Pompa di raffreddamento ad acqua per stampante 3D: SC2201RPW e pompe peristaltiche

Il raffreddamento a liquido risolve i problemi di calore che una ventola dell’aria non può raggiungere all’interno di una stampante 3D e la pompa decide se quel circuito rimane silenzioso e affidabile. La pompa a ingranaggi SC2201RPW fa circolare il refrigerante a 20-50 ml/min a una velocità inferiore a 60 dB per un singolo circuito a bassa potenza, mentre la pompa peristaltica SC2301CPW a 24 V eroga 100 ml/min e oltre quando il carico termico è maggiore. Dimensionare il flusso dal calore, quindi scegliere il refrigerante e il tubo.

Perché una stampante 3D ha bisogno di un sistema di raffreddamento ad acqua

Un sistema di raffreddamento ad acqua per la stampa 3D guadagna il suo posto quando la fonte di calore è chiusa, concentrata o continua, perché l’aria può trasportare calore solo nell’aria circostante, mentre il liquido trasporta quel calore a un radiatore che puoi posizionare ovunque sulla macchina.

Lo scorrimento termico è il caso più chiaro. All'interno di una camera sigillata a 45-55 C, la ventola dell'estremità fredda dell'hotend fa ricircolare l'aria calda anziché l'aria fredda, il filamento si ammorbidisce sopra la zona di fusione e l'ugello si intasa durante la stampa.

Il calore della camera è il secondo caso e non è solo un problema di qualità di stampa. Le linee guida pubblicate per le stampanti a filamento descrivono camere mantenute a circa 60-70 C e affermano che una stampante posizionata in una camera dovrebbe essere dotata di componenti elettronici con raffreddamento attivo per ridurre il rischio di incendio.

Le fonti concentrate sono la terza. Un modulo laser a diodi converte solo parte della sua potenza in ingresso in uscita ottica, quindi il resto viene rilasciato sotto forma di calore che deve essere allontanato da un piccolo pacchetto, e i motori passo-passo con i loro driver aggiungono pochi watt ciascuno nel telaio e nell'aria della camera.

I rapporti sul campo del produttore evidenziano il cambiamento in termini di stampante: il passaggio di un hotend al raffreddamento a liquido ha stabilizzato la sua temperatura da oscillazioni di circa 5°C a circa 1°C o meno e ha aumentato le percentuali di successo della stampa da circa il 70% a oltre il 90%.

Perché il raffreddamento ad aria esaurisce lo spazio per la testa

L’acqua trasporta circa quattro volte il calore specifico dell’aria per unità di massa – circa 4,2 J/(gK) contro circa 1,0 J/(gK) – quindi lo stesso carico termico necessita di un flusso di massa di liquido molto più piccolo rispetto a quello dell’aria. Questo rapporto, non la ventola, è ciò che rende attraente un circuito liquido una volta che il calore è intrappolato all'interno di un involucro.

Il secondo vantaggio è il routing. Una ventola può respingere il calore solo nell'aria in cui si trova, che è la stessa aria in cui viene stampata la parte. Un circuito con un radiatore esterno può respingere quel calore all'esterno della camera, quindi il raffreddamento e la temperatura della camera smettono di contrastarsi.

Quali fonti di calore sono effettivamente adatte al raffreddamento a liquido

Tabella 1. Fonti di calore in una stampante 3D, dove vanno ciascuna e se un circuito di raffreddamento è la risposta giusta.

Fonti: indicazioni del produttore sul sistema di fluidi (camera a 45-55 C, dati sul campo di raffreddamento dell'hotend) e riferimento citato sulla fabbricazione dei filamenti (camere a 60-70 C, elettronica a raffreddamento attivo); le file laser, motore ed elettronica sono pratiche ingegneristiche per questa classe di macchine.

Leggi dopo:Come scegliere un sistema fluido per stampanti 3D.

Di quanto flusso di refrigerante ha bisogno il circuito?

Il flusso segue il carico termico, non il catalogo della pompa: il flusso richiesto è uguale al carico termico diviso per la densità, il calore specifico e l'aumento di temperatura che si è disposti ad accettare. Con un aumento di 5 K, 50 ml/min di acqua trasportano circa 17 W; ad un aumento di 10 K lo stesso flusso trasporta circa 35 W.

L'equazione del flusso in unità di stampa

Per l'acqua a temperatura ambiente l'equazione si riduce a una costante: il flusso richiesto in mL/min è circa14,4 volte il carico termico in watt diviso per l'aumento consentito in Kelvin. La costante è il reciproco della densità per il calore specifico, quindi appartiene al liquido di raffreddamento anziché alla pompa.

