

Шестеренчатые насосы охватывают очень широкий диапазон вязкости по каталогу: насосы Viking оценивают модели с регулируемым зазором от 1 до 440 000 сСт. Рабочий диапазон любого отдельного насоса намного уже, поскольку его зазоры фиксированы для одного диапазона жидкости. Скольжение увеличивается по мере увеличения перепада давления, снижения вязкости и износа шестерен, поэтому два одинаковых насоса могут перекачивать разные объемы двух разных жидкостей.

Сдвиг – второй фильтр. Зубчатое зацепление вызывает сильный сдвиг в зоне контакта, который безвреден для пасты с наполнителем и может повредить разжижающийся при сдвиге фотополимер, эмульсию или биологический реагент. Путь трубки перистальтического насоса по своей природе более мягкий, и он никогда не подвергает жидкость воздействию горячей или быстро движущейся металлической поверхности.

Истирание – третье. Твердые керамические или металлические частицы изнашивают наконечники шестерен и пластины полости, и этот износ проявляется в падении объемного КПД, который невозможно откалибровать повторно. В перистальтическом насосе те же частицы истирают трубку, но трубка предназначена для замены, и ее стоимость составляет долю напора насоса.

Химическая совместимость дополняет картину. В перистальтическом насосе единственной смачиваемой частью является трубка, поэтому вопрос совместимости является одним из решений по материалу. В шестеренчатом насосе жидкость встречается с шестернями, валом, подшипниками и корпусом, поэтому агрессивная жидкость может вывести из строя шестеренчатый насос еще до того, как будет рассмотрена его производительность.

Одно предостережение относится ко всей таблице. Вязкость должна указываться при скорости сдвига, которую фактически производит насос, и при рабочей температуре, поскольку большинство этих жидкостей неньютоновские, и их измеренная вязкость изменяется в обоих случаях. Одна цифра, взятая с неправильной скоростью сдвига, может переместить жидкость через две строки этой таблицы.

Точность пульсации и дозирования: какой насос удерживает заданное значение?

Микрошестеренчатый насос лучше удерживает заданное значение. Его расход пропорционален скорости и практически не зависит от давления на выходе, поэтому подаваемый объем соответствует расчетному объему. Перистальтический насос обеспечивает тот же средний поток, но с импульсом на каждый проход ролика.

Частота пульсации задается количеством роликов, умноженным на скорость вращения, поэтому головка с десятью роликами, работающая со скоростью 60 об/мин, производит десять импульсов в секунду. Большее количество роликов уменьшает амплитуду каждого импульса, но увеличивает утомляемость каждой секции трубки - сделка, которую разработчик насоса уже сделал для вас.

Пределом точности шестеренного насоса является скольжение, а не пульсация. Подаваемый объем равен геометрическому смещению на оборот за вычетом жидкости, которая просачивается обратно, а объем утечки увеличивается с увеличением перепада давления. Таким образом, шестеренный насос наиболее точен при известном и стабильном противодавлении.

Приложение решает, какой эффект имеет значение. Контуры охлаждения выдерживают как пульсацию, так и умеренную погрешность потока, поскольку тепловая масса хотэнда и радиатора сглаживает любые колебания. Наполнитель смолы заботится о подаваемом объеме, а не о пульсации, поскольку доливка 50–100 мл со скоростью 20–50 мл/мин занимает от одной до двух с половиной минут, и никто не наблюдает за формой волны потока.

Дозирование пасты и чернил учитывает оба фактора. Импульс давления проявляется в виде дефекта поверхности или изменения ширины следа. Ошибка в поставленном объеме проявляется в погрешности размеров готовой детали. Вот почему эти системы обычно строятся на основе объемного насоса, приводящегося в движение как ось движения.

Какой насос подойдет к плате вашего принтера и бюджету мощности?

Проверьте напряжение, затем ток, затем каскад драйвера. Ни один из насосов не подключается к контакту MCU: контакт переключает затвор, и ток поступает с шины принтера. Оба лучше всего работают на выходе ШИМ, который можно ограничить безопасным режимом работы.

Электрическая сторона выбора сводится к тому, какой рельс сможет нести нагрузку. Плата принтера имеет тяжелую шину постоянного тока, которая питает станину, горячий конец и вентиляторы, а также слаботочную логическую область для микроконтроллера и датчиков. Только тяжелая направляющая имеет достаточно места для работы водяного насоса 3D-принтера, а вывод MCU никогда не является частью цепи питания.

