Dagli inchiostri a bassa viscosità alle paste ceramiche ad alta viscosità: definire il confine di selezione tra pompe a ingranaggi e pompe peristaltiche per fluidi speciali per la stampa 3D

Il confine di gestione dei fluidi tra una pompa a ingranaggi e una pompa peristaltica si trova nel punto in cui un fluido smette di fluire sotto aspirazione e inizia ad aver bisogno di pressione per muoversi. Al di sotto di circa 1.000 mPa·s, la soluzione predefinita più sicura è una pompa peristaltica. Al di sopra di circa 10.000 mPa·s, una pompa a ingranaggi mantiene la pressione e misura senza pulsazioni. Nel mezzo, la compatibilità del fluido (abrasione, taglio e dimensione delle particelle) decide quale pompa sopravvive al servizio.

Punti chiave

La gamma di viscosità dei fluidi speciali per la stampa 3D copre più di cinque ordini di grandezza: gli inchiostri ceramici per getto d'inchiostro vengono spruzzati a 10-40 mPa·s, mentre le paste per robocasting pubblicate misurano da 2 × 10⁵ mPa·s con velocità di taglio di stampa a 2,6 × 10⁷ mPa·s.

Una pompa ad ingranaggi sigilla con il fluido stesso. Lo scorrimento aumenta al diminuire della viscosità, quindi gli inchiostri sottili perdono precisione di dosaggio a meno che i giochi non vengano ridotti, la pressione differenziale non venga mantenuta bassa e le particelle dure non vengano filtrate.

Una pompa peristaltica sigilla occludendo un tubo, quindi la tenuta dipende appena dalla viscosità. Il limite è la pressione: le pompe tubolari raggiungono circa 3–7 bar, le testine a rulli fino a 8 bar e le pompe tubolari a scarpa circa 15 bar.

L'idoneità dei materiali distingue più chiaramente in termini di abrasione e taglio. Le particelle di ceramica indossano le punte e le piastre degli ingranaggi, mentre la parte di usura peristaltica è un tubo a basso costo; gli inchiostri sensibili al taglio preferiscono il percorso del tubo a taglio basso.

Questa guida alla selezione consiglia pompe peristaltiche per fluidi a bassa viscosità, sensibili al taglio o sterili e pompe a ingranaggi per compiti di dosaggio ad alta viscosità, alta pressione o senza impulsi.

Quale intervallo di viscosità copre effettivamente ciascun tipo di pompa?

Le pompe a ingranaggi coprono la più ampia gamma di viscosità: Viking Pump prevede modelli con gioco regolabile da 1 a 440.000 cSt, mentre le pompe peristaltiche a tubo coprono fluidi da sottili a moderatamente viscosi e le pompe a tubo rinforzato si estendono in fluidi rigidi e carichi di solidi a pressione inferiore.

L'intervallo utilizzabile è più ristretto di quanto suggerito dalle schede tecniche, poiché si applicano due domande contemporaneamente: cosa fa il fluido alla pompa (usura, corrosione, fatica del tubo) e cosa fa la pompa al fluido (taglio, pulsazione, contaminazione). Per un fluido speciale per la stampa 3D, la mappatura assomiglia alla Tabella 1.

Da dove proviene il confine di gestione dei fluidi

Le due famiglie di pompe utilizzano strategie di tenuta opposte. Una pompa a ingranaggi forma tre tenute dinamiche all'interno della testa della pompa e fa affidamento su una pellicola di fluido all'interno degli spazi vuoti per separare l'uscita ad alta pressione dall'ingresso a bassa pressione. Una pompa peristaltica non lascia mai che il fluido raggiunga una guarnizione: rulli o pattini comprimono il tubo piatto e il fluido viaggia all'interno di una tasca chiusa.

Quella singola differenza spiega l’intero confine. La viscosità domina il comportamento della pompa a ingranaggi e influisce poco sulla tenuta peristaltica; la pressione di scarico è determinata dalla testata della pompa nel primo caso e dal tubo nel secondo.

Perché le pompe a ingranaggi perdono precisione di dosaggio negli inchiostri a bassa viscosità?

