Рідинні системи 3D-принтерів: зміна автоматизації мікронасосів

Рідинна система 3D-принтера — це трубопровід, який дозволяє машині друкувати без оператора: петлі охолоджуючої рідини, лінії подачі смоли та контури промивання, кожен з яких приводиться в дію мікронасосом. Автоматика працює лише тоді, коли розмір насоса відповідає тій рідині, яку він фактично бачить. У цьому посібнику розповідається про те, що було справді автоматизовано, що повинен забезпечити насос і де існують обмеження.

1. Від насосів приладів до рідинних систем принтера

Мікронасоси, які зараз встановлюються всередині 3D-принтерів, не були розроблені для 3D-друку. Вони були розроблені для роботи з побутовою технікою — роботів для підмітання, кавомашин, диспенсерів води, медичних і косметичних приладів — і промисловість принтерів прийняла їх, оскільки основна вимога ідентична: переміщайте невеликий, повторюваний об’єм рідини через вузьку доріжку, тихо, роками, без забруднення.

Те, що публікується, є шаблоном передачі програми, а не єдиною історією походження. У каталозі того самого виробника перераховані перистальтичні насоси для роботів-підмітачів, системи подачі води для кавомашин, диспенсери для води, а тепер і рідини для 3D-принтерів. Номінальні параметри переміщаються з насосом; робочий цикл, рідина та вимоги до точності цього не роблять.

Таблиця 1. Задокументовані передачі програми через ту саму платформу мікронасосів.

Джерела: сторінки продукту виробника та примітки щодо застосування, зазначені в посиланнях.

Три речі змінюються, коли насос перетворюється на принтер. Робота стає повторюваною, а не випадковою, тому термін служби та знос трубки переміщуються на передню частину специфікації. Рідина стає агресивною або чутливою - фотополімерна смола, ізопропіловий спирт, охолоджуюча рідина - тому зволожені матеріали вирішують дизайн. І об’єм стає заданим значенням, а не подачею: доповнення, яке перевищує норму, є розливом, а доза, яка дрейфує, є невдалим нарощуванням.

2. Що насправді автоматизує принтер

Сьогодні на виробничих принтерах справді автоматизовано три функції, кожна з яких перетворює ручне завдання на потребу в роботі з рідиною. У рідинній системі 3D-друку кожна з них виконує роботу з іншою рідиною, різним об’ємом на подію та різним допуском до помилок. Усе інше, що називається автоматизацією принтера, — це керування рухом або обробка даних без рідкого вмісту.

2.1 Автоматична подача та наповнення

Найяскравіший випадок - заправка смоли на кубових фотополімеризаторах. Мікронасос у поєднанні з фотоелектричним датчиком рівня та невеликим контролером наповнює ємність на 50-100 мл щоразу, коли рівень падає, що дозволяє завершити нічне будівництво без оператора. Оскільки рідина залишається всередині трубки, затверділа смола ніколи не накопичується в корпусі насоса, і трубка є єдиною частиною, яку потрібно замінити.

Для екструзії матеріалу автоматизована подача 3D-друку означає подачу ниток або гранул, а не рідини. Цей обов’язок не входить у сферу дії мікронасосу рідини – для екструзійного живлення потрібна інша сім’я – тому тримайте ці два окремо, коли в специфікації з’являється фраза «живильний насос для виробництва добавок», оскільки в літературі це майже завжди означає систему екструзійної подачі, а не насос для дозування рідини.

2.2 Автоматичне очищення та постобробка

Автоматизація очищення просувається далі, ніж припускає більшість інженерів. Станція промивання смоли перемішує деталі в 7-15 л розчинника за допомогою крильчатки з магнітним зв’язком, вказується на 120 відбитків на заправку ізопропіловим спиртом із 10-хвилинною промивкою за замовчуванням, і піднімає деталі, очищаючи їх від розчинника, для сушіння на повітрі. Видалення хімічних частин також було автоматизовано: апаратне розширення, яке можна модифікувати, запускає платформу збірки, щоб готові деталі викидали в контейнер, що блокує ультрафіолет, і розпочинає наступну роботу без нагляду.

Тут має значення обсяг: перемішування, яке виконує очищення, походить від робочого колеса, а не від насоса зі швидкістю 20-50 мл/хв. Внесок мікронасоса полягає в логістиці рідини навколо бака: переміщення розчинника всередину та назовні, доливання того, що випаровується, і рециркуляція через фільтр для продовження терміну служби розчинника. Ізопропіловий спирт має температуру спалаху 11,7 градуса у відкритій чашці, так що робота належить у вентильованій, склеєній конструкції, незалежно від того, наскільки хороший насос.

