Як вибрати рідинну систему для 3D-принтерів? Комплексне порівняльне керівництво між перистальтичними та зубчастими насосами

Пряма відповідь: відповідайте обов’язкам, а не категорії насосів

Вибирайте тип насоса за бажанням, а не за звичкою. Використовуйте мікроперистальтичний насос для рідин із низькою в’язкістю, чутливих до зсуву або критичних до забруднення при низькому та помірному тиску, а також мікрошестеренчастий насос для в’язких рідин, високого тиску подачі або безімпульсного вимірювання. Підтвердьте напругу, силу струму та вартість деталей, що швидко зношуються, перед замовленням.

Обидві сімейства є об’ємними насосами, тому обидва виробляють потік, який по суті не залежить від опору за потоком. Усе, що їх розділяє, випливає з одного конструктивного рішення: як насос ущільнює щілину між входом і випуском.

Практичним наслідком є ​​те, що вибір насоса в системі подачі рідини для 3D-друку не залежить від бренду та ціни. Це обов’язкове запитання, відповідь на яке дають п’ять змінних, які можна виміряти або зчитати з таблиці даних. Майже кожне рішення для контролю рідини для 3D-друку на ринку зводиться до одного з цих двох сімейств насосів, одягнених у різні корпуси та класи напруги.

Що 3D-принтер насправді вимагає від насоса?

3D-принтер має чотири плавні завдання, і вони відрізняються більше, ніж допускається в більшості порад щодо вибору. Охолодження Hotend працює безперервно при низькому потоці, доповнення смолою працює з перервами при більшому об’ємі, циркуляція промивання працює порціями з агресивними рідинами, а дозування працює точно при малих об’ємах.

Спершу побудувати робочий профіль – це те, що зупиняє будівельника від покупки насоса, який вирішив чиюсь проблему. Контур охолодження та лінія дозування можуть використовувати ту саму рідину, але потребують протилежних характеристик насоса.

Повзання тепла – це режим відмови, який найчастіше штовхає конструктор FDM до рідинного охолодження. Нитка розм’якшується над зоною розплавлення, і екструзія припиняється в середині відбитка, помилка, яку Prusa Research документує як явну причину невдачі екструзії в середині відбитка.

Рідинне охолодження виграє у фізиці, а не в моді. Вода переносить приблизно в чотири рази більше питомої теплоти повітря на кілограм: приблизно 4,18 кДж/кг·K проти приблизно 1,0 кДж/кг·K. Таким чином, малий потік охолоджуючої рідини забирає набагато більше тепла, ніж великий потік повітря, і радіатор може викидати це тепло за межі нагрітої камери.

Заправка смолою – це інша проблема з тим самим списком обладнання. Оскільки призупинення друку для доповнення резервуару залишає слід у точці перезапуску, насос для заправки має працювати без нагляду, що робить визначення рівня та повторювану подачу невеликого об’єму обмеженнями конструкції.

Дозування - найважчий обов'язок. Екструзія пасти та чорнила є об’ємним процесом, керованим тиском, і розмір двигуна насоса зазвичай визначається крутним моментом, а не потоком, тому ці системи розроблені як осі руху з власними драйверами.

Для конструкцій, де рідинний контур є лише однією частиною машини, вибирайте насос разом із рештою обладнання, а не прикручуйте його болтами в кінці. Від виробникаДодатки насоса 3D-принтерана сторінці перераховані сімейства насосів, які вже розгорнуті на платформах принтерів.

Як перистальтичні та зубчасті насоси по-різному переміщують рідину?

Обидва є об’ємними насосами, і вони відрізняються способом ущільнення. Мікроперистальтичний насос стискає трубку, закриту роликами, тому ущільнення є механічним і рідина залишається всередині трубки. Мікрошестеренчастий насос затримує рідину між зачепленими зубцями та ущільнює плівку рідини у власних зазорах.