Класс напряжения не прогнозирует потребление тока. Мощность представляет собой напряжение, умноженное на ток, поэтому перистальтический насос с напряжением 5–6 В, обеспечивающий скорость до 100 мл/мин, потребляет около 500 мА, а насос с напряжением 12 В того же класса расхода потребляет 200–300 мА. Выбор насоса с более низким напряжением для более бережного обращения с электроникой обычно усложняет, а не облегчает проблему с электричеством.

ШИМ — это обычный регулятор скорости для обоих семейств. Поддерживайте время цикла в миллисекундном диапазоне и установите значение кикстарта, чтобы насос не мог остановиться при низкой команде. Klipper предоставляет Cycle_time, Kick_start_time и Off_Below в своих секциях вывода и вентилятора, а Marlin управляет выходами типа вентилятора через M106.

Обязательно добавьте защиту на ветку насоса. Обратный диод на двигателе, предохранитель, рассчитанный на ветвь, а не на рабочий ток насоса, и драйвер, рассчитанный на ток остановки, — все это стоит очень мало. Вместе они не дают заклинившему насосу снести доску вместе с ней.

Сколько стоит каждый насос в течение срока его службы?

Сравнивайте изнашиваемую часть, а не цену покупки. Регулярные затраты на перистальтический насос — это трубки; Шестеренный насос не имеет расходных трубок, но его смачиваемый комплект шестерен должен выдерживать воздействие жидкости в течение всего срока службы, а его точность зависит от зазоров, которые изнашиваются абразивами.

Срок службы трубки зависит от режима эксплуатации. Быстрая работа насоса, работа под высоким давлением и перекачивание агрессивной жидкости — все это приводит к его сокращению, а трубка, которая стала плоской или мягкой, обеспечивает меньший поток, прежде чем она выйдет из строя. Сама задача обслуживания проста и не требует инструментов, поэтому перистальтические конструкции популярны в машинах, не требующих обслуживания. Решения по автоматическому 3D-печати для контроля жидкости включают в график технического обслуживания изнашиваемую деталь, а не насос.

Заявленный срок службы следует рассматривать вместе с условиями испытаний. Производители указывают срок службы в прерывистом цикле, обычно по схеме 5 секунд включения и 3 секунды выключения, что именно так работает заправочный насос, а совсем не так, как работает охлаждающий насос. Преобразование циклов в годы – единственное честное сравнение:

Насос, рассчитанный на более чем 300 000 циклов при включении 5 с и выключении 3 с, используемый для десяти заправок в день, рассчитан примерно на 30 000 дней такой работы, что намного превышает срок службы машины, на которой он установлен.

Тот же насос, работающий непрерывно в качестве охлаждающего насоса, имеет гораздо более короткий срок службы, поскольку при непрерывной работе изнашивается трубка, а не количество пусков.

Опубликованные данные для одной и той же модели могут не совпадать; если да, запланируйте меньшее число и сверьте его с техническим описанием, прилагаемым к полученной вами детали.

Шестеренные насосы обменивают эти расходные материалы на другой риск. Нет необходимости менять трубку, а на чистой, совместимой и достаточно вязкой жидкости насос может работать годами. Однако абразивные твердые частицы уменьшают зазоры, а вместе с ними и объемный КПД, а изношенный комплект шестерен является скорее заменой насоса, чем предметом обслуживания.

Рабочий пример: параметры SC2201RPW и производительность SC2301CPW

Два опубликованных набора данных показывают, к чему привело это решение. SC2201RPW — это микроперистальтический насос с низким расходом для заправки смолы, дозирования охлаждающей жидкости и очистителя; SC2301CPW — это насос на 24 В с более высоким расходом для охлаждения хотэндов и больших контуров заправки.

Начните сМикроперистальтический насос SC2201RPW, чьи опубликованные данные описывают компактный дозирующий насос, а не циркуляционный насос.

Показатели производительности SC2301CPW относятся к другому классу, и эта разница является намеренной, а не постепенной.

Одно практическое предупреждение применимо к обеим моделям и ко всем номерам деталей на этом рынке. Принцип накачки — это поле в таблице данных, а не то, что можно расшифровать по номеру модели.

SC2201RPW на странице продукта описан как перистальтический насос, однако в списках некоторых сторонних производителей эта же модель описывается как шестеренный насос. В опубликованных материалах по SC2301CPW используются оба описания в разных статьях.

Прежде чем проектировать гидравлический контур на основе номера детали, подтвердите три поля в текущей таблице технических данных: тип или конструкция насоса, смачиваемые материалы и условия испытаний, соответствующие номинальным расходам и давлениям. Значение расхода, указанное без давления и напряжения, не является спецификацией.

Процедура отбора в пять шагов

Выполните эти пять шагов по порядку, и класс насоса выберет сам. Напишите рабочую точку, охарактеризуйте жидкость, решите, имеет ли значение пульсация, спланируйте электрическую часть, а затем выберите стратегию в отношении изнашиваемых деталей.

