Pompa peristaltica per stampante 3D: guida silenziosa all'erogazione di microliquidi

Una pompa peristaltica è adatta a una stampante 3D quando il lavoro consiste nella gestione precisa di liquidi a basso volume anziché nel raffreddamento di massa. Skoocom SC2201RPW sposta 20-50 ml/min a 3, 5 o 8 V CC, misura meno di 60 dB a 30 cm e ha completato 600.000 cicli di erogazione nei test di fabbrica. Si adatta all'alimentazione del refrigerante a circuito singolo, al trasferimento resina-solvente e al dosaggio dei pigmenti ed è la pompa sbagliata per l'hotend ad alto flusso o il raffreddamento della camera.

1. Perché le stampanti 3D desktop necessitano di un'erogazione di liquidi silenziosa e precisa

Le stampanti desktop FDM e a resina vengono sempre più utilizzate in camere da letto, uffici condivisi e laboratori didattici, quindi la firma acustica di ogni sottosistema è importante tanto quanto la sua portata. Una pompa dell’acqua silenziosa è ora un componente del sistema piuttosto che un accessorio e la specifica di una pompa peristaltica per stampante 3D in base alla sola portata lascia indefiniti i requisiti acustici. Una pompa montata all'interno di un involucro viene percepita due volte: direttamente attraverso l'aria e di nuovo come vibrazione trasmessa dalla struttura attraverso il telaio e i pannelli.

Due problemi relativi ai fluidi determinano la selezione della pompa. Nella stampa FDM, una stampante che funziona all'interno di una camera riscaldata a circa 45-55 gradi può perdere il suo margine termico all'estremità fredda dell'hotend: il filamento si ammorbidisce sopra la zona di fusione e si inceppa durante la stampa, la modalità di guasto comunemente chiamata heat creep. Nella stampa su resina, il guasto equivalente è una vasca che si abbassa durante la notte, producendo una linea di strato visibile o una pellicola marcata sul fondo della vasca. Entrambi i problemi vengono risolti spostando una piccola quantità di liquido in modo affidabile, non spostandone rapidamente una grande quantità.

Il secondo requisito è la precisione. Un circuito di raffreddamento necessita di un flusso costante e ripetibile; una linea di dosaggio necessita di un volume ripetibile. Le pompe peristaltiche gestiscono entrambe le cose perché sono macchine volumetriche: il flusso è impostato dal diametro del tubo e dalla velocità del rotore anziché dalla contropressione del sistema, e il liquido entra in contatto solo con l'interno del tubo. Ecco perché una micropompa di alimentazione del liquido può essere sigillata all'interno dell'involucro della stampante senza alcun percorso di manutenzione nel fluido.

2. Specifiche verificate di SC2201RPW

Il dimensionamento di una pompa peristaltica per stampante 3D inizia con il circuito, non con un numero nel titolo. Ogni figura seguente è presa dalla pagina del prodotto SC2201RPW e dal rapporto di test di fabbrica pubblicato dal produttore. Laddove un numero abbia significato solo insieme alla condizione di prova, la condizione viene indicata nella stessa riga, poiché una portata o un livello di rumore indicati senza la relativa condizione non possono essere utilizzati per decisioni ingegneristiche.

Tabella 1. Riepilogo delle specifiche SC2201RPW con condizioni di test.

Fonte: pagina del prodotto Skoocom SC2201RPW e rapporto sui test delle prestazioni di fabbrica.

3. Cosa significa effettivamente "sotto i 60 dB" all'interno dell'involucro di una stampante

Per un sistema di raffreddamento per stampa 3D, la cifra di rumore pubblicata è inferiore a 60 dB misurata a 30 cm, a 5 V CC, con una spugna da 5 cm posizionata sotto la pompa per assorbire le vibrazioni. Queste tre condizioni contano più del numero stesso e un acquirente dovrebbe leggerle attentamente prima di scrivere il valore nelle specifiche del prodotto.

Non è indicata alcuna ponderazione in frequenza.I dati acustici dei macchinari vengono normalmente riportati come livello di pressione sonora ponderato A, dB(A), che deenfatizza i toni a bassa frequenza prodotti da una pompa peristaltica quando ciascun rullo impegna il tubo. Un semplice valore in dB non è paragonabile ai valori in dB(A) di altri fornitori.

