Riduzione del rumore della pompa della stampante 3D: modifiche silenziose che durano

La riduzione del rumore della pompa della stampante 3D di solito inizia lontano dalla pompa: il supporto, il tubo e l'impostazione dell'azionamento trasportano la maggior parte del suono. Per prima cosa sistemare il percorso di montaggio, per secondo spostare la banda PWM su 20-25 kHz e per terza proteggere la parte soggetta a usura. Un valore pubblicato di 60 dB è una condizione di prova piuttosto che una promessa per la tua macchina, quindi misura a 30 cm prima e dopo ogni modifica.

Dove inizia la riduzione del rumore della pompa della stampante 3D

Una pompa fa rumore in tre punti separati e ciascuno richiede una soluzione diversa: il percorso del fluido, il motore e la sua trasmissione e la struttura a cui è imbullonata la pompa.

L'elenco dei guasti del produttore elenca cinque cause e tre sono problemi di manutenzione: minimo, incrostazioni e un ingresso bloccato che trema sotto pressione negativa. Gli altri due sono un disadattamento del drive che aggiunge un debole tono ad alta frequenza e una tolleranza tra rotore e albero, considerata la causa più importante di tutte: una variabile di progettazione che nessuna staffa può curare.

I motori a spazzole aggiungono una seconda caratteristica: l'usura delle spazzole di carbone produce scintille e rumore, e il fluido che raggiunge lo spazio tra statore e rotore può danneggiare il motore.

Come separare il lamento PWM dal rumore meccanico

Tre test separano le fonti prima di acquistare qualsiasi cosa. Mantenete costante il duty e modificate solo la frequenza PWM: se il tono si muove, il rumore è elettrico. Premere sulla staffa mentre la pompa funziona: se il volume cambia, il telaio è radiante. Confronta un avvio a freddo con una corsa di trenta minuti: un rombo che cresce nel corso delle settimane indica una scala, mentre il rumore che inizia nel momento in cui il serbatoio si svuota indica il minimo.

Tabella 1. Sorgenti di rumore della pompa, firma pubblicata di ciascuna e test che la identifica.

Fonti: nota del produttore per la risoluzione dei problemi relativi al rumore e riepilogo delle specifiche; la riga sostenuta dalla struttura è una pratica ingegneristica, non una misurazione pubblicata.

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Misurare il rumore prima di modificare la pompa

Una linea di base presa nello stesso modo batte due volte qualsiasi cifra pubblicizzata. Registrare il livello a 30 cm e 1 m al servizio che si esegue, con la macchina montata, e annotare ogni volta la distanza e il montaggio.

I due dati pubblicati non sono comparabili. La pompa da 3 V è inferiore a 60 dB a 30 cm, misurata a 5 V CC su una spugna da 5 cm; la pompa da 24 V è pubblicata a 60 dB a 50 cm senza che siano specificate le condizioni di montaggio. La pressione sonora diminuisce di circa 6 dB ogni volta che la distanza raddoppia, quindi 60 dB a 50 cm equivalgono a circa 64 dB a 30 cm in campo libero. Su base comparabile, entrambe le pompe non sono inferiori a 60 dB.

Utilizza un'app del telefono per il confronto prima e dopo, ma un contatore secondo IEC 61672-1 quando il numero verrà pubblicato, perché un telefono non ha una ponderazione dichiarata. Giudica il livello alla distanza di un braccio, dove siede l'ascoltatore.

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Installazione ammortizzante per la riduzione del rumore della pompa della stampante 3D

Un isolatore è insieme una molla e uno smorzatore, e si comporta come un filtro passa-basso meccanico: al di sopra della sua frequenza naturale riduce la trasmissione, alla risonanza la amplifica. Ecco perché lo stesso tampone in gomma può rendere una stampante più silenziosa e un'altra più rumorosa.

Installazione ammortizzante della pompa della stampante 3D

Il carico e la geometria contano più del materiale. Mantenere la compressione di lavoro all'interno del range elastico dell'isolatore, perché un cuscinetto schiacciato è un collegamento rigido, e mantenere la frequenza naturale dell'isolatore ben al di sotto della frequenza eccitata dalla pompa.

Tabella 2. Proprietà dell'elastomero per i supporti della pompa, con il supporto utilizzato nel test di rumorosità pubblicato.

Fonti: tabelle delle proprietà EPDM e silicone dai riferimenti polimerici citati; riga di montaggio dalla pagina del prodotto della pompa da 3 V. "Non dichiarato" significa che la fonte citata non pubblica il valore.

I cinque motivi per cui un retrofit ammortizzante fallisce

Ponticellare l'isolatore.Un bullone attraverso il cuscinetto, una fascetta o una staffa rigida creano un percorso parallelo e l'elastomero non fa nulla.

