Від чорнила з низькою в’язкістю до керамічної пасти з високою в’язкістю: визначення межі вибору між зубчастими та перистальтичними насосами для спеціальних рідин для 3D-друку

Межа обробки рідини між шестеренчастим насосом і перистальтичним насосом знаходиться там, де рідина припиняє надходити під час всмоктування й починає потребувати тиску для руху. Нижче приблизно 1000 мПа·с перистальтичний трубчастий насос є безпечнішим за замовчуванням. Приблизно понад 10 000 мПа·с зубчастий насос утримує тиск і вимірює без пульсації. Між тим, сумісність рідин - стирання, зсув і розмір часток - вирішує, який насос витримає роботу.

Ключові висновки

Діапазон в’язкості спеціальних рідин для 3D-друку становить понад п’ять порядків величини: керамічні струменеві чорнила розпилюються під тиском 10–40 мПа·с, тоді як опубліковані пасти для робокастингу мають значення від 2 × 10⁵ мПа·с при швидкості зсуву друку до 2,6 × 10⁷ мПа·с.

Шестеренчастий насос ущільнює саму рідину. Ковзання зростає зі зниженням в’язкості, тому тонкі фарби втрачають точність дозування, якщо не зменшити зазори, підтримувати низький перепад тиску та відфільтрувати тверді частинки.

Перистальтичний насос забезпечує герметизацію, закупорюючи трубку, тому герметизація майже не залежить від в’язкості. Тиск є межею: трубчасті насоси досягають приблизно 3–7 бар, роликові головки – до 8 бар, а башмакові шлангові насоси – приблизно 15 бар.

Придатність матеріалу найбільш чітко розрізняється на стирання та зсув. Керамічні частинки зношують наконечники та пластини шестерень, тоді як перистальтична зношувана частина є недорогою трубкою; чорнила, чутливі до зсуву, віддають перевагу трубчастому тракту з низьким зсувом.

Цей посібник із вибору рекомендує перистальтичні насоси для низьков’язких, чутливих до зсуву або стерильних рідин, а також зубчасті насоси для високов’язких, високих тисків або безімпульсних дозувань.

Який діапазон в'язкості покриває кожен тип насоса?

Шестеренні насоси охоплюють найширший діапазон в’язкості – моделі Viking Pump розраховують на моделі з регульованим зазором від 1 до 440 000 сСт – у той час як насоси з перистальтичною трубкою перекачують рідини з рідкою та помірною в’язкістю, а насоси з армованим шлангом поширюються на жорсткі середовища, насичені твердими речовинами, за нижчого тиску.

Діапазон використання є вужчим, ніж пропонується в будь-якій таблиці даних, тому що виникають два питання одночасно: що рідина робить з насосом (знос, корозія, втома трубки) і що насос робить з рідиною (зсув, пульсація, забруднення). Для спеціальної рідини для 3D-друку це відображення виглядає як таблиця 1.

Звідки походить межа обробки рідини

Дві сімейства насосів використовують протилежні стратегії ущільнення. Шестеренчастий насос утворює три динамічні ущільнення всередині головки насоса та спирається на плівку рідини всередині зазорів, щоб відокремити вихідний патрубок високого тиску від входу низького тиску. Перистальтичний насос ніколи не дозволяє рідині досягати ущільнення: ролики або башмаки стискають трубку пласко, і рідина рухається всередині закритої кишені.

Ця єдина відмінність пояснює всю межу. В'язкість домінує в поведінці шестеренного насоса і майже не впливає на перистальтичне ущільнення; тиск нагнітання встановлюється головкою насоса в першому випадку і трубкою в другому.

Чому шестеренні насоси втрачають точність дозування чорнила з низькою в’язкістю?

Шестеренчатий насос ущільнює плівку рідини всередині власних зазорів. Коли рідина розріджена, більше її витікає назад з виходу на вхід - ковзання - тому обсяг, що подається, падає нижче теоретичного об'єму, а похибка змінюється залежно від перепаду тиску та зносу редуктора.

Мікронасос описує три динамічні зони ущільнення в шестеренчастому насосі: наконечники шестерень до стінки порожнини, точка зчеплення двох шестерень і сполучені поверхні, де шестерні зустрічаються з корпусом і торцевою кришкою. Зазорів не уникнути, оскільки деталі повинні рухатися, тому частина рідини завжди переробляється всередині.

Ковзання не є фіксованим числом. Ситуація погіршується зі збільшенням перепаду тиску, зниженням в’язкості та зносом передач. Ось чому два однакові насоси можуть надавати різні об’єми двох різних чорнил, і чому крива потоку від тиску шестеренного насоса згинається зі збільшенням тиску.