La distanza di misurazione è 30 cm, non 1 m.Il livello di pressione sonora diminuisce con la distanza, quindi un valore preso a distanza avrà sempre un aspetto migliore rispetto alla stessa pompa misurata alla distanza di riferimento di 1 m utilizzata dai metodi ingegneristici come ISO 3744 e ISO 11202.

Il test ha utilizzato l'isolamento dalle vibrazioni.La spugna da 5 cm fa parte del setup di misura, il che conferma che il montaggio è una variabile di rumore di primo ordine per questa pompa, non un dettaglio.

Per contesto, l'OSHA considera 85 dBA come il livello al quale un lavoratore deve alzare la voce per essere ascoltato da circa 3 piedi di distanza. Una lettura inferiore a 60 dB è quindi ben al di fuori di qualsiasi preoccupazione relativa al rumore sul posto di lavoro. La conclusione utile non è che la pompa sia silenziosa in termini assoluti, ma che l'affermazione deve essere verificata nuovamente nell'installazione reale: montare la pompa su smorzatori in elastomero, tenerla lontana da grandi pannelli piatti che irradiano il suono e misurare i dB(A) a 1 m nella macchina assemblata.

Se il funzionamento silenzioso è un requisito di progettazione e si deve confrontare una pompa dell'acqua silenziosa tra i diversi fornitori, richiedere un numero: livello di pressione sonora ponderato A a 1 m, misurato sulla pompa nuda e di nuovo sul supporto smorzato. Due figure comparabili valgono più di quattro incomparabili.

4. Tre applicazioni sono adatte per l'SC2201RPW e tre no

L'applicazione adatta per una pompa peristaltica per stampante 3D è decisa dalla portata, dalla pressione e dalla chimica. Le sezioni seguenti separano le attività in cui l'SC2201RPW rappresenta una scelta valida da quelle che richiedono una pompa diversa.

4.1 Alimentazione del refrigerante hotend a circuito singolo

In un sistema di raffreddamento per stampa 3D, il circuito rimuove il calore a una velocità stabilita dal flusso di massa e dall’aumento della temperatura. Per l'acqua, la capacità termica specifica è 4.184 J/(kg·K) a 20 gradi , quindi l'aritmetica è diretta: Q=flusso di massa × 4.184 × aumento di temperatura.

Tabella 2. Capacità di trasporto del calore della gamma di portate SC2201RPW per l'acqua.

Calcolato da Q=flusso di massa × cp × ΔT utilizzando cp=4,184 J/(kg·K) (NIST).

L'SC2201RPW trasporta quindi circa 14-70 W a seconda dell'aumento di temperatura che il circuito può tollerare. Questo è utilizzabile per l'estremità fredda di un singolo hotend, dove deve essere rimosso solo il calore condotto fino al punto di interruzione del calore, e la guida applicativa di Skoocom posiziona un singolo circuito hotend a 20-50 ml/min - esattamente la banda coperta da questa pompa.

Non è utilizzabile per nulla con un carico termico maggiore. Una macchina a doppio hotend, una camera riscaldata, driver passo-passo o un letto riscaldato necessitano di un flusso di un ordine di grandezza maggiore, e un soffitto di pressione di 6 psi (41 kPa) offre poco spazio per un lungo tratto di tubo, un raccordo restrittivo a disconnessione rapida o un blocco dell'acqua a piastra e aletta. Per questi compiti l'SC2301CPW a flusso più elevato è la parte corretta.

4.2 Gestione resina-solvente per flussi di lavoro SLA e DLP

Questa è l'applicazione che più spesso viene descritta in modo errato. Una stazione di lavaggio in resina non pulisce le parti facendo circolare un filo di solvente; agita le parti in un grande volume. Il Form Wash di Formlabs, ad esempio, utilizza una girante accoppiata magneticamente, contiene 7-15 litri di solvente ed è specificato in 120 stampe per ricarica di alcol isopropilico con un lavaggio predefinito di 10 minuti. Una pompa che muove 20-50 ml/min non può produrre tale agitazione e sulla stampa non dovrebbe apparire alcuna affermazione contraria.