У перистальтичному насосі ролики або башмаки стискають трубку, коли вони обертаються, створюючи вакуум, який втягує рідину. Повне закриття трубки в точці оклюзії забезпечує насосу позитивну дію зміщення: він запобігає зворотному потоку без будь-якого зворотного клапана, і ніщо, крім трубки, ніколи не торкається рідини.

Інженерний наслідок полягає в тому, що покупка перистальтичного насоса – це дійсно вибір трубки. Силіконові та інші еластомерні трубки встановлюють хімічну сумісність, температурний діапазон і інтервал технічного обслуговування, а заміна трубки є витратним матеріалом, а не ремонтом.

У шестеренчастому насосі ущільнення відбувається всередині насосної камери. Мікронасос описує три динамічні зони ущільнення: кінчики зубів шестерні навпроти стінки порожнини, точка, де два шестерні з’єднуються та змикаються, а також сполучені поверхні шестерень, корпус і торцева кришка.

Оскільки ці частини повинні рухатися, повинні існувати зазори, і рідина витікає назад із вихідного отвору високого тиску у вхідний отвір низького тиску. Цей зворотний витік називається ковзанням, і він є основним фактором об’ємної ефективності шестеренного насоса.

Прочитайте два механізми разом, а решта порівняння буде виконано автоматично. В'язкість домінує в роботі шестеренного насоса і майже не впливає на перистальтичне ущільнення. Тиск нагнітання домінує над перистальтичною здатністю і досягає шестеренного насоса лише через ковзання. Питання про змочений матеріал звужується до однієї еластомерної трубки в одній сім’ї та поширюється на кілька металевих і полімерних частин в іншій.

Комерційні діапазони відображають цей розкол. Skoocom'sряд мікроперистальтичних насосівпобудований на подачі з низьким потоком, низьким тиском, без забруднення, тоді як його конструкції шестеренного насоса розташовані навколо регульованої витрати при більш високому тиску.

Який насос перекачує вашу рідину? В'язкість, зсув і стирання

Це вирішує в'язкість. Мікроперистальтичний насос витримує майже будь-яку в'язкість, оскільки його ущільнення не залежить від рідини. Мікрошестеренчатому насосу потрібна достатня в’язкість, щоб плівка рідини ущільнила свої зазори, і він втрачає об’ємну ефективність, коли рідина розріджується.

Шестеренні насоси охоплюють дуже широкий діапазон в’язкості згідно з каталогом: Viking Pump характеризує моделі з регульованим зазором від 1 до 440 000 сСт. Діапазон використання будь-якого окремого насоса набагато вужчий, оскільки його зазори фіксовані для однієї рідинної смуги. Ковзання зростає зі збільшенням різниці тиску, зниженням в’язкості та зношуванням шестерень, тому два однакові насоси можуть подавати різні об’єми двох різних рідин.

Зсув — другий фільтр. Зубчаста сітка створює високий зсув у зоні затиску, що нешкідливо для наповненої пасти та може пошкодити фотополімер, що розріджується зсувом, емульсію чи біологічний реагент. Шлях трубки перистальтичного насоса за своєю суттю м’який, і він ніколи не піддає рідину впливу гарячої або швидко рухомої металевої поверхні.

Потертість – третя. Частинки твердої кераміки або металу зношують наконечники шестерень і пластини з порожнинами, і це зношування проявляється як падіння об’ємної ефективності, яке неможливо повторно відкалібрувати. У перистальтичному насосі ті самі частинки стирають трубку, але трубка призначена для заміни і коштує частку напору насоса.

Доповнює картину хімічна сумісність. У перистальтичному насосі єдиною зволоженою частиною є трубка, тому питання сумісності є одним із важливих рішень. У шестеренчастому насосі рідина зустрічається з шестернями, валом, підшипниками та корпусом, тому агресивна рідина може вивести з ладу зубчастий насос ще до того, як продуктивність буде розглянута.

Одне застереження стосується всієї таблиці. В’язкість має бути вказана за швидкістю зсуву, яку фактично створює насос, і за робочої температури, оскільки більшість цих рідин є неньютонівськими, і їх виміряна в’язкість змінюється з обома. Одна цифра, взята з неправильною швидкістю зсуву, може перемістити рідину через два рядки цієї таблиці.