Il glicole cambia quella costante. Una miscela 1:1 in massa di glicole e acqua ha un calore specifico di circa 3140 J/(kg.K), circa tre quarti di quello dell'acqua, quindi necessita di circa il 25% di flusso in più per lo stesso aumento di temperatura. Questo è il prezzo della protezione antigelo e vale la pena pagarlo solo quando la macchina deve sopravvivere sotto lo zero.

Tabella 2. Flusso del refrigerante necessario per sopportare un dato carico termico a tre aumenti di temperatura, per l'acqua a 25 C.

Fonte: calcolo dell'autore da Q=P / (rho xcx dT) con rho=997 kg/m3 e c=4180 J/(kg.K), ottenendo Q in mL/min=14.4 x P / dT. Utilizzare 17,9 x P/dT per una miscela acqua-glicole 1:1. I valori sono arrotondati.

Perché un flusso maggiore non significa automaticamente un raffreddamento migliore

A 50 ml/min attraverso un foro da 2,5 mm il refrigerante viaggia a circa 0,17 m/s e il numero di Reynolds è circa 420 a 20°C e 650 a 40°C - ben all'interno della banda laminare, che termina vicino a 2.300. In quel regime il coefficiente del film sulla piastra fredda è impostato dalla geometria del canale e dalla conduttività del fluido piuttosto che dalla forza di spinta della pompa, quindi raddoppiando il flusso si ottiene un aumento minore della temperatura nel fluido ma non si dimezza la resistenza termica del blocco.

La caduta di pressione si comporta allo stesso modo. Nella relazione Hagen-Poiseuille per un tubo circolare, la resistenza al flusso è inversamente proporzionale alla quarta potenza del raggio, quindi il foro conta molto più della lunghezza. Un foro da 2,5 mm che corre per 600 mm a 50 ml/min costa solo circa 0,3 kPa di attrito nel tubo diritto; dimezzare la noia lo moltiplica per sedici.

In un vero e proprio loop prevalgono comunque i raccordi. I microcanali, le connessioni rapide, i gomiti e i filtri della piastra fredda rappresentano una resistenza molto maggiore rispetto alla parete del tubo, motivo per cui i 40-150 kPa pubblicati dell'SC2301CPW sono importanti una volta che un circuito trasporta diversi raccordi e una piastra fredda a passo fine, mentre la valutazione di oltre 30 kPa dell'SC2201RPW è confortevole per un circuito breve e semplice.

Il serbatoio è una massa termica, non il percorso del calore

Un serbatoio assorbe i transitori anziché il carico stazionario. Un litro d'acqua assorbe circa 4,2 kJ per ogni kelvin che riscalda, quindi un impulso di 100 W della durata di un minuto - 6 kJ - solleva un serbatoio da un litro di circa 1,4 K, mentre un serbatoio da 100 ml aumenterebbe di circa 14 K. Dimensiona il serbatoio come un buffer e usa l'area del radiatore e il flusso per il lavoro che non si ferma mai.

Leggi dopo:Il compromesso tecnico dietro portata, pressione e rumore.

SC2201RPW: una pompa silenziosa per il raffreddamento ad acqua della stampante 3D

La SC2201RPW è una pompa a ingranaggi CC con potenza nominale di 20-50 ml/min, superiore a 30 kPa e inferiore a 60 dB a 30 cm su 3, 6 o 12 V, che la rende una pompa dell'acqua silenziosa per un singolo circuito di raffreddamento a bassa potenza anziché un circuito di radiatori ad alto flusso.

Cosa dice la specifica pubblicata

Tabella 3. Parametri SC2201RPW e cosa cambia ciascuno nel circuito di raffreddamento della stampante 3D.

Fonte: pagina delle specifiche del produttore per SC2201RPW; la colonna del calore trasportato è il calcolo dell'autore dalla Tabella 2.

Perché 20-50 ml/min è la dimensione giusta per un ciclo

Un singolo loop hotend cold-end è un carico a basso consumo. A 50 mL/min e un aumento di 10 K, l'SC2201RPW sta già spostando circa 35 W di calore, che è più di quanto un singolo intervallo di calore respinge in servizio normale - una stima ingegneristica per questa classe di macchine piuttosto che una cifra pubblicata - e un breve circuito con il foro di riferimento del produttore richiede ben meno di 30 kPa per funzionare.