Ciò che una pompa peristaltica a basso flusso fa davvero bene in un flusso di lavoro della resina è la logistica dei fluidi attorno al serbatoio:

Trasferire.Travasare il solvente usato fuori dal secchio di lavaggio e il solvente fresco dentro, con la pompa autoadescante e senza guarnizioni nel percorso del fluido che potrebbero presentare perdite.

Rabbocco.La sostituzione del volume perso per evaporazione tra i lavaggi - 50 mL richiede circa 60 secondi a 50 mL/min e circa 150 secondi a 20 mL/min.

Filtrazione e ricircolo.Passaggio del solvente attraverso un filtro in linea per prolungarne la durata, che per natura è un servizio a basso flusso.

L'alcol isopropilico ha un punto di infiammabilità di 11,7 gradi in una tazza aperta (una tazza chiusa di 13 gradi) e un intervallo esplosivo del 2-12,7% in volume nell'aria, quindi è infiammabile a temperatura ambiente. Una pompa peristaltica aiuta perché l'unica parte bagnata è il tubo, ma la ventilazione, l'incollaggio e l'idoneità dell'assemblaggio restano responsabilità dell'integratore. Il silicone è altamente inerte, ma considerevolmente più permeabile ai gas rispetto ad altre gomme, il che è importante quando la perdita di solvente è un problema.

4.3 Dosaggio di pigmenti e additivi per stampanti multicolori

Il dosaggio è la soluzione più efficace per questa pompa. A 20-50 ml/min, l'SC2201RPW eroga da 0,33 a 0,83 ml al secondo, che è una velocità pratica per aggiungere pigmento, resina o additivo a una testa di miscelazione con incrementi misurati anziché mediante alimentazione per gravità. Poiché il fluido rimane all'interno del tubo, lo scambio del tubo elimina anche qualsiasi rischio di contaminazione incrociata tra i colori e non può accumularsi resina polimerizzata all'interno del corpo della pompa.

Due limiti si applicano a una micropompa di alimentazione di liquidi utilizzata in questo modo. Il diametro interno del tubo da 2,5 mm limita le dispersioni di pigmenti altamente viscosi e l'efficacia della pompa peristaltica diminuisce all'aumentare della viscosità, quindi una pasta fortemente caricata necessita di un diametro maggiore o di un tipo di pompa diverso. Anche i fluidi pigmentati che si depositano necessitano di un breve tempo di permanenza nella linea o di un percorso di ricircolo, poiché il tubo non manterrà i solidi in sospensione.

4.4 Dove l'SC2201RPW non appartiene

"Microlubrificazione della testa dell'estrusore."L'introduzione di lubrificante nel percorso del filamento non rientra nella manutenzione FDM standard e rischia di contaminare la massa fusa e destabilizzare l'estrusione. Se una stampante necessita davvero di una lubrificazione automatizzata, i punti di usura sono le guide lineari e le viti di comando e il fluido non dovrebbe mai entrare nell'hotend.

Letto riscaldato, raffreddamento del conducente o della camera.Il flusso è un ordine di grandezza troppo basso.

Qualsiasi circuito che necessita di più di circa 41 kPa.Sei psi di pressione di scarico rappresentano il soffitto; verificare la reale perdita di carico del circuito assemblato prima di impegnarsi.

5. Dalle valutazioni del ciclo alle ore di servizio

I conteggi dei cicli di per sé non sono utili, perché un ciclo non ha una durata fissa. I dati di resistenza dell'SC2201RPW sono stati misurati su uno schema di corsa di 5 secondi e di arresto di 3 secondi, quindi un ciclo corrisponde a 8 secondi. La conversione dei numeri pubblicati in ore di pompaggio li rende paragonabili alle valutazioni basate sulle ore utilizzate per la maggior parte delle pompe industriali e mostra una cifra che non dovrebbe essere ripetuta.

Tabella 3. Valori nominali dei cicli pubblicati convertiti in ore di pompaggio.

Calcolato dal conteggio dei cicli e dal ciclo di lavoro di 5 s acceso/3 s spento indicato nel rapporto di test di fabbrica.

Il valore di 480.000 cicli appare in molti articoli del produttore ma non sulla pagina del prodotto, ed è inferiore ai 600.000 cicli raggiunti dal test di fabbrica. Sottostima la resistenza documentata e non può essere ricondotto a un rapporto di prova. Pubblicare la valutazione verificata di 300.000 cicli con il relativo ciclo di lavoro, citare il test di 600.000 cicli come massimo registrato e non ripetere 480.000 cicli senza il rapporto sottostante.