2.3 Охолодження з постійною температурою

Теплова автоматизація – це найскладніший обов’язок із найчіткішою фізикою. Вода має питому теплоємність 4184 Дж/(кг·К) при 20 градусах, що приблизно в чотири рази перевищує масу повітря, тому невеликий потік рідини переносить набагато більше тепла, ніж така сама маса повітря. Таким чином, замкнутий контур із радіатором за межами корпусу може підтримувати постійну температуру гарячої частини всередині нагрітої камери, де вентилятори лише рециркулюють тепле повітря.

Спочатку варто виконати арифметику розміру: тепло, що відводиться, дорівнює масовому потоку, який у 4184 рази перевищує допустиме підвищення температури. При 20-50 мл/хв це становить приблизно від 14 до 70 Вт при підвищенні температури від 10 до 20 К, що підходить для одного контуру гарячого кінця та виключає охолодження камери, драйвера або шару з підігрівом на одному насосі. На малюнку 1 показано розрахунок діапазону витрати, який може досягти компактний насос.

Рисунок 1. Тепло, що відводиться водяним контуром проти швидкості потоку, при дозволеному підвищенні температури на 10 К і 20 К; заштрихована смуга — це діапазон 20-50 мл/хв компактного мікронасоса.

Джерело: розрахунок автора на основі питомої теплоємності води, 4184 Дж/(кг·K) при 20 градусах; щільність приймається за 1000 кг/м³.

3. Насос - це серце циклу: п'ять змінних

На практиці насос визначає, що може робити контур, і майже кожен збій рідинної системи прослідковується невеликою кількістю вимірюваних параметрів. Інструкції виробника з усунення несправностей скорочують поле до п’яти: об’єм на оберт, робочий тиск, в’язкість при температурі, умови всмоктування та робочий цикл.

Таблиця 2. П’ять змінних, що лежать в основі більшості несправностей рідинної системи 3D-принтера.

Джерело: інструкції виробника з усунення несправностей рідинної системи (див. посилання).

Список є діагностичним: коли петля дрейфує, найшвидший ремонт полягає в тому, щоб визначити, який параметр змінився, і скинути його, а не замінити насос. Заправка, яка раптово потребує більше часу, як правило, пов’язана з частково заблокованим вхідним фільтром або трубкою, яка пройшла компресію, а не з ладу двигуна.

4. Вибір сімейства насосів: вирішує в'язкість

Застосування мікронасосів для рідин для принтерів поділяються на дві робочі групи. Перистальтичний або трубчастий насос стискає гнучку трубку так, що тільки трубка контактує з рідиною; зубчастий насос затримує рідину між обертовими елементами та корпусом. В'язкість - це змінна, яка визначає між ними.

Таблиця 3. Вибір сімейства насосів за в'язкістю рідини, з типом відмови за кожною смугою.

Джерело: вказівки виробника щодо вибору чорнила з низькою в’язкістю до керамічної пасти з високою в’язкістю.

Дві кваліфікації важливіші, ніж сама таблиця. По-перше, в’язкість має бути вказана за швидкістю зсуву, яку фактично створює насос, і за робочої температури, оскільки більшість цих рідин є неньютонівськими; фігура, взята з неправильною швидкістю зсуву, може переміщувати рідину через два ряди. По-друге, середня витрата і миттєва витрата відрізняються. Шестеренчастий насос точно відстежує розрахований об’єм і вимірює без пульсу; перистальтичний насос забезпечує однаковий середній потік з імпульсом, коли кожен ролик випускається. Для лінії поповнення пульс не має значення; для дозування пігменту в змішувальну головку він вибирає між чистою сумішшю та смугастою.

5. Розмір петлі: скільки насправді займає заправка

Швидкість потоку перестає бути абстрактною, коли її перетворюють на машинний час. У наведеній нижче таблиці показано, скільки коштує цикл заправки або циркуляції при 50 і 100 мл/хв – практична різниця між компактним настільним насосом і наступним класом.

Таблиця 4. Час заправки та циркуляції залежно від швидкості потоку для завдань широкоформатного принтера.

Джерело: рекомендації виробника щодо доставки рідини; Часи є об'ємними розрахунками при вказаній витраті.

Подвоєння потоку вдвічі скорочує час на кожному рядку. Через ряд великих принтерів, які повторюються цілий день, і кожне поповнення, яке займає 10 хвилин замість 20, повертає машинний час до розкладу. Це, а не заголовний показник потоку, є економічним аргументом на користь більшого насоса - і причиною, по якій насос настільного класу не повинен використовуватися для роботи, для якого він ніколи не розраховувався.

Рисунок 2. Час для переміщення заданого об’єму проти швидкості потоку; заштрихована смуга — це діапазон 20-50 мл/хв компактного мікронасоса.

Джерело: об'ємний розрахунок автора на основі показаної витрати; значення 50 і 100 мл/хв відтворюють таблицю 4.