Il basso flusso è una caratteristica qui, non un compromesso. Il funzionamento di questa pompa dell'acqua silenziosa a 20-50 ml/min mantiene bassi il rumore, il calore del motore e ogni superficie soggetta a usura, perché tutti aumentano con la velocità, mentre il calore che un singolo circuito a bassa potenza deve spostare no. Un circuito più lento è la soluzione ingegneristica corretta per questo compito, ed è per questo che una classificazione inferiore a 60 dB e un intervallo di flusso di 20-50 ml/min appartengono alla stessa pompa.

Il controllo è semplice perché il flusso tiene traccia della velocità del motore. Un'uscita PWM di riserva fornisce un flusso ripetibile e la guida pubblicata è quella di spostare la banda di commutazione a 20-25 kHz e mantenere il comando minimo al di sopra della zona morta, dove altrimenti la pompa ronzierebbe e riscalderebbe il suo avvolgimento senza spostare il fluido.

Figura 1. Calore trasportato da un circuito dell'acqua a tre aumenti di temperatura, con indicati gli intervalli di flusso pubblicati delle due pompe.

Fonte: calcolo dell'autore da Q=P / (rho xcx dT) per acqua a 25 C, tracciato rispetto agli intervalli di flusso pubblicati dal produttore per SC2201RPW (20-50 ml/min) e SC2301CPW (100 ml/min e oltre). Un calcolo, non una misurazione.

Leggi dopo:SC2201RPW micro pompa ad ingranaggi per ricarica resina.

Raffreddamento della pompa peristaltica: isolamento del fluido e flusso elevato

SC2301CPW è una pompa peristaltica da 24 V con portata nominale di 100 ml/min e superiore, 40-150 kPa, 60 dB o inferiore a 50 cm e 200 mA o inferiore. È la pompa a specificare quando il circuito deve trasportare più calore, tollerare bolle d'aria o mantenere i componenti elettronici completamente fuori dal percorso del fluido.

Cosa dice la specifica pubblicata

Tabella 4. Parametri SC2301CPW e cosa cambia ciascuno di essi in un circuito di raffreddamento della stampante 3D.

Fonte: riepilogo delle specifiche del produttore per SC2301CPW; la colonna del calore trasportato è il calcolo dell'autore dalla Tabella 2.

Un avvertimento sulle cifre del rumore. Le due pompe non sono pubblicate alla stessa distanza: sotto 60 dB a 30 cm per l'SC2201RPW, contro 60 dB o meno a 50 cm per l'SC2301CPW. 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 le due cifre sono vicine, quindi il numero che sembra più silenzioso è una distanza di misurazione piuttosto che una differenza di progettazione.

Figura 2. Intervalli di flusso del refrigerante per le due pompe rispetto al flusso richiesto dai circuiti comuni della stampante.

Fonti: intervalli di flusso pubblicati dal produttore per SC2201RPW (20-50 ml/min) e SC2301CPW (100 ml/min e oltre); le bande del circuito sono derivate dalla Tabella 2 con un aumento di temperatura di 10 K. Un calcolo, non una misurazione.

SC2201RPW o SC2301CPW: quale pompa per quale circuito

Tabella 5. SC2201RPW e SC2301CPW affiancati, con il calore che ciascuno può trasportare in un circuito dell'acqua.

Fonti: pagine delle specifiche del produttore per entrambi i modelli; la riga trasportata dal calore è il calcolo dell'autore da Q=14.4 x P / dT.

"Raffreddamento ad alto flusso con pompa a ingranaggi": cosa significa realmente il termine di ricerca

Gli acquirenti che cercano un sistema di raffreddamento ad alto flusso per pompe a ingranaggi di solito descrivono il lavoro piuttosto che l'hardware. In questa famiglia, la pompa a ingranaggi è il dispositivo di dosaggio: SC2201RPW sposta 20-50 ml/min, che è una pompa a basso flusso secondo qualsiasi standard di raffreddamento. Il raffreddamento ad alto flusso è assicurato dal sistema peristaltico SC2301CPW a 100 ml/min e oltre, oppure da una pompa centrifuga quando un circuito necessita di litri al minuto a bassa pressione.

La distinzione è importante perché il flusso e la pressione si contrastano invece di sommarsi. Entrambe le pompe sono volumetriche, quindi mantengono il flusso all'aumentare della resistenza del sistema, ma il loro flusso assoluto è impostato dalla cilindrata e dalla velocità, non dalla forza con cui viene azionato il motore. Se un circuito deve muoversi più di circa 70 W con un aumento di 10 K, la pompa peristaltica da 100 mL/min è il punto di partenza; al di sotto di circa 35 W, la silenziosa pompa ad ingranaggi copre il carico.