Виробники відповідають стратегією очищення, а не окремою специфікацією. Насоси Viking Pump пропонують регульовані зазори від 1 до 440 000 сСт, тому одне сімейство насосів може бути створено щільним для рідкої рідини або вільним для важкої пасти. У мікронасосі використовується всмоктувальний башмак, що навантажується під тиском, який закривається, коли перепад тиску зростає, утримуючи майже нульове ковзання протягом усього терміну служби редуктора.

Для чорнила з низькою в’язкістю дотримуються трьох правил. Підтримуйте низький перепад тиску, оскільки ковзання спричинене тиском. Фільтруйте тверді частинки розміром до 5 мкм, тому що знос відкриває зазори та назавжди підвищує ковзання. І живіть насос із затопленого входу: шестеренчасті насоси не є самовсмоктуючими і ніколи не повинні працювати всухую. Якщо ці правила неможливо виконати, перистальтичний насос є більш стабільним вибором для вимірювання, оскільки його витіснений об’єм визначається трубкою, а не зазором.

Чому перистальтичні насоси перестають працювати з високов'язкою пастою?

Оскільки трубка є посудиною під тиском. Перистальтичний насос створює тиск, стискаючи шланг або трубку, тому тиск нагнітання, якого він може досягти, обмежується міцністю та довговічністю цієї трубки, а не рідиною.

Два перистальтичні класи мають різні стелі. Прецизійні трубчасті насоси створені для низького тиску та дозування: Verderflex Ds500 забезпечує до 30 л/год при максимальному тиску нагнітання 7 бар, а діапазон OEM Microdos розрахований на 3 бари. Посилені шлангові насоси йдуть далі - Verderflex Dura досягає 55 000 л/год і до 16 бар, з точністю дозування ±1% і висотою всмоктування 9,5 м. Конструкція насосної головки визначає решту: роликові головки витримують тиск до 8 бар, тоді як башмакові головки розподіляють навантаження на більшу площу та є кращими для більш високого тиску, приблизно до 15 бар, і для більш в’язких рідин.

Перекачування в’язкого матеріалу також напружує фазу всмоктування. Перистальтичний насос втягує рідину, коли стиснутий шланг повертається назад; паста з межею текучості протистоїть цьому відновленню і може утворювати порожнини замість того, щоб заповнювати трубку. Таким чином, для роботи з високою в’язкістю потрібна затоплена подача або подача під тиском, а не висота всмоктування, навіть незважаючи на те, що насос легко самовсмоктується в рідкої рідини.

Останньою межею є сама трубка. Перистальтичні шланги виходять з ладу через втому їх армуючого шару, і потік зменшується в міру старіння труби. Керівництво AxFlow щодо вибору полягає в тому, щоб збільшити розмір насоса та працювати повільніше, що збільшує термін служби трубки за рахунок більшого напору насоса. Коли насадка потребує більшого тиску, ніж може витримати трубка, перистальтичний варіант не застосовується: екструзія пасти переміщується до об’ємного екструдера, який подається штовханом або поршнем, де тиск створює крутний момент, а не сила трубки.

Як визначається сумісність рідин між двома типами насосів?

Чутливість до стирання та зсуву тягнуть у протилежних напрямках. Частинки твердої кераміки руйнують шестеренчасті насоси з малим зазором, але лише зношують перистальтичну трубку; чорнила, чутливі до зсуву, витримують перистальтичний насос, але можуть пошкодитися всередині зазорів шестеренного насоса.

Керамічний порошок є твердим, тому Micropump рекомендує використовувати тонку фільтрацію до 5 мкм у тих випадках, коли тверді частинки: ці частинки прискорюють зношування всередині шестеренного насоса. Чорнила для робокастингу складаються з більш ніж 40 об.% керамічного порошку з розміром частинок, що значно перевищує рейтинг фільтра, тому прецизійний шестеренчастий насос не може бути захищений у такому режимі без заміни чорнила. Там, де сьогодні в кераміці використовуються зубчасті насоси, вони циркулюють тонкі пігментні чорнила до друкуючих голівок цифрових плиткових принтерів, і саме з цієї причини постачальники вказують стійкі до стирання матеріали для насосів.

Зсув є другою віссю. Постачальники описують перистальтичні насоси як малозсувні, оскільки рідина проштовхується крізь трубку, а не через вузькі проміжки – це вимога для чутливих до зсуву полімерів, гелів і клітинних біочорнил. Шестеренчастий насос піддає рідину сильному зсуву на кінчиках шестерень і в сітці, що прийнятно для пігментованих чорнил і паст, але ризиковано для систем, чутливих до зсуву.