Tubazione rigida.Le condizioni di test documentate utilizzano silicone 45 Shore A con un foro di 2,5 mm e tratti di ingresso di 350 mm e di uscita di 250 mm. Un tubo corto e rigido trasmette le vibrazioni: troppo duro potrebbe non sigillare l'aletta, troppo morbido può collassare sotto aspirazione.

Montaggio sulla frequenza sbagliata.Un cuscinetto morbido sotto una staffa leggera può collocare la frequenza naturale del supporto all'interno dell'intervallo di eccitazione della pompa, dove amplifica invece di isolare; più massa della staffa o uno smorzatore appiattisce quel picco.

Bypassare l'isolatore con il cablaggio.Ogni cavo o tubo che attraversa l'intercapedine è un cortocircuito di vibrazione; lasciare un ciclo di servizio in ognuno di essi.

Serrare eccessivamente gli elementi di fissaggio.La compressione oltre il campo elastico trasforma l'isolatore in un distanziatore rigido.

Figura 1. Trasmissibilità modellata del supporto di una pompa: la vibrazione è amplificata alla risonanza e attenuata solo al di sopra del punto di incrocio, e uno smorzamento maggiore abbassa il picco.

Fonte: modello dell'autore che utilizza la relazione di trasmissibilità standard a un solo grado di libertà T=1 / sqrt((1 - r^2)^2 + (2 zeta r)^2) per r=f/fn, combinata con la scoperta pubblicata che un isolatore passivo è un filtro passa-basso meccanico. Un modello, non una misura.

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Modifica silenziosa con controllo della velocità PWM della pompa peristaltica

PWM imposta la velocità in base al servizio e il suono in base alla frequenza di commutazione. I punti di partenza pubblicati sono 20 kHz, una banda di 20-25 kHz per il servizio silenzioso e un avvertimento che oltre i 30-40 kHz circa un piccolo driver consuma potenza reale semplicemente commutando.

A regime basso la pompa entra in una zona morta dove l'attrito e la coppia di carico ne impediscono l'avviamento: ronza, riscalda l'avvolgimento e non muove nulla. Imposta il comando minimo al di sopra del punto di avvio affidabile e preferisci un driver che gestisca già la commutazione, la limitazione di corrente e l'avvio graduale.

Modifica silenziosa: scelta della banda di frequenza

La Figura 2 colloca la raccomandazione rispetto alla banda udibile. L'udito umano copre una gamma compresa tra 20 Hz e 20 kHz, quindi la commutazione a 20-25 kHz rimuove il lamento elettrico, mentre al di sopra di 30-40 kHz le perdite di commutazione iniziano a costare energia e calore reali.

Figura 2. Bande di commutazione PWM pubblicate rispetto alla gamma udibile dell'udito umano.

Fonti: guida applicativa PWM del produttore (punto iniziale 20 kHz, banda silenziosa 20-25 kHz, perdite di commutazione superiori a circa 30-40 kHz); intervallo uditivo compreso tra 20 Hz e 20 kHz dal riferimento acustico citato.

Cablaggio: mantiene il rumore elettrico lontano dalla stampante

Il rumore di commutazione di un motore a spazzole non rimane nel cablaggio della pompa: in una stampante può accoppiarsi ai segnali del termistore o alle tensioni di riferimento del driver passo-passo e causare letture errate. Mantenere il cablaggio della pompa lontano dal termistore e dai finecorsa, mantenere il percorso di ritorno breve e schermare i percorsi lunghi.

Gli MCU della stampante forniscono circa 25-40 mA per pin e 150-200 mA attraverso i pin di alimentazione, mentre le piccole pompe assorbono 100-500 mA, quindi una porta della ventola necessita prima della conferma del MOSFET, del fusibile e dell'headroom del binario. Utilizzare un MOSFET di livello logico low-side classificato per corrente di stallo con un fusibile di derivazione e un diodo flyback e dimensionare l'alimentazione per lo spunto: un convertitore modifica la tensione ma non crea mai corrente.

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Modifiche all'estensione della durata di vita

La vita è spesa dal calore, dal funzionamento a secco e dalle ore sotto carico, quindi le modifiche che la prolungano sono termiche, idrauliche e operative piuttosto che acustiche.

Durata della pompa peristaltica: proteggere il tubo

Il tubo determina la durata della pompa peristaltica e le linee guida pubblicate per la ricarica della stampante vanno da diversi mesi a un anno. Rilasciare l'occlusione quando la macchina è inattiva, perché un tubo mantenuto compresso continua a subire un compression set (il meccanismo coperto dai test standard del compression set) e mantenere la geometria documentata: silicone 45 Shore A, un foro di 2,5 mm e un ingresso di 350 mm con corse di uscita di 250 mm.