Напишите место службы. Запишите жидкость, объем, перемещаемый за цикл, отведенное время и необходимое давление в точке доставки. Требование, установленное как достаточный расход, не может быть проверено.

Охарактеризуйте жидкость. Измерьте вязкость при рабочей температуре и скорости сдвига насоса, отметьте содержание твердых частиц и твердость частиц и проверьте химическую совместимость со смачиваемыми материалами каждого кандидата.

Решите, имеет ли значение пульсация. Режимы охлаждения и дозаправки игнорируют это; паста, чернила и любая доза, которая появится в готовой детали, этого не делают.

Запланируйте электрическую часть. Подтвердите напряжение на шине, доступный ток, ступень драйвера и необходимость управления скоростью ШИМ, затем добавьте предохранитель и обратноходовой диод.

Выберите стратегию изнашиваемых деталей. Решите, кто будет заменять трубку и как часто, или убедитесь, что жидкость достаточно чистая и совместимая, чтобы шестеренный насос мог работать без нее.

Затем купите насос, технические характеристики которого совпадают, а не тот, у которого самый длинный список функций.линейка водяных насосов микро постоянного токаохватывает оба семейства, и сопоставление класса напряжения и требований к давлению с рабочей точкой происходит быстрее, чем сравнение маркетинговых копий.

Часто задаваемые вопросы

Что лучше для охлаждения 3D-принтера: перистальтический насос или шестеренный насос?

Перистальтический насос является более безопасным вариантом для контура охлаждения. Он самовсасывающий, не может просачиваться через уплотнение вала, поскольку жидкость никогда не покидает трубку, а на ее поток не влияет вязкость охлаждающей жидкости. Шестеренчатый насос одинаково эффективен, если охлаждающая жидкость чистая, не содержит абразивных частиц, а противодавление в контуре стабильно, что обеспечивает подачу без пульсаций.

Могу ли я запустить водяной насос 3D-принтера через порт вентилятора на материнской плате?

Часто да, если рейтинг порта это позволяет. Порт вентилятора — это выход с МОП-транзистором на главной шине питания, что является правильной архитектурой, но порт может быть рассчитан на небольшой осевой вентилятор, а не на насос, потребляющий несколько сотен миллиампер. Проверьте номинал порта, добавьте предохранитель и используйте порт с ШИМ-управлением, если вам нужен контроль скорости.

Какой поток на самом деле необходим хотэнду с водяным охлаждением?

Меньше, чем ожидает большинство строителей, но с запасом по давлению. Одноконтурная петля с горячим наконечником обычно удовлетворяется скоростью 20–50 мл/мин, поэтому насос с производительностью 100 мл/мин или более дает запас для машины с двойным горячим наконечником и для устойчивости длинного трубопровода. Давление имеет большее значение, чем пиковый расход, поскольку водоблок и быстроразъемные фитинги устанавливают противодавление.

Какой насос следует использовать для заправки смолы SLA?

Микроперистальтический насос подходит для заправки смолы без присмотра, поскольку смола остается внутри трубки, поэтому из насоса не требуется вычищать затвердевшую смолу, а замена трубки — это короткая задача, не требующая использования инструментов. Микрошестеренчатый насос выигрывает, когда смола вязкая и не имеет импульсов, важны повторяемые небольшие объемы - при условии, что смачиваемые материалы устойчивы к фотополимеру и впускное отверстие остается затопленным.

Почему шестеренный насос теряет точность при работе с жидкими жидкостями?

Потому что жидкость – это уплотнение. Шестеренный насос опирается на тонкую пленку жидкости внутри зазоров между наконечниками шестерен, стенками полости и торцевыми пластинами. Жидкость с низкой вязкостью быстрее выходит через эти зазоры, поэтому большая часть вытесненного объема утекает обратно во входное отверстие, а подаваемый объем не соответствует расчетному объему.

Какое обслуживание необходимо каждому насосу?

Перистальтический насос требует замены трубки по графику, определяемому скоростью, давлением и жидкостью, а также проверке чистоты и отсутствия повреждений роликов и направляющих. Шестеренчатому насосу не нужны расходные материалы для трубок, но ему необходим фильтр на впуске, затопленный впускной патрубок или одинарная заливка, а также периодические проверки подаваемого объема в качестве показателя внутреннего износа.

Отправьте свою рабочую точку — жидкость, рабочую вязкость, объем за цикл, давление нагнетания и напряжение на рампе — черезсвязаться с намиКласс насоса и ступень привода могут быть подтверждены перед покупкой.