Контроль забруднення - третій. У перистальтичному насосі рідина контактує лише з трубкою, тому перехресне забруднення усувається, і стає можливим одноразовий шлях рідини – причина, чому перистальтичні насоси домінують у роботі зі стерильними рідинами. Шестеренчастий насос піддає рідину впливу шестерень, пластин і ущільнень, тому перевірка очищення, мертвий об’єм і сумісність матеріалів стають частиною конструкції.

Температура встановлює практичне вікно. Verderflex оцінює трубки Verderprene від +10 градусів до +85 градусів і платиновий силікон від -20 градусів до +80 градусів із схваленням USP Class VI, і не рекомендує перекачувати рідини вище 85 градусів. Шестеренні насоси, деталі, що контактують з вологою, доступні з нержавіючої сталі, PTFE, Ryton або PEEK, не обмежені межею пружності труби.

Шестеренчастий насос і перистальтичний насос: пряме порівняння типів насосів

Черговий, розкол чистий. Перистальтичні насоси виграють у системах самовсмоктування, сухого ходу, низького зсуву та одноразових шляхів рідини. Шестеренні насоси виграють у тиску, безімпульсному потоці та стабільності дозування в густому середовищі з високим вмістом твердої речовини.

У спеціальній системі 3D-друку два типи насосів часто поєднують, а не вибирають між собою. Перистальтичний насос дозує або рециркулює рідину з резервуару, оскільки він легко справляється із всмоктуванням, твердими речовинами та забрудненнями, тоді як шестеренчастий насос забезпечує тиск і безпульсний потік, необхідний для сопла чи друкуючої головки. Граничним питанням стає, який насос має функцію дозування.

Там, де рідина рідка і похибка вимірювання помірна, перистальтичний насос повинен це контролювати. Якщо рідина є густою, абразивною або її потрібно подавати під тиском у невеликий отвір, шестеренчастий насос повинен володіти нею, а будь-який перистальтичний насос у контурі слід розглядати як насос подачі.

Які властивості рідини, крім в’язкості, переміщують межу?

Межа текучості, навантаження твердих частинок, розмір і форма частинок, температура, тиксотропія та робочий цикл — все це переміщує межу придатності — іноді на порядок у будь-якому напрямку.

Як налаштувати шлях рідини для кожного типу насоса?

Охарактеризуйте рідину при температурі друку та швидкості зсуву, яку побачить насос, зафіксуйте робочу точку, а потім виберіть насос, який задовольняє обидва параметри. Десять кроків охоплюють більшість спеціальних рідин для 3D-друку.

Виміряйте уявну в'язкість при більш ніж одній швидкості зсуву при температурі, яку досягне рідина в насосі. Використовуйте ротаційний метод для неньютонівських матеріалів (ISO 3219-2, ASTM D2196) і метод конуса та пластини з великим зсувом, коли рідина проходить через невеликий отвір (ASTM D4287). Проточний стакан (ISO 2431) підходить лише для швидких цехових перевірок майже ньютонівських чорнил.

Перед порівнянням каталогів конвертуйте одиниці. Кінематична та динамічна в'язкість пов'язані між собою питомою вагою: сСт × питома вага=cP і cP ÷ питома вага=сСт.

Визначте робочу точку: необхідну швидкість потоку, необхідний тиск на соплі або друкувальній голівці та умови навколо резервуару.

Застосовуйте граничні правила по порядку: спочатку смуга в’язкості, потім стирання, зсув і стерильність. Таблиця 1 є відправною точкою.

Для перистальтичного насоса розмір перевищує робочу точку та працює повільніше; термін служби трубки збільшується, коли швидкість ротора падає.

Там, де перистальтичний насос подає сопло, встановіть гаситель пульсації; рівномірна постійна швидкість потоку захищає наступні компоненти.

Для шестеренчастого насоса сконструюйте затоплений вхідний отвір і ніколи не використовуйте його насухо. Додайте розвантажувальний шлях, тому що ковзання та тиск у системі змінюються з будь-яким обмеженням за потоком.

Укажіть фільтрацію за твердістю частинок - 5 мкм для твердих частинок, більш грубу, лише якщо частинки м’які, і підтвердьте, що вміст власних твердих часток чорнила нижчий від ліміту.

Виберіть суміш для труб або шлангів відповідно до хімічних, температурних і нормативних вимог і пам’ятайте про практичну стелю 85 градусів.

Калібруйте на друкуючій голівці, а не на виході насоса, і повторно перевіряйте, коли трубка старіє, оскільки перистальтичний потік зменшується із втомою трубки.

Який насос вибрати для рідини для 3D-друку?

Виберіть перистальтику для тонких, чутливих до зсуву або стерильних рідин під помірним тиском, а механізм — для густих, абразивних або високого тиску. П'ять правил вирішують більшість випадків.