Il tubo è il materiale di consumo, non il motore. La gomma siliconica ha una bassa resistenza alla trazione e una scarsa resistenza all'usura e ogni ciclo comprime la stessa breve sezione di tubo. Il produttore si aspetta migliaia di ore dai tubi in silicone per il funzionamento del refrigerante, ma solo da mesi a un anno per il servizio con la resina, quindi sostituire il tubo quando risulta morbido o piatto e progettare la pompa nella macchina in modo che il tubo sia raggiungibile.

6. SC2201RPW rispetto a SC2301CPW

Due pompe peristaltiche della gamma Skoocom vengono normalmente prese in considerazione per la stessa stampante 3D e non sono intercambiabili. La scelta viene decisa se la macchina necessita di un volume misurato piccolo o di un flusso continuo.

Tabella 4. Confronto orientato all'applicazione delle due pompe peristaltiche Skoocom.

Fonti: pagina del prodotto Skoocom SC2201RPW; Articolo del prodotto Skoocom SC2301CPW.

La regola decisionale è semplice. Se la pompa deve mantenere una temperatura, spostare un litro o alimentare un secondo hotend, scegli SC2301CPW da 24 V. Se deve posizionare un volume piccolo e ripetibile di liquido in un luogo specifico, scegli SC2201RPW e accetta che tragga i suoi 0,8 W da un binario da 5 V anziché dall'alimentazione principale da 24 V della stampante.

7. Lista di controllo dell'integrazione per i costruttori di stampanti

Verificare la tensione rispetto alla scheda tecnica, non al titolo della pagina.Su questo modello la pagina del fornitore ha citato un intervallo di tensione diverso dalla scheda tecnica. Confermare per iscritto 3/5/8 V o 3/6/12 V prima di progettare l'alimentazione.

Pianificare il power rail.Una pompa da 5 V che assorbe meno di 160 mA è semplice da pilotare, ma la maggior parte delle stampanti desktop distribuisce 24 V. Prevedi un alimentatore dedicato da 5 V o un piccolo convertitore buck e mantieni la pompa lontana da qualsiasi binario condiviso con il riscaldatore.

Montare su ammortizzatori.Per il test del rumore in fabbrica è stata utilizzata una spugna da 5 cm, il che è un segnale diretto che l'isolamento modifica il risultato. Utilizzare supporti in elastomero ed evitare pannelli di grandi dimensioni non supportati.

Mantieni il ciclo breve.Con 6 psi disponibili, la lunghezza del tubo, il numero di raccordi e la restrizione del blocco dell'acqua sono tutti fattori importanti. Misurare la caduta di pressione del circuito assemblato o testarlo al banco.

Scegli il fluido deliberatamente.Acqua distillata con un biocida o un refrigerante specifico. Evitare fluidi abrasivi e aggressivi e controllare l'eventuale solvente contro il composto del tubo piuttosto che contro il corpo della pompa.

Sfrutta l'autoadescamento.La pompa si autoadesca e tollera piccole bolle, il che semplifica il riempimento e lo spurgo di un nuovo circuito. Non farlo funzionare a secco per lunghi periodi.

Tubo di ricambio di serie.È l'unico materiale di consumo, ci vogliono pochi minuti per cambiarlo e una stampante fuori servizio per un tubo è una stampante che il cliente ricorda.

Punti chiave

SC2201RPW è una pompa peristaltica per stampante 3D con portata nominale di 20-50 ml/min, 3/5/8 V CC, inferiore a 160 mA, con una pressione di scarico di almeno 6 psi (circa 41 kPa) e un corpo lungo 55,9 mm.

La sua cifra di rumore, inferiore a 60 dB, è stata misurata a 30 cm su una spugna di 5 cm senza alcuna ponderazione di frequenza dichiarata. Testarlo nuovamente come dB(A) a 1 m nella macchina finita prima di utilizzare il numero in una specifica.

La capacità di flusso di 20-50 mL/min corrisponde a circa 14-70 W di trasporto di calore per l'acqua, che si adatta a un singolo circuito hotend e niente di più grande.

Le stazioni di lavaggio della resina agitano 7-15 L di solvente; questa pompa gestisce il trasferimento del solvente, il rabbocco e la filtrazione, non l'agitazione.

