Насос водяного охолодження 3D-принтера: SC2201RPW і перистальтичні насоси

Рідинне охолодження вирішує проблеми з теплом, до якого повітряний вентилятор не може дістатися всередині 3D-принтера, а насос вирішує, чи залишається цей контур тихим і надійним. Шестеренчастий насос SC2201RPW забезпечує циркуляцію охолоджуючої рідини зі швидкістю 20-50 мл/хв нижче 60 дБ для одного контуру низької потужності, тоді як перистальтичний насос SC2301CPW на 24 В забезпечує 100 мл/хв і вище, коли теплове навантаження є більшим. Визначте розмір потоку на основі тепла, потім виберіть теплоносій і трубку.

Навіщо 3D-принтеру потрібна система водяного охолодження

Система водяного охолодження для 3D-друку заслуговує на своє місце, коли джерело тепла закрите, концентроване або безперервне, оскільки повітря може переносити тепло лише в повітря навколо нього, тоді як рідина переносить це тепло до радіатора, який можна розмістити будь-де на машині.

Теплова повзучість є найбільш ясним випадком. Всередині герметичної камери при 45-55 C вентилятор холодної частини на гарячій частині рециркулює тепле повітря замість холодного, нитка розм’якшується над зоною розплаву, а сопло забиває середину друку.

Другий випадок — нагрівання камери, і це не лише проблема якості друку. Опублікована інструкція для нитяних принтерів описує камери, які витримують при температурі приблизно 60-70 C, і вказує, що принтер, розміщений у камері, повинен мати електроніку з активним охолодженням, щоб зменшити ризик пожежі.

Третіми є концентровані джерела. Діодний лазерний модуль перетворює лише частину своєї вхідної потужності в оптичний вихід, тож решта виділяється у вигляді тепла, яке потрібно відводити від невеликої упаковки, а крокові двигуни зі своїми драйверами додають по кілька ват у раму та повітря камери.

У польових звітах виробника йдеться про зміну термінів роботи принтера: перехід гарячої частини на рідинне охолодження стабілізував її температуру від приблизно 5 C до приблизно 1 C або менше та підвищив рівень успішності друку з приблизно 70 відсотків до понад 90 відсотків.

Чому для повітряного охолодження не вистачає запасу

Вода переносить приблизно в чотири рази більше питомої теплоти, ніж повітря на одиницю маси - приблизно 4,2 Дж/(гК) проти приблизно 1,0 Дж/(гК), тому те саме теплове навантаження потребує набагато меншого масового потоку рідини, ніж повітря. Саме це співвідношення, а не вентилятор, робить рідинний контур привабливим, коли тепло потрапляє всередину корпусу.

Друга перевага — маршрутизація. Вентилятор може лише відводити тепло в повітря, у якому він знаходиться, тобто те саме повітря, у якому друкує деталь. Контур із зовнішнім радіатором може відводити це тепло за межі камери, тому охолодження та температура камери перестають боротися одна з одною.

До яких джерел тепла насправді підходить рідинне охолодження

Таблиця 1. Джерела тепла в 3D-принтері, куди йде кожен із них і чи правильною відповіддю є контур охолодження.

Джерела: вказівки виробника рідинної системи (камера 45-55 C, дані поля охолодження hotend) і цитована довідка про виготовлення нитки (камери 60-70 C, електроніка з активним охолодженням); ряди лазерів, двигунів та електроніки є інженерною практикою для цього класу машин.

Читати далі:Як вибрати рідинну систему для 3D-принтерів.

Який потік теплоносія потрібен контуру?

Потік відповідає тепловому навантаженню, а не каталогу насосів: необхідний потік дорівнює тепловому навантаженню, поділеному на щільність, питому теплоємність і підвищення температури, яке ви готові прийняти. При підвищенні температури на 5 К 50 мл/хв води переносить приблизно 17 Вт; при підвищенні на 10 К той самий потік несе приблизно 35 Вт.

Рівняння потоку в одиницях принтера

Для води, близької до кімнатної температури, рівняння згортається до однієї константи: необхідний потік у мл/хв дорівнює приблизно14,4 теплового навантаження у ватах, поділеного на допустиме зростання в кельвінах. Константа є зворотною величиною густини, помноженої на питому теплоємність, тому вона відноситься до теплоносія, а не до насоса.