Leggi dopo:Pompa peristaltica vs pompa a ingranaggi per stampanti 3D.

Selezione del refrigerante per un sistema di raffreddamento ad acqua della stampante 3D

L'acqua distillata con un inibitore della corrosione e un biocida è il refrigerante predefinito per il circuito della stampante. Il glicole viene aggiunto solo quando la macchina deve sopravvivere sotto lo zero, perché cede circa un quarto della capacità termica del circuito e non acquista nulla a temperatura ambiente.

Acqua, glicole o liquido refrigerante premiscelato

Tabella 6. Opzioni del refrigerante per un circuito della stampante, con la proprietà che modifica il calcolo del flusso.

Fonti: calore specifico e conducibilità termica dell'acqua dal riferimento idrico citato; 1:1 in massa di glicole a circa 3140 J/(kg.K) e glicole puro a circa la metà del calore specifico dell'acqua, dal riferimento del glicole citato; la cifra di -37 C per una miscela di glicole propilenico al 50% in volume con un sistema pressurizzato dal riferimento antigelo citato.

Metalli misti: la trappola della corrosione in ogni circuito della stampante

Un circuito stampante di solito mescola i metalli senza che nessuno lo decida: un blocco freddo in alluminio, un radiatore in rame o ottone, raccordi in ottone e un morsetto in acciaio. Quando due metalli diversi condividono un fluido conduttivo, la coppia forma una cella galvanica e il metallo meno nobile si corrode. Questo è lo stesso problema per cui il liquido refrigerante per autoveicoli contiene inibitori della corrosione, perché il sistema di raffreddamento di un veicolo contiene contemporaneamente alluminio, ghisa, rame, ottone e lega per saldatura.

Seguono due regole. Mantieni il circuito su una famiglia di metalli dove possibile e fai sempre funzionare un refrigerante inibito anziché acqua pura. Gli inibitori utilizzati nei sistemi idrici includono nitrito di sodio e molibdato di sodio. Aggiungi anche un biocida: la luce e il calore fanno crescere le alghe in un circuito non trattato e il biofilm blocca quindi la piastra fredda e alimenta le particelle nella pompa.

Condensazione: la trappola a piastra fredda in una camera riscaldata

Più freddo è il liquido di raffreddamento, maggiore è il calore che può assorbire, quindi raffreddare il serbatoio è allettante. In una camera riscaldata è un errore. L'aria della camera in questa classe di stampanti si trova a circa 60-70 C e, contro una piastra fredda tenuta ben al di sotto del punto di rugiada della camera, l'acqua si condensa dall'aria direttamente sul blocco, sui raccordi e su qualsiasi cosa sotto di essi.

Mantenere il refrigerante al di sopra del punto di rugiada della camera, isolare il blocco freddo e le sue linee o dividere il circuito in un circuito primario sigillato e un circuito frigorifero secondario. Non far passare mai il circuito sopra l'alimentatore o il controller.

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Selezione del tubo di raffreddamento: tubi, fori e raccordi

Scegli i tubi in questo ordine: un materiale che sopravvive al meccanismo della pompa, una sostanza chimica che sopravvive al refrigerante, quindi il foro e la lunghezza richiesta dal calcolo del flusso. Tutto il resto è dettaglio.

Materiale: cosa tollerano i rulli e il refrigerante

Tabella 7. Materiali dei tubi per un circuito di raffreddamento della stampante, valutati in base ai criteri che effettivamente decidono la scelta.

Fonti: gamma di durezza del silicone e sua bassa resistenza alla trazione e scarsa resistenza all'usura dal riferimento del silicone citato; Durezza EPDM, range di servizio e avvertenze sul bitume dal citato riferimento EPDM; Coefficiente di attrito del PTFE e stabilità termica dal riferimento PTFE citato; le condizioni di prova da 45 Shore A e foro da 2,5 mm dal riepilogo delle specifiche del produttore. Le righe senza una cifra citata rappresentano la pratica ingegneristica per questa classe di macchine.

Foro, lunghezza e raggio di curvatura

La noia deriva dal calcolo del flusso, non dalla punta che possiedi. Il produttore testa questa famiglia di pompe con un diametro di 2,5 mm, che è un punto di riferimento sensato: mantiene il circuito nella banda laminare a 20-50 ml/min e mantiene la caduta di pressione sufficientemente bassa per una pompa con una pressione nominale superiore a 30 kPa.