Il dosaggio di pigmenti e additivi è l'applicazione più potente, a 0,33-0,83 ml al secondo, senza contaminazione incrociata perché viene bagnato solo il tubo.

Pubblica 300.000 cicli verificati con il ciclo di servizio di 5 s acceso/3 s spento o il risultato del test di 600.000 cicli. La cifra di 480.000 cicli che circola in alcuni materiali non ha alcun rapporto di prova alle spalle.

Essendo una pompa dell'acqua silenziosa e una micropompa per l'alimentazione di liquidi, funziona ben al di sotto delle soglie di rumore sul posto di lavoro, ma il valore acustico dovrebbe essere misurato nuovamente nel sistema di raffreddamento della stampa 3D assemblato prima di essere proposto al cliente.

Domande frequenti

Cos'è il raffreddamento ad acqua per le stampanti 3D?

Si tratta di un circuito chiuso che allontana il calore da un componente, molto spesso l'estremità fredda di un hotend, attraverso un liquido, quindi respinge quel calore verso un radiatore o un serbatoio all'esterno dell'involucro. L'acqua trasporta circa quattro volte il calore specifico dell'aria in massa, quindi un piccolo flusso di liquido trasporta molto più calore della stessa massa d'aria, motivo per cui il raffreddamento a liquido può mantenere la temperatura dell'ugello più stabile di una ventola in una camera sigillata.

Le stampanti 3D richiedono refrigerante?

No. La maggior parte delle stampanti desktop sono raffreddate ad aria e non necessitano di liquidi. Il refrigerante diventa necessario quando una macchina funziona all'interno di una camera riscaldata, quando un hotend viene spinto a portate elevate o quando l'involucro è sigillato sufficientemente ermeticamente affinché la ventola di raffreddamento faccia ricircolare solo l'aria calda. In questi casi il circuito è una scelta progettuale per la stabilità termica, non un materiale di consumo.

Quanto è veramente silenziosa la pompa peristaltica SC2201RPW?

Il produttore ha misurato meno di 60 dB a 30 cm a 5 V DC con la pompa appoggiata su una spugna di 5 cm. Si tratta di un livello più silenzioso di una normale conversazione e ben al di sotto del livello di 85 dBA al quale iniziano i programmi sul rumore sul posto di lavoro. Poiché il valore non è ponderato e viene preso a 30 cm anziché a 1 m, chiedere al fornitore una lettura ponderata A a 1 m, con e senza isolamento dalle vibrazioni, prima di confrontarla con un'altra pompa.

Una pompa da 20-50 ml/min può raffreddare un hotend da sola?

Per un singolo hotend è possibile, perché il blocco dell'acqua deve solo rimuovere il calore condotto fino al punto di interruzione del calore. A 50 ml/min e un aumento di temperatura di 10 K corrispondono a circa 35 W di capacità di trasporto, e la guida applicativa di Skoocom prevede un singolo circuito hotend a 20-50 ml/min. Non può raffreddare due hotend, una camera, driver o un letto; quelli necessitano dell'SC2301CPW a flusso più elevato.

Quanto dura l'SC2201RPW prima che necessiti di assistenza?

La pompa ha completato più di 300.000 cicli nel test di durata standard e fino a 600.000 cicli in un test esteso, sia con uno schema di funzionamento di 5 secondi che di arresto di 3 secondi. Si tratta rispettivamente di circa 667 ore e 1.333 ore di estrazione. Il tubo, non il motore, determina quando è necessaria la manutenzione e il produttore si aspetta migliaia di ore dal tubo in silicone in servizio con refrigerante, ma solo da mesi a un anno in servizio con resina.

Qual è la differenza tra SC2201RPW e SC2301CPW?

La SC2201RPW è una pompa compatta da 3/5/8 V per il dosaggio di 20-50 ml/min. SC2301CPW è una pompa da 24 V con portata nominale di 100 ml/min o più con 40-150 kPa di pressione, destinata al raffreddamento dell'hotend, alla ricarica automatizzata della resina e ai circuiti di pulizia. Scegli SC2201RPW quando è necessario posizionare con precisione un volume piccolo e ripetibile; scegli SC2301CPW quando il circuito deve mantenere una temperatura o servire più di un hotend.