Le valutazioni del ciclo meritano lo stesso scetticismo delle cifre di rumore. La pagina del prodotto indica più di 300.000 cicli con uno schema di 5 secondi acceso e 3 secondi spento, oltre a un test separato che raggiunge 600.000 cicli di consegna, mentre un articolo applicativo cita una durata testata di 480.000 cicli. Considera ciascuno come una descrizione del test e pianifica la sostituzione del tubo in base alle ore, non al titolo del ciclo.

Manutenzione della pompa ad ingranaggi: giochi e adescamento

La manutenzione della pompa a ingranaggi inizia dal fluido, che funge sia da lubrificante che da cuscinetto. La specifica pubblicata vieta il funzionamento a secco oltre i 20 secondi, perché gli ingranaggi si usurano contro l'alloggiamento e aprono giochi in modo permanente, e un'uscita bloccata non arresta la pompa: aumenta perdite interne, calore e usura. Filtrare l'ingresso, adescare prima di ogni avvio e mantenere l'intervallo ambientale compreso tra 5 e 45 C con un flusso d'aria attorno al cappuccio terminale del motore.

Tabella 3. Modifiche di retrofit, il meccanismo dietro ciascuna e la forza delle prove.

Fonti: guida applicativa PWM del produttore, guida alla manutenzione del sistema di fluidi, riepilogo delle specifiche a 24 V e pagina del prodotto a 3 V; meccanismo di compressione secondo ASTM D395.

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Risoluzione dei problemi della pompa a ingranaggi e manutenzione basata sullo stato

Il percorso più veloce per la risoluzione dei problemi delle pompe a ingranaggi è aritmetico piuttosto che congetture: confrontare il flusso, la corrente e la pressione attuali con i numeri registrati al momento della messa in servizio. La maggior parte dei guasti del sistema dei fluidi è riconducibile a cinque variabili: cilindrata per giro, pressione di esercizio, viscosità, condizioni di aspirazione e ciclo di lavoro, quindi scoprire quale si è spostata rappresenta la maggior parte della diagnosi.

I criteri sono forniti dal piano di manutenzione della pompa a ingranaggi pubblicato. Ogni 40 ore di pompaggio, eseguire un controllo temporizzato della dose e una lettura della corrente: la dose entro il 5% del volume commissionato, la corrente entro il 20%. Ogni settimana, ispezionare il tubo sulla rulliera per individuare eventuali punti piatti, rigonfiamenti e anelli umidi e pulire il filtro di ingresso. Ogni mese, verificare nuovamente la calibrazione dopo ogni cambio di fluido. Ogni trimestre, sostituire il filtro, verificare il comando di avvio minimo e controllare il diodo flyback.

Tabella 4. Matrice di risoluzione dei problemi per le pompe della stampante, creata dagli elenchi di guasti e manutenzione pubblicati.

Fonti: nota di risoluzione dei problemi relativi al rumore del produttore; guida alla manutenzione del sistema dei fluidi (intervallo di 40 ore, 5% della dose e 20% dei criteri attuali).

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Una sequenza di retrofit per un fine settimana

Esegui prima i passaggi economici e reversibili e misura dopo ognuno di essi in modo da sapere quale cambiamento ha effettivamente funzionato.

Linea di base.Registrare il livello a 30 cm e 1 m durante il funzionamento, più una dose temporizzata, la corrente del motore, la pressione di erogazione e la temperatura ambiente.

Montare.Montare gli elastomeri caricati all'interno del loro range elastico, rimuovere tutto ciò che fa da ponte al cuscinetto e lasciare un anello di servizio in ogni tubo e cavo.

Percorso e guida fluidi.Mantenere la durezza e il foro del tubo documentati, adescare con l'ingresso allagato, impostare la banda PWM su 20-25 kHz al di sopra della zona morta e verificare il MOSFET, il fusibile e il diodo flyback se la pompa è collegata a una porta della ventola.

Rimisurare e registrare.Ripeti esattamente la linea di base, poi ripetila dopo 24 ore dalla stampa: un cambiamento che non sopravvive a una giornata di caldo non è una soluzione.

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Ciò che un retrofit non può risolvere

La principale fonte di rumore pubblicata in questa famiglia è la tolleranza del rotore e dell'albero, decisa in fase di progettazione e produzione. Una pompa rumorosa ad ogni velocità, allagata o asciutta, non diventerà silenziosa a causa di un bracket o di un'impostazione PWM: specificare la tolleranza e verificarla sul campione.