Пульсація та точність вимірювання: який насос підтримує задане значення?

Мікрошестеренчастий насос краще тримає задане значення. Його потік пропорційний швидкості та значною мірою не залежить від тиску за потоком, тому об’єм, що подається, відповідає розрахованому об’єму. Перистальтичний насос забезпечує той самий середній потік, але з імпульсом для кожного проходу ролика.

Частота пульсації встановлюється кількістю роликів, помноженою на швидкість обертання, тому головка з десятьма роликами, що працює зі швидкістю 60 об/хв, створює десять імпульсів за секунду. Більше роликів зменшує амплітуду кожного імпульсу, але збільшує втому кожної секції труби, розробник насоса вже зробив це для вас.

Межею точності шестеренного насоса є ковзання, а не пульсація. Об’єм, що надходить, дорівнює геометричному об’єму за один оберт за вирахуванням рідини, яка витікає назад, а частка витоку зростає разом із перепадом тиску. Таким чином, шестеренчастий насос найбільш точний проти відомого та стабільного протитиску.

Програма вирішує, який ефект має значення. Контури охолодження витримують як пульсацію, так і помірну похибку потоку, оскільки теплова маса гарячого кінця та радіатора згладжує будь-які зміни. Заправка смолою піклується про об’єм, що подається, а зовсім не про пульсацію, оскільки поповнення на 50-100 мл зі швидкістю 20-50 мл/хв займає від однієї до двох з половиною хвилин, і ніхто не спостерігає за формою хвилі потоку.

Дозування пасти та чорнила стосується обох. Імпульс тиску проявляється як поверхневий дефект або зміна ширини сліду. Помилка в поставленому обсязі відображається як помилка розмірів готової деталі. Ось чому ці системи зазвичай будуються навколо об’ємного насоса, що приводиться в рух як вісь руху.

Який насос відповідає платі вашого принтера та бюджету потужності?

Перевірте напругу, потім струм, потім каскад драйвера. Жоден насос не підключається до контакту MCU: контакт перемикає затвор, і струм надходить від шини принтера. Обидва найкраще працюють на виході ШІМ, який можна обмежити безпечним режимом роботи.

Електрична сторона вибору зводиться до того, яка рейка може нести навантаження. Принтерна плата пропонує важку рейку постійного струму, яка живить ліжко, гарячу частину та вентилятори, а також логічну область слабкого струму для MCU та датчиків. Лише важка рейка має запас для роботи водяного насоса 3D-принтера, а штифт MCU ніколи не є частиною шляху живлення.

Клас напруги не передбачає споживання струму. Потужність — це напруга, помножена на силу струму, тому перистальтичний насос на 5-6 В, що подає до 100 мл/хв, споживає близько 500 мА, тоді як насос на 12 В того самого класу потоку споживає 200-300 мА. Вибір насоса з нижчою напругою, щоб бути щаднішим для електроніки, зазвичай ускладнює проблему з електрикою, а не полегшує.

ШІМ є нормальним контролем швидкості для обох сімей. Тримайте тривалість циклу в діапазоні мілісекунд і встановіть значення кік-старту, щоб насос не зупинився при низькій команді. Klipper виставляє cycle_time, kick_start_time і off_below на своїх вихідних і вентиляторних секціях, а Marlin контролює вентиляторний вихід через M106.

Додайте захист як само собою зрозуміле на гілці насоса. Зворотний діод на двигуні, запобіжник, призначений для розгалуження, а не для робочого струму насоса, і драйвер, розрахований на струм зупинки, – усе це коштує дуже мало. Разом вони не дають заклинилому насосу знести разом із собою дошку.

Скільки коштує кожен насос протягом терміну служби?

Порівнюйте частину, що зношується, а не ціну покупки. Постійна вартість перистальтичного насоса - це трубка; зубчастий насос не має витратних матеріалів для труб, але його змочений набір шестерень повинен витримувати рідину протягом усього терміну служби, а його точність залежить від зазорів, які зношують абразиви.