Нижче 1000 мПа·с без абразивних частинок і помірного тиску: насос із перистальтичною трубкою. Він вимірює об’єм трубки, добре переносить рідкі рідини та утримує рідину всередині трубки.

Нижче 1000 мПа·с, але рідину потрібно впорскувати в друкувальну голівку під тиском: шестеренчастий насос із щільним зазором із фільтрацією 5 мкм, низьким перепадом тиску та гравіметричним калібруванням.

Від 1000 до 10 000 мПа·с з м’якими або розчиненими твердими речовинами: шестеренний насос, тому що в’язкість тепер ущільнює зазори, а безімпульсний потік покращує осадження.

Понад 10 000 мПа·с з твердими керамічними частинками: шестерний насос, лише якщо конструкція допускає знос і заливну подачу; в іншому випадку об’ємний екструдер із прямою подачею, оскільки трубчасті насоси знаходяться за межами їх діапазону тиску.

Стерильний, одноразовий або критичний до перехресного забруднення: перистальтичний насос із трубкою USP класу VI, за будь-якої в’язкості всередині трубки, що відповідає тиску.

Якщо ви вказуєте шлях рідини для екструзії пасти або струменевого друку матеріалу, наші інженери можуть перевірити вибір насоса, пристрій подачі та інтерфейс друкувальної головки відповідно до ваших даних рідини. Поділіться реологічною кривою та робочою точкою через нашПослуга 3D друкусторінка абозапитати пропозицію, і ми підтвердимо, який тип насоса має володіти функцією дозування.

Часті запитання

Чи може перистальтичний насос працювати з керамічною пастою?

В межах. Шлангові насоси переміщують жорстке середовище, насичене твердими речовинами, але лише під тиском, який може витримати шланг – моделі Verderflex Dura середнього діапазону досягають тиску 12 бар і пропускають частинки розміром до 2,5 мм. Прецизійний трубчастий насос — це інший випадок: паста для робокостінгу з високим вмістом твердої речовини потребує більшого тиску, ніж може забезпечити трубка, тому для екструзії пасти зазвичай використовується циліндра або поршень.

Чи може зубчастий насос працювати з чорнилом із низькою в’язкістю?

Так, але точність залежить від конструкції. Ковзання збільшується зі зниженням в'язкості, тому встановлюйте невеликі зазори, підтримуйте низький перепад тиску та фільтруйте тверді частинки до 5 мкм. Очікуйте калібрування на друкувальній голівці, а не довіряйте теоретичному об’єму.

Яка в'язкість є занадто високою для перистальтичного насоса?

Єдиного числа немає, тому що справжньою межею є тиск, а не в’язкість. Трубчастий насос із номінальним тиском 3–7 бар перестає бути практичним, коли рідині для руху потрібен більший тиск, ніж може витримати трубка. Жорстка керамічна паста в класі 10⁵ мПа·с не підходить для трубчастих насосів, а шлангові насоси справляються з нею лише при зниженому потоці.

Який насос краще для абразивних керамічних розчинів?

Перистальтичний шланговий або трубчастий насос, тому що єдиною частиною, що зношується, є шланг або трубка, і її регулярно замінюють, не потрібно зберігати зазор. Шестеренні насоси можуть працювати з абразивними рідинами, але знос відкриває зазори та постійно збільшує ковзання, тому для твердих частинок рекомендується фільтрувати 5 мкм.

Як виміряти в'язкість для вибору насоса?

Використовуйте ротаційний реометр або віскозиметр для неньютонівських рідин (ISO 3219-2, ASTM D2196), конусно-пластинчастий метод із високим зсувом, коли рідина проходить через невеликий отвір (ASTM D4287), і проточний стакан (ISO 2431) лише для швидкого порівняння майже ньютонівських чорнил. Завжди повідомляйте про температуру та швидкість зсуву разом із значенням.

Чи пошкоджують шестеренні насоси чутливі до зсуву рідини?

Вони можуть. Рідина, що проходить через зазори та зубчасту сітку, зазнає високого зсуву, тому перистальтичні насоси рекомендуються для продуктів, чутливих до зсуву, таких як гелі, полімери та клітинні культури. Для пігментних чорнил і керамічних паст такий зсув не є проблемою.

Підсумок

Межа між шестеренчатими насосами та перистальтичними насосами – це границя тиску, виражена в термінах в’язкості: перистальтичні насоси ущільнюють механічно, але не можуть розвивати високий тиск, тоді як шестеренні насоси створюють тиск, але ущільнюють лише настільки, наскільки це дозволяє рідина. Зіставте в’язкість, стирання та зсув із цими обмеженнями, а потім перевірте за допомогою калібрування друкувальної голівки.