Гліколь змінює цю константу. Суміш гліколю та води у масовому співвідношенні 1:1 має питому теплоємність приблизно 3140 Дж/(кг.К), що становить приблизно три чверті води, тому їй потрібно приблизно на 25 відсотків більше потоку для того самого підвищення температури. Це ціна захисту від замерзання, і її варто платити лише тоді, коли машині доводиться виживати при температурі нижче температури замерзання.

Таблиця 2. Потік теплоносія, необхідний для перенесення заданого теплового навантаження при трьох підвищеннях температури, для води при 25 C.

Джерело: розрахунок автора з Q=P / (rho xcx dT) з rho=997 кг/м3 і c=4180 Дж/(кг.K), що дає Q у мл/хв=14.4 x P / dT. Використовуйте 17,9 x P / dT для водно-гліколевої суміші 1:1. Значення округлені.

Чому більший потік не означає автоматично кращого охолодження

Зі швидкістю 50 мл/хв через отвір діаметром 2,5 мм охолоджуюча рідина рухається зі швидкістю приблизно 0,17 м/с, а число Рейнольдса приблизно дорівнює 420 при 20 C і 650 при 40 C – добре всередині ламінарної смуги, яка закінчується біля 2300. У цьому режимі коефіцієнт плівки на холодній пластині встановлюється геометрією каналу та провідністю рідини, а не тим, наскільки сильно натискає насос, тому подвоєння потоку забезпечує менший підйом температури рідини, але не зменшує вдвічі тепловий опір блоку.

Перепад тиску поводиться так само. У співвідношенні Хагена-Пуазейля для круглої труби опір потоку обернено пропорційний четвертому степеню радіуса, тому отвір має значення набагато більше, ніж довжина. 2,5-міліметровий отвір, що рухається на 600 мм зі швидкістю 50 мл/хв, вимагає лише близько 0,3 кПа тертя прямої труби; подовження отвору множить це на шістнадцять.

У реальному циклі арматура все одно домінує. Мікроканали холодної пластини, швидкороз'ємні з'єднання, коліна та фільтри забезпечують набагато більший опір, ніж стінка труби, тому опубліковані 40-150 кПа SC2301CPW мають значення, коли петля містить кілька фітингів і холодну пластину з дрібним кроком, тоді як рейтинг SC2201RPW понад 30 кПа є комфортним для короткого простого замикання.

Резервуар - це теплова маса, а не теплова дорога

Резервуар поглинає перехідні процеси, а не стаціонарне навантаження. Один літр води отримує приблизно 4,2 кДж на кожен кельвін, який вона нагріває, тому імпульс потужністю 100 Вт, що триває хвилину - 6 кДж, підвищує температуру в однолітровому резервуарі приблизно на 1,4 К, тоді як у резервуарі об’ємом 100 мл підвищиться приблизно на 14 К. Розмір резервуара має бути буфером, а також використовувати площу радіатора та потік для роботи, яка ніколи не припиняється.

Читати далі:Технічний компроміс за витратою, тиском і шумом.

SC2201RPW: тихий насос водяного охолодження 3D-принтера

SC2201RPW — це шестеренчастий насос постійного струму з номінальною продуктивністю 20-50 мл/хв, понад 30 кПа та нижче 60 дБ на відстані 30 см на 3, 6 або 12 В, що робить його тихим водяним насосом для одного контуру охолоджуючої рідини малої потужності, а не для контуру радіатора з великим потоком.

Що говорить опублікована специфікація

Таблиця 3. Параметри SC2201RPW і зміни кожного з них у контурі охолодження 3D-принтера.

Джерело: сторінка специфікацій виробника для SC2201RPW; теплоносний стовп – розрахунок автора з табл. 2.

Чому 20-50 мл/хв є правильним розміром для однієї петлі

Одна петля гарячого і холодного кінця є малопотужним навантаженням. При швидкості 50 мл/хв і підвищенні температури на 10 K SC2201RPW вже передає близько 35 Вт тепла, що більше, ніж одна відмова теплової перерви в нормальному режимі роботи – інженерна оцінка для цього класу машини, а не опублікована цифра – і для роботи короткого циклу з еталонним отвором виробника потрібно менше 30 кПа.

Низький потік – це особливість, а не компроміс. Робота цього тихого водяного насоса зі швидкістю 20-50 мл/хв забезпечує низький рівень шуму, тепло двигуна та кожну зношувану поверхню, тому що всі вони підвищуються зі швидкістю, тоді як тепло, яке має переміщати один малопотужний контур, не зменшується. Повільніша петля є правильною інженерною професією для цього завдання, і саме тому рейтинг нижче 60 дБ і діапазон потоку 20-50 мл/хв належать одному насосу.