Термін служби трубки залежить від навантаження. Швидка робота насоса, робота проти високого тиску та перекачування агресивної рідини – все це скорочує його, а трубка, яка стала пласкою або м’якою, забезпечує менший потік, перш ніж вона стане видимою. Сама задача технічного обслуговування проста і не потребує інструментів, тому перистальтичні конструкції популярні в машинах без нагляду. Рішення для контролю рідини для 3D-друку без нагляду включають в план технічного обслуговування зношувану частину, а не насос.

Заявлений термін служби слід читати разом з умовами його випробувань. Виробники вказують термін служби з переривчастим циклом, як правило, 5 секунд увімкнення, 3 секунди вимкнення, саме так працює насос для заправки, а не насос охолодження. Перетворення циклів у роки – єдине чесне порівняння:

Насос, розрахований на понад 300 000 циклів за 5 с увімкнено, 3 с вимкнено, використовується для десяти заправок на день, розрахований на приблизно 30 000 днів у такому режимі роботи, що значно перевищує термін служби машини, на якій він встановлений.

Той самий насос, що працює безперервно, як і насос охолодження, має набагато коротший термін служби, оскільки безперервна робота зношує трубку, а не кількість запусків.

Опубліковані дані для однієї моделі можуть не збігатися; там, де вони це роблять, плануйте меншу цифру та підтверджуйте її відповідно до таблиці даних, що постачається разом із запчастиною, яку ви отримуєте.

Шестеренні насоси обмінюють цей витратний матеріал на інший ризик. Трубку не потрібно міняти, і на чистій, сумісній рідині з достатньою в’язкістю насос може працювати роками. Однак абразивні тверді речовини зменшують зазори, а разом з ними й об’ємну ефективність, а зношений набір передач є заміною насоса, а не обслуговуванням.

Робочий приклад: параметри SC2201RPW і продуктивність SC2301CPW

Два опублікованих набори даних показують, де приземляється рішення. SC2201RPW — мікроперистальтичний насос із низьким потоком для заправки смолою, охолоджуючої рідини та дозування очищувача; SC2301CPW — це насос із більшою витратою на 24 В для охолодження гарячих конців і великих контурів заповнення.

Почніть зSC2201RPW мікроперистальтичний насос, чиї опубліковані цифри описують компактний насос-дозатор, а не циркуляційний насос.

Показники продуктивності SC2301CPW належать до іншого класу, і різниця є навмисною, а не додатковою.

Одне практичне застереження стосується обох моделей і кожного номера деталі на цьому ринку. Принцип закачування – це поле таблиці даних, а не щось, що можна розшифрувати з номера моделі.

На сторінці продукту SC2201RPW описується як перистальтичний насос, але в деяких сторонніх списках ця модель описується як шестеренчастий насос. Опублікований матеріал про SC2301CPW використовує обидва описи в різних статтях.

Перш ніж розробляти цикл рідини навколо номера деталі, підтвердьте три поля поточної таблиці даних: тип або структуру насоса, матеріали, що змочуються, і умови випробування, що стосуються показників витрати та тиску. Показник витрати без тиску та напруги не є специфікацією.

Процедура відбору в п'ять кроків

Виконайте ці п'ять кроків по порядку, і клас насоса вибере сам себе. Напишіть робочу точку, охарактеризуйте рідину, вирішіть, чи пульсація має значення, сплануйте електричну сторону, а потім виберіть стратегію зношуваних частин.

Напишіть пункт чергування. Записуйте рідину, об’єм, що переміщується за цикл, дозволений час і тиск, необхідний у точці доставки. Вимогу, визначену як достатній потік, не можна перевірити.

Охарактеризуйте рідину. Виміряйте в’язкість при робочій температурі та швидкості зсуву насоса, запам’ятайте вміст твердих частинок і твердість частинок і перевірте хімічну сумісність із змоченими матеріалами кожного кандидата.