Mantenere il tratto di aspirazione corto, diritto e largo quanto consentito dall'ingresso della pompa, perché l'attrito e l'aria intrappolata fanno più male prima della pompa. Mantenere piccolo il volume totale del circuito, poiché determina la durata dello spurgo e il costo del servizio di refrigerante. E rispetta il raggio di curvatura: un tubo piegato è una valvola chiusa senza preavviso, quindi percorrilo con curve generose e supporta i lunghi tratti in modo che il tubo non possa collassare sotto aspirazione.

Raccordi, morsetti e connettori rapidi

Ogni raccordo aggiunge una caduta di pressione e un percorso di perdita, quindi contali prima di scegliere la pompa. I raccordi spinati con un morsetto si adattano ai tubi in silicone morbido; i raccordi a pressione si adattano ai tubi rigidi e sono più rapidi da manutenere, al costo di una guarnizione che eventualmente deve essere sostituita.

Montare un filtro grosso in aspirazione a monte della pompa. La causa è la pompa a ingranaggi: le particelle usurano la rete degli ingranaggi e una rete usurata apre gli spazi che regolano il flusso della pompa. Su una pompa peristaltica il filtro protegge invece il tubo dall'abrasione.

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Installazione e messa in servizio

Installare la pompa sotto il serbatoio, mantenere breve il percorso di aspirazione, posizionare il serbatoio nel punto più alto con uno sfiato in corrispondenza del blocco freddo e mantenere tutte le parti elettriche sopra il fluido. Queste quattro regole prevengono la maggior parte degli errori di cui alla sezione 8.

Figura 3. Un circuito di raffreddamento della stampante nell'ordine in cui scorre il fluido, con le quattro regole di installazione più importanti.

Fonte: diagramma dell'autore. L'ordine dei componenti segue la pratica standard di raffreddamento a liquido a circuito chiuso; la regola di adescamento riflette la nota pubblicata secondo cui l'SC2201RPW non è autoadescante.

Linea di base.Registrare la temperatura ambiente, la temperatura del liquido refrigerante nel serbatoio, la temperatura della piastra fredda allo stato stazionario, la portata da una dose temporizzata in un cilindro di misurazione e la corrente della pompa.

Montare e inondare.Posizionare il serbatoio in corrispondenza o sopra l'ingresso della pompa in modo che una pompa a ingranaggi si adesca per gravità, isolare la pompa dal telaio e montare il filtro di ingresso. Una pompa peristaltica si autoadesca, ma mantiene comunque l'ingresso allagato per un flusso stabile.

Percorso e sanguinamento.Riempire il circuito, quindi far funzionare la pompa a regime basso con il raccordo più alto aperto finché il flusso di ritorno non sarà privo di bolle. Inclinare la macchina per spostare l'aria intrappolata verso il punto di spurgo.

Proteggi l'impianto elettrico.Racchiudere il driver con un grado di protezione IP adatto alla posizione, utilizzando la classificazione dell'involucro IEC 60529, mantenere gli ingressi dei cavi sotto il circuito e posizionare un vassoio di raccolta sotto i giunti. Non far passare mai i tubi sopra l'alimentatore.

Imposta l'unità.Spostare la banda PWM su 20-25 kHz, impostare il comando minimo sopra la zona morta e verificare la potenza nominale del MOSFET, il fusibile di derivazione e il diodo flyback se la pompa condivide una porta della ventola.

Verifica e registra.Ripetere la linea di base dopo 24 ore di stampa, quindi nell'intervallo di manutenzione. Un cambiamento che non sopravvive ad una giornata di caldo non è una configurazione stabile.

Tabella 8. Un registro di messa in servizio e manutenzione per un circuito di raffreddamento della stampante.

Fonti: la dose ogni 40 ore e i controlli attuali con i criteri del 5% e del 20% e gli elementi di ispezione settimanale dei tubi seguono le linee guida pubblicate sulla manutenzione del sistema dei fluidi; la fila di piastre fredde è una pratica ingegneristica per questa classe di macchine.

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Risoluzione dei problemi di un circuito di raffreddamento

La maggior parte dei guasti nel circuito del refrigerante si manifestano con una temperatura che non si stabilizza e la causa è solitamente il flusso, l'aria o i prodotti chimici piuttosto che la pompa stessa. Confrontare con il record di messa in servizio prima di modificare qualsiasi hardware.

Tabella 9. Matrice di risoluzione dei problemi per un circuito di raffreddamento della stampante.

Fonti: la dose e i criteri attuali seguono le linee guida di mantenimento pubblicate; la camera d'aria, il radiatore e le file di condensa sono pratiche ingegneristiche per questa classe di macchine.