Керування просте, оскільки потік відстежує швидкість двигуна. Запасний ШІМ-вихід забезпечує повторюваний потік, а опублікована інструкція полягає в тому, щоб перемістити смугу перемикання на 20-25 кГц і підтримувати мінімальну команду вище мертвої зони, де в іншому випадку насос буде гудіти та нагрівати свою обмотку без руху рідини.

Малюнок 1. Тепло, що переноситься водяним контуром при трьох підвищеннях температури, із позначеними опублікованими діапазонами витрат двох насосів.

Джерело: розрахунок автора на основі Q=P / (rho xcx dT) для води при 25 C, нанесений на графік щодо опублікованих виробником діапазонів витрати для SC2201RPW (20-50 мл/хв) і SC2301CPW (100 мл/хв і вище). Розрахунок, а не вимірювання.

Читати далі:SC2201RPW мікрошестеренчастий насос для заправки смолою.

Охолодження перистальтичного насоса: ізоляція рідини та високий потік

SC2301CPW — це перистальтичний насос на 24 В з номінальною швидкістю 100 мл/хв і вище, 40-150 кПа, 60 дБ або менше на відстані 50 см і 200 мА або менше. Саме насос визначає, коли контур повинен передавати більше тепла, пропускати повітряні бульбашки або повністю утримувати електроніку від шляху рідини.

Що говорить опублікована специфікація

Таблиця 4. Параметри SC2301CPW і зміни кожного з них у контурі охолодження 3D-принтера.

Джерело: зведені характеристики виробника для SC2301CPW; теплоносний стовп – розрахунок автора з табл. 2.

Одне застереження щодо показників шуму. Два насоси не публікуються на однаковій відстані: нижче 60 дБ на відстані 30 см для SC2201RPW, проти 60 дБ або менше на відстані 50 см для SC2301CPW. Звуковий тиск падає приблизно на 6 дБ кожного разу, коли відстань подвоюється, тому 60 дБ на 50 см дорівнює приблизно 64 дБ на 30 см у вільному полі. За аналогічним принципом ці дві цифри близькі, тому тихіше число є відстанню вимірювання, а не конструктивною різницею.

Малюнок 2. Діапазони потоку охолоджуючої рідини для двох насосів проти потоку, необхідного для звичайних контурів принтера.

Джерела: опубліковані виробником діапазони потоку для SC2201RPW (20-50 мл/хв) і SC2301CPW (100 мл/хв і вище); петлеві смуги отримані з таблиці 2 при підвищенні температури на 10 К. Розрахунок, а не вимірювання.

SC2201RPW або SC2301CPW: який насос для якої петлі

Таблиця 5. SC2201RPW і SC2301CPW поруч, з теплом, який кожен може передати водяним контуром.

Джерела: сторінки специфікацій виробника для обох моделей; теплоносний ряд - розрахунок автора від Q=14.4 x P / dT.

«Шестеренчастий насос з високим потоком охолодження»: що насправді означає пошуковий термін

Покупці, які шукають високошвидкісне охолодження шестеренного насоса, зазвичай описують роботу, а не обладнання. У цьому сімействі шестеренчастий насос є вимірювальним пристроєм: SC2201RPW рухається 20-50 мл/хв, що є насосом із низьким потоком за будь-яким стандартом охолодження. Функція охолодження високого потоку виконується перистальтичним SC2301CPW зі швидкістю 100 мл/хв і вище або відцентровим насосом, коли цикл потребує літрів на хвилину за низького тиску.

Ця різниця має значення, оскільки потік і тиск взаємодіють один з одним, а не додаються. Обидва насоси є об’ємними, тому вони утримують потік, коли опір системи зростає, але їхній абсолютний потік визначається об’ємом і швидкістю, а не силою обертання двигуна. Якщо петля має рухатися понад приблизно 70 Вт при підвищенні 10 K, початковою точкою є перистальтичний насос 100 мл/хв; нижче приблизно 35 Вт тихий шестеренчастий насос покриває роботу.

Читати далі:Перистальтичний насос проти шестеренного насоса для 3D-принтерів.