Вирішіть, чи має пульсація значення. Охолодження та заправка ігнорують це; пасти, чорнила та будь-якої дози, яка з’являється в готовій частині, ні.

Бюджет електричної сторони. Перевірте напругу на шині, доступний струм, каскад драйвера та чи потрібен ШІМ-контроль швидкості, а потім додайте запобіжник і зворотний діод.

Виберіть стратегію зношуваних частин. Вирішіть, хто замінює трубку та як часто, або підтвердьте, що рідина є достатньо чистою та сумісною, щоб шестерений насос міг працювати без неї.

Тоді купуйте насос, паспорт якого відповідає, а не той, у якого перелік функцій найдовший. Theлінійка водяних насосів мікро постійного струмуохоплює обидва сімейства, і відповідність класу напруги та вимог тиску до робочої точки відбувається швидше, ніж порівняння маркетингової копії.

Часті запитання

Для охолодження 3D-принтера кращий перистальтичний насос чи зубчастий насос?

Перистальтичний насос є безпечнішим за замовчуванням для контуру охолодження. Він самовсмоктувальний, не може витікати через ущільнення вала, оскільки рідина ніколи не виходить із трубки, і на її потік не впливає в’язкість охолоджувальної рідини. Шестеренчастий насос однаково ефективний, коли охолоджуюча рідина чиста, без абразивних часток і зворотний тиск у контурі стабільний, і він додає безімпульсну подачу.

Чи можу я запустити водяний насос 3D-принтера від порту вентилятора материнської плати?

Часто так, якщо рейтинг порту це дозволяє. Порт вентилятора — це вихід із комутацією MOSFET на головній шині живлення, що є правильною архітектурою, але порт може бути призначений для невеликого осьового вентилятора, а не для насоса, який споживає кілька сотень міліампер. Перевірте номінал порту, додайте запобіжник і використовуйте порт із ШІМ-регулюванням, якщо хочете контролювати швидкість.

Який потік насправді потрібен хотенду з водяним охолодженням?

Менше, ніж очікує більшість будівельників, але з запасом тиску. Одна петля гарячого кінця зазвичай задовольняється 20-50 мл/хв, тому насос з номінальною продуктивністю 100 мл/хв або більше дає запас для машини з подвійним гарячим концом і для опору довгій трубці. Тиск має більше значення, ніж максимальний потік, тому що водяний блок і швидкороз'ємні фітинги встановлюють протитиск.

Який насос слід використовувати для заправки SLA смолою?

Мікроперистальтичний насос підходить для заправки смолою без нагляду, оскільки смола залишається всередині трубки, тому немає затверділої смоли для очищення насоса, а заміна трубки є коротким завданням без інструментів. Мікрошестеренчатий насос виграє, коли смола є в’язкою та без імпульсів, повторювані невеликі об’єми мають значення – за умови, що змочені матеріали протистоять фотополімеру, а впускний отвір залишається затопленим.

Чому шестерний насос втрачає точність з рідкою рідиною?

Тому що рідина є ущільненням. Шестеренчастий насос спирається на тонку плівку рідини всередині зазорів між наконечниками шестерень, стінкою порожнини та торцевими пластинами. Рідина з низькою в’язкістю витікає через ці зазори швидше, тому більша частина витісненого об’єму витікає назад до вхідного отвору, а обсяг, що подається, не досягає розрахункового об’єму.

Яке обслуговування потребує кожен насос?

Перистальтичний насос потребує заміни трубки за розкладом, встановленим швидкістю, тиском і рідиною, а також перевірити, чи ролики та доріжка чисті та непошкоджені. Шестеренчастому насосу не потрібні витратні матеріали для труб, але йому потрібен фільтр на вході, затоплений вхідний отвір або одноразова заливка, а також періодичні перевірки обсягу, що подається, як проксі внутрішнього зносу.

Надішліть свою робочу точку - рідину, робочу в'язкість, об'єм за цикл, тиск подачі та напругу в рампі - череззв'яжіться з намиі клас насоса та ступінь драйвера можна підтвердити перед покупкою.