Anche i problemi di manutenzione non sono problemi acustici. Un ingresso ostruito, una scala e un tubo usurato sono tutti fattori che aumentano il rumore e consumano vita, quindi la riduzione del rumore più economica è spesso il servizio già dovuto alla macchina.

Anche cinque affermazioni pubblicate sono in conflitto e ciascuna dovrebbe essere risolta per iscritto prima che questa guida raggiunga una specifica. Gli stessi numeri di modello sono descritti come pompe a ingranaggi in alcune pagine e pompe peristaltiche in altre. Un modello di servizio comporta tre cifre di ciclo: più di 300.000, 480.000 testati e fino a 600.000. La tensione impostata è elencata come 3/5/8 V e come 3/6/12 V. Una pagina afferma che non sono presenti tubi di consumo mentre la pagina del prodotto descrive un percorso del fluido con tubo in silicone. La stessa pompa è quotata a più di 30 kPa e a non meno di 6 psi, circa 41 kPa.

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Punti chiave

Separare i tre percorsi del rumore prima di acquistare qualsiasi cosa: il percorso del fluido, l'azionamento del motore e la struttura a cui è imbullonata la pompa.

Un isolatore è un filtro passa-basso, non una spugna: amplifica alla risonanza e si attenua sopra quel punto, quindi il carico, la massa della staffa e la geometria contano più del materiale.

Non collegare mai l'isolatore: un bullone attraverso il cuscinetto, una fascetta o un tubo rigido riportano le vibrazioni direttamente nel telaio.

20-25 kHz è la banda PWM silenziosa pubblicata; al di sotto del ciclo di avviamento affidabile la pompa si limita a ronzare e riscalda l'avvolgimento.

I pin dell'MCU forniscono 25-40 mA mentre le piccole pompe assorbono 100-500 mA: utilizzare un MOSFET classificato per corrente di stallo con un fusibile e un diodo flyback, dimensionato per lo spunto.

La durata segue le stesse soluzioni: rilasciare l'occlusione del tubo quando è inattivo, sostituire il tubo a 500 ore o due terzi della vita e non far mai funzionare a secco una pompa a ingranaggi oltre i 20 secondi.

Domande frequenti

Quanto può ottenere la riduzione del rumore della pompa della stampante 3D?

Dipende da quale dei tre percorsi trasporta il suono più forte, quindi misura prima e dopo. I dati pubblicati per questa famiglia sono pari a 60 dB o inferiori, ma sono stati rilevati a distanze e montaggi diversi e i maggiori vantaggi derivano solitamente dalla rimozione dell'accoppiamento supportato dalla struttura piuttosto che dall'interno della pompa.

Perché la pompa della mia stampante 3D è più rumorosa di prima?

Verificare prima le cause della manutenzione: il calcare aggiunge un rimbombo progressivo, un ingresso parzialmente ostruito produce brividi, l'aria nella linea di aspirazione rende rumoroso l'avvio, un tubo con appiattimenti o rigonfiamenti modifica flusso e suono. Confrontare dose e corrente con i valori commissionati prima di incolpare la pompa.

Il controllo della velocità PWM della pompa peristaltica può ridurre da solo il rumore?

Rimuove il lamento elettrico e nient'altro. Spostare la banda di commutazione a 20-25 kHz e mantenere il comando minimo sopra la zona morta; se premendo sulla staffa si modifica il volume il problema è strutturale e non elettrico.

Come posso evitare che le vibrazioni della pompa raggiungano il telaio della stampante?

Montare la pompa su un isolatore in elastomero caricato all'interno del suo intervallo elastico, rimuovere percorsi paralleli come un bullone attraverso il cuscinetto o un tubo rigido, lasciare un circuito di servizio in ogni tubo e cavo e aggiungere massa se la staffa è leggera. Quindi misurare nuovamente alla stessa distanza.

Quanto dura il tubo della pompa peristaltica in una stampante 3D?

Le indicazioni pubblicate per la ricarica della stampante vanno da diversi mesi a un anno e il piano di manutenzione prevede la sostituzione ogni 500 ore o due terzi della durata calcolata del tubo. Ispezionarlo settimanalmente per individuare eventuali punti piatti, rigonfiamenti e anelli umidi.

Cosa devo controllare innanzitutto quando una pompa a ingranaggi smette di erogare?

Controllare nell'ordine di guasto pubblicato: funzionamento a secco oltre i 20 secondi, che apre gli spazi in modo permanente; un'uscita bloccata, che provoca perdite e calore invece di fermare la pompa; un filtro di ingresso ostruito; e fluido troppo freddo o troppo denso. Il flusso e la corrente rispetto alla linea di base separano l'usura da un blocco.