Вибір охолоджуючої рідини для системи водяного охолодження 3D-принтера

Дистильована вода з інгібітором корозії та біоцидом є охолоджувачем за замовчуванням для контуру принтера. Гліколь додається лише тоді, коли машині доводиться витримувати температуру нижче нуля, оскільки він віддає приблизно чверть теплоємності контуру та не купує нічого за кімнатної температури.

Вода, гліколь або попередньо змішана охолоджуюча рідина

Таблиця 6. Параметри охолоджуючої рідини для контуру принтера з властивістю, яка змінює обчислення потоку.

Джерела: питома теплоємність і теплопровідність води з наведеної еталонної води; 1:1 за масою гліколю при приблизно 3140 Дж/(кг.K) і чистого гліколю при приблизно половині питомої теплоємності води, згідно з цитованим еталонним гліколем; показник -37 C для суміші пропіленгліколю з вмістом 50% за об’ємом із системою під тиском із цитованого посилання на антифриз.

Змішані метали: корозійна пастка в кожному контурі принтера

Контур принтера зазвичай змішує метали без будь-кого: алюмінієвий холодний блок, мідний або латунний радіатор, латунні фітинги та нержавіючий хомут. Якщо два різнорідні метали поділяють провідну рідину, пара утворює гальванічний елемент, а менш благородний метал піддається корозії. Це та сама проблема, через яку автомобільна охолоджуюча рідина містить інгібітори корозії, оскільки система охолодження автомобіля містить алюміній, чавун, мідь, латунь і припій одночасно.

Слідують два правила. Зберігайте петлю до однієї групи металів, де це можливо, і завжди використовуйте інгібований охолоджувач, а не чисту воду. Інгібітори, що використовуються у системах водопостачання, включають нітрит натрію та молібдат натрію. Додайте також біоцид: світло і тепло вирощують водорості в необробленій петлі, а потім біоплівка блокує холодну пластину та подає частинки в насос.

Конденсація: пастка з холодною пластиною в нагрітій камері

Чим холодніше охолоджуюча рідина, тим більше тепла вона може поглинути, тому охолодити резервуар спокусливо. В нагрітій камері це помилка. Повітря в камері цього класу принтерів має температуру близько 60-70 C, і на холодній пластині, що знаходиться значно нижче точки роси камери, вода конденсується з повітря безпосередньо на блоці, фітингах і всьому, що знаходиться під ними.

Підтримуйте теплоносій вище точки роси в камері, ізолюйте холодний блок і його лінії або розділіть контур на герметичний первинний контур і вторинний контур холодильного агрегату. Ніколи не прокладайте петлю над блоком живлення або контролером.

Читати далі:Усунення засмічень, бульбашок і витоків через параметри мікронасоса.

Вибір труб охолодження: труби, отвори та фітинги

Вибирайте трубки в такому порядку: матеріал, який витримає механізм насоса, хімічний склад, який витримає охолоджуючу рідину, потім отвір і довжина, яку вимагав ваш розрахунок витрати. Все інше - деталі.

Матеріал: що витримають ролики та охолоджуюча рідина

Таблиця 7. Матеріали трубок для контуру охолодження принтера, оцінені за критеріями, які насправді вирішують вибір.

Джерела: діапазон твердості силікону та його низька міцність на розрив і низька зносостійкість із цитованого посилання на силікон; Твердість EPDM, робочий діапазон і попередження щодо бітуму з цитованого посилання на EPDM; Коефіцієнт тертя PTFE та термічна стабільність за цитованим посиланням PTFE; умови випробування 45 Shore A та отвору 2,5 мм зі зведених специфікацій виробника. Рядки без цитованого малюнка є інженерною практикою для цього класу машин.

Отвір, довжина і радіус вигину

Діаметр отвору залежить від вашого розрахунку витрати, а не від зубця, яким ви володієте. Виробник перевіряє цю сімейство насосів із діаметром отвору 2,5 мм, що є розумною точкою відліку: він підтримує цикл у ламінарній смузі на рівні 20–50 мл/хв і підтримує низький перепад тиску для насоса з номінальним тиском понад 30 кПа.

Слідкуйте за коротким, прямим і широким каналом всмоктування, наскільки це дозволяє вхідний отвір насоса, оскільки тертя та повітря, що затримується, найбільше завдають шкоди перед насосом. Зберігайте загальний об’єм контуру невеликим, оскільки він визначає, скільки часу займає кровотеча та скільки охолоджуючої рідини коштує обслуговування. І дотримуйтеся радіуса вигину: зігнута труба — це закритий клапан без попередження, тому прокладайте її з великими кривими та підтримуйте довгі проміжки, щоб трубка не зруйнувалася під час всмоктування.