6. Що змінює автоматизація на машині

Оновлення автоматизації – це те, що внутрішні рідинні рішення для принтерів стають частиною специфікації машини з датчиками, реєстрацією та інтервалом обслуговування.

Додайте датчики, а не лише насос.Для того, щоб насос став корисним, контуру заправки потрібен датчик рівня та контролер; автоматика без зворотного зв'язку - це насос, що працює за таймером.

Реєстрація п'яти значень за цикл.Запишіть рідину, температуру, значення команди, виміряний потік і струм двигуна. Тоді дрейф виглядає як тенденція, а не як невдала збірка, а журнал робить розмови про гарантію фактичними.

Перевірте шину живлення перед насосом.Насос 5 В, який споживає менше 160 мА, і насос 24 В, який споживає 200 мА, легко керувати, але настільний принтер розподіляє 24 В, тому пристрій на 5 В потребує власного джерела живлення або понижувального перетворювача.

Заздалегідь вирішіть питання про зволожені матеріали.Фотополімерна смола, ізопропіловий спирт і холодоагент атакують різні еластомери. Вибирайте трубки та внутрішні елементи з таблиці сумісності, а не з наявності.

Дизайн для витратних матеріалів.На трубчастому насосі трубка є частиною, що зношується, і заміна займає хвилини; на шестеренчастому насосі зношувана частина знаходиться всередині насоса. У будь-якому випадку, інтервал обслуговування належить до специфікації машини.

Встановіть календар технічного обслуговування, а не реакцію на збій.Працездатна схема: щотижневі перевірки трубки, фітингів і сітчастого фільтра; щомісячна перевірка калібрування та датчика рівня; щоквартальна заміна сітчастого фільтра; і заміна витратних матеріалів через приблизно 500 годин або дві третини розрахункового терміну служби, залежно від того, що відбудеться раніше.

Свідомо фільтруйте.Вбудований фільтр подовжує термін служби розчинника та охолоджуючої рідини, але збільшує перепад тиску. Підберіть його до максимального тиску насоса, а не до номінального тиску контуру.

7. Де автоматизація не окупається

Чесне оновлення рідинної системи починається з визначення обов’язків, які не потребують. Додавання насоса, резервуара та датчика рівня до машини, яка ніколи не працює достатньо довго, щоб у них знадобилося, створює режими збоїв і роботи з очищення без їх видалення.

Настільний бак для смоли, який містить достатньо смоли для виготовлення, не потребує циркуляції.Доповнення між шарами та заправка середнього розміру вимірюються десятками-сотнями мілілітрів, а не безперервним циклом. Якщо чан не голодує, насос вирішує проблему, якої немає у машини.

Повітряне охолодження все ще є правильним для більшості настільних FDM.Рідинне охолодження завойовує своє місце, коли машина працює всередині нагрітої камери або коли на гарячу частину натискають настільки сильно, що вентилятори рециркулюють лише тепле повітря.

Ручне поповнення є законним при низьких навантаженнях.Машина, яка друкує кілька годин на тиждень, краще обслуговується простим резервуаром, ніж автоматизованою петлею, яка простоює й осідає пігмент.

Ніколи не автоматизуйте змащування гарячої частини.Мастило на шляху розжарювання не потребує стандартного обслуговування та ризикує забруднити розплав і дестабілізувати екструзію. Якщо машина потребує автоматизованого змащування, замість цього змастіть лінійні рейки та ходові гвинти.

Розглядайте заяви про ефективність без методу тестування як маркетинг.Твердження про температурну стабільність або показники успіху придатні для використання, лише якщо вони містять метод, розмір вибірки та дату - якщо вони не містять, не включайте їх у специфікацію.

8. Перспектива: інтелектуальні інтегровані рідинні системи

Напрямок руху встановлюється не стільки розробкою насосів, скільки стандартами, що наздоганяють адитивне виробництво як виробничий процес. ISO/ASTM 52900 визначає словник адитивного виробництва та 3D-друку, а ISO/ASTM 52920:2023 встановлює вимоги до процесів промислового адитивного виробництва та виробничих місць. NIST вузько окреслює цю зміну: оскільки адитивне виробництво переходить у виробництво, наука про вимірювання та стандарти стають критичними.

Для рідинних систем у принтерах випливають два наслідки.

Інтелектуальний, а не своєчасний.Після того, як контур оснащений датчиком рівня, вимірюванням потоку та моніторингом струму двигуна, система керування може виявити засмічення сітчастого фільтра або компресійної трубки до того, як збірка вийде з ладу. Будівельні блоки вже існують; чого не вистачає на більшості машин, так це рішення записувати їх для кожної збірки, а не розглядати їх як сервісну діагностику.