Фітинги, затискачі та швидкороз'ємні пристрої

Кожен фітинг додає перепад тиску та шлях витоку, тому порахуйте їх перед вибором насоса. Шипчасті фітинги з затиском влаштовують м'які силіконові трубки; Фітинги push-to-connect підходять для жорсткої труби та швидші в обслуговуванні за рахунок ущільнення, яке з часом потребує заміни.

Встановіть вхідний фільтр грубої очистки перед насосом. Причиною є шестерний насос: частинки зношують зубчасту сітку, а зношена сітка відкриває зазори, які визначають потік насоса. У перистальтичному насосі фільтр захищає трубку від стирання.

Читати далі:Перистальтичний насос 3D-принтера: тихий посібник з подачі мікрорідин.

Монтаж і налагодження

Встановіть насос під резервуаром, тримайте всмоктування коротким, розташуйте резервуар у найвищій точці зі зливом у холодному блоці та тримайте всі електричні частини над рідиною. Ці чотири правила запобігають більшості помилок у розділі 8.

Рисунок 3. Контур охолоджувальної рідини принтера в порядку руху рідини з чотирма найважливішими правилами встановлення.

Джерело: схема автора. Порядок компонентів відповідає стандартній практиці рідинного охолодження замкнутого циклу; правило заповнення відображає опубліковану примітку про те, що SC2201RPW не є самовсмоктуючим.

Базовий рівень.Запишіть температуру навколишнього середовища, температуру охолоджуючої рідини в резервуарі, температуру холодної пластини в стаціонарному стані, швидкість потоку від дозованої дози до вимірювального циліндра та струм насоса.

Змонтувати і затопити.Розташуйте резервуар на впускному отворі насоса або над ним, щоб шестеренчастий насос завантажувався під дією сили тяжіння, ізолюйте насос від рами та встановіть вхідний фільтр. Перистальтичний насос заповнюється самостійно, але для забезпечення стабільного потоку його впускний отвір все одно повинен бути затопленим.

Маршрут і кровотеча.Заповніть контур, потім увімкніть насос на низькому режимі роботи з відкритим найвищим фітингом, доки у зворотному потоці не залишиться бульбашок. Нахиліть машину, щоб перемістити повітря, що затрималося, до точки випуску.

Захистіть електрику.Оберіть драйвер із рейтингом IP, який відповідає розташуванню, використовуючи класифікацію корпусу IEC 60529, тримайте кабельні вводи під петлею та встановіть піддон для крапель під з’єднаннями. Ніколи не прокладайте трубки над джерелом живлення.

Встановіть привід.Перемістіть діапазон ШІМ на 20-25 кГц, встановіть мінімальну команду вище мертвої зони та підтвердьте номінал MOSFET, відгалуження запобіжника та діод зворотного ходу, якщо насос має спільний порт вентилятора.

Перевірте та увійдіть.Повторіть базову лінію через 24 години після друку, а потім через інтервал обслуговування. Зміна, яка не витримує жодного дня спеки, не є усталеною конфігурацією.

Таблиця 8. Запис про введення в експлуатацію та технічне обслуговування контуру охолодження принтера.

Джерела: 40-годинна перевірка дози та струму з їхніми 5-відсотковими та 20-відсотковими критеріями, а також елементи щотижневої перевірки трубки відповідають опублікованим інструкціям з обслуговування рідинної системи; низка холодних пластин є інженерною практикою для цього класу машин.

Читати далі:3,0 В чи 24 В? Чи справді ваша материнська плата 3D-принтера може керувати цим насосом?.

Усунення несправностей контуру охолоджуючої рідини

Більшість несправностей контуру охолоджуючої рідини проявляються як температура, яка не встановлюється, і причиною зазвичай є потік, повітря чи хімія, а не сам насос. Порівняйте із записом про введення в експлуатацію перед зміною обладнання.

Таблиця 9. Таблиця усунення несправностей для контуру охолодження принтера.

Джерела: критерії дози та струму відповідають опублікованому керівництву з обслуговування; повітряний шлюз, радіатор і конденсаційні ряди є інженерною практикою для цього класу машин.