Вбудований, а не одиночний насос.У системі спеціального друку обидві сім’ї часто поєднуються, а не вибираються між собою: перистальтичний насос переміщує рідину з резервуару, оскільки він справляється із всмоктуванням, твердими речовинами та забрудненнями, тоді як шестерневий насос дозує в’язкий матеріал у головку під тиском. Рідина система стає архітектурою, а не компонентом.

Зверніть увагу на те, що цей прогноз навмисно опускає: прогноз розміру ринку. Відсотки зростання важко перевірити, рідко визначають їх обсяг і нічого не говорять інженеру про те, який насос вказати. Тенденція, яку можна виміряти, є вужчою та кориснішою – принтери створюються для роботи без нагляду, а для автоматичного друку потрібні прилади, вимірювання та обслуговування.

Ключові висновки

Застосування мікронасосів у принтерах виникло з роботи приладів — роботів для підмітання, кавомашин, диспенсерів води — і параметри передавалися чисто, тоді як робочий цикл, рідина та вимоги до точності — ні.

Сьогодні три функції принтера справді автоматизовані: подача та заправка, очищення та обробка розчинників, а також охолодження постійної температури.

П'ять змінних пояснюють більшість несправностей рідинної системи: робочий об'єм за оберт, робочий тиск, в'язкість при температурі, умови всмоктування та робочий цикл.

В'язкість вибирає сімейство насосів. Трубчастий насос нижче приблизно 1000 мПа·с є безпечнішим вибором; над ним шестерний насос краще ущільнює та вимірює. Вкажіть в’язкість при реальній швидкості зсуву та температурі.

На заправку 1 л потрібно 20 хвилин при 50 мл/хв і 10 хвилин при 100 мл/хв. Ця різниця, а не заголовний показник витрати, є економічним аргументом на користь більшого насоса.

Перемішування для очищення надходить від крильчатки в резервуарі 7-15 л, а не від насоса 20-50 мл/хв. Мікронасоси забезпечують логістику розчинників навколо резервуара.

Часті запитання

Що таке рідинна система 3D-принтера?

Це набір насосів, трубок, резервуарів, датчиків і фільтрів, які переміщують рідину всередині принтера: охолоджуючу рідину навколо гарячого контуру, смолу в чан і розчинник у промивний бак і з нього. Насос визначає, що може робити решта системи, оскільки він фіксує максимальний потік і тиск, доступний для подолання опору контуру.

Чи рідинна система 3D-друку те саме, що 3D-друк у рідині?

Ні, і їх постійно плутають у результатах пошуку. Рідкий 3D-друк використовує рідкий матеріал як будівельний матеріал або як опорну ванну, а 3D-друкована рідина означає друк мікрофлюїдних пристроїв. Рідкопровідна система принтера – це внутрішня труба машини, що має значення, коли ви вказуєте насос.

Який потік потрібен для автоматичної заправки смолою?

Це залежить від обсягу на подію, а не від швидкості друку. Доповнення ємності 0,25 л займає приблизно 5 хвилин при 50 мл/хв і 2,5 хвилин при 100 мл/хв; заправка 1 л середнього обсягу займає 20 і 10 хвилин. Насос із продуктивністю 20–50 мл/хв підходить для настільних поповнень у десятки мілілітрів, тоді як великоформатні машини виправдовують клас 100 мл/хв.

Чи може один насос одночасно працювати з охолодженням і подачею смоли?

Не повинно. Охолодження — це безперервний замкнутий цикл із охолоджуючою рідиною, яка має залишатися чистою, тоді як подача смоли — це періодичне дозування рідини, яка твердне. Спільне використання одного насоса загрожує перехресним забрудненням і ставить під загрозу як потік, так і матеріали, тому використовуйте окремі насоси та окремі шляхи рідини навіть в одній родині.

Чи потрібна мені система циркуляції смоли для 3D-друку в настільному принтері зі смолою?

Зазвичай ні. Настільні баки містять достатньо смоли для збірки, тому практичною автоматизацією є визначення рівня з автоматичним доливанням. Циркуляція має значення у великоформатних або суспензійних системах, де тверді частинки осідають, і це справжня вимога для керамічних процесів і процесів з наповненим пігментом, а не для звичайного фотополімерного друку.

Як вибрати між перистальтичним і шестеренчастим мікронасосом?

Почніть з в'язкості при робочій температурі. При тиску нижче приблизно 1000 мПа·с тонкі рідини прослизають через зазори шестерень, тому трубчастий насос є безпечнішим вибором; Крім того, сама рідина ущільнює зазори, а шестеренний насос вимірює точніше і без пульсації. Потім перевірте тверді абразиви: перистальтичний насос витримує їх за низького тиску, оскільки трубка є дешевою деталлю, що швидко зношується, тоді як загартований шестеренчастий насос є вибором для роботи під високим тиском.