Una pompa ad ingranaggi sigilla un film fluido all'interno dei propri spazi. Quando il fluido è fluido, una quantità maggiore di esso ritorna dall'uscita all'ingresso - scorrimento - quindi il volume erogato scende al di sotto della cilindrata teorica e l'errore cambia con la pressione differenziale e l'usura degli ingranaggi.

Micropump descrive tre aree di tenuta dinamica in una pompa a ingranaggi: le punte degli ingranaggi contro la parete della cavità, il punto di ingranamento dei due ingranaggi e le superfici di accoppiamento dove gli ingranaggi incontrano il corpo e il coperchio terminale. I giochi sono inevitabili perché le parti devono muoversi, quindi una frazione del fluido ricicla sempre internamente.

Lo slip non è un numero fisso. La situazione peggiora all'aumentare della pressione differenziale, al diminuire della viscosità e all'usura degli ingranaggi. Questo è il motivo per cui due pompe identiche possono erogare volumi diversi su due inchiostri diversi e perché la curva flusso-pressione di una pompa a ingranaggi si piega all’aumentare della pressione.

I produttori rispondono con una strategia di liquidazione piuttosto che con una singola specifica. Viking Pump offre giochi regolabili che coprono da 1 a 440.000 cSt, quindi una famiglia di pompe può essere costruita compatta per liquidi sottili o sciolta per paste pesanti. La micropompa utilizza un pattino di aspirazione caricato a pressione che si chiude all'aumentare della pressione differenziale, mantenendo lo slittamento vicino allo zero per tutta la durata dell'ingranaggio.

Seguono tre regole per l'inchiostro a bassa viscosità. Mantenere bassa la pressione differenziale perché lo scorrimento è guidato dalla pressione. Filtra le particelle dure fino a 5 µm, perché l'usura apre gli spazi liberi e aumenta permanentemente lo scivolamento. E alimenta la pompa da una presa allagata: le pompe a ingranaggi non sono autoadescanti e non dovrebbero mai funzionare a secco. Laddove tali regole non possono essere soddisfatte, una pompa peristaltica è la scelta di dosaggio più stabile, poiché il suo volume spostato è impostato dal tubo anziché da un gioco.

Perché le pompe peristaltiche smettono di funzionare con la pasta ad alta viscosità?

Perché il tubo è il recipiente a pressione. Una pompa peristaltica crea pressione comprimendo un tubo flessibile o un tubo, quindi la pressione di scarico che può raggiungere è limitata dalla resistenza e dalla durata a fatica di quel tubo, non dal fluido.

Le due classi peristaltiche hanno soffitti diversi. Le pompe tubolari di precisione sono costruite per bassa pressione e dosaggio: Verderflex Ds500 eroga fino a 30 L/h a una pressione di scarico massima di 7 bar e la gamma Microdos OEM è nominale a 3 bar. Le pompe peristaltiche rinforzate vanno oltre: Verderflex Dura raggiunge 55.000 L/h e fino a 16 bar, con una precisione di dosaggio del ±1% e un'altezza di aspirazione di 9,5 m. Il design della testa della pompa fa il resto: le teste a rulli supportano pressioni fino a 8 bar, mentre le teste a pattino distribuiscono il carico su un'area più ampia e sono preferite per pressioni più elevate, fino a circa 15 bar, e per liquidi più viscosi.

Il pompaggio di materiale viscoso mette a dura prova anche la fase di aspirazione. Una pompa peristaltica aspira il fluido quando il tubo compresso ritorna indietro; una pasta con un carico di snervamento resiste a tale recupero e può cavitare invece di riempire il tubo. Il servizio ad alta viscosità richiede quindi un'alimentazione allagata o pressurizzata anziché un'aspirazione, anche se la pompa si autoadesca facilmente in fluidi sottili.

L'ultimo limite è il tubo stesso. I tubi peristaltici cedono a causa dell'affaticamento del loro strato di rinforzo e il flusso decade con l'invecchiamento del tubo. La guida alla scelta di AxFlow è quella di sovradimensionare la pompa e farla funzionare più lentamente, il che aumenta la durata del tubo al costo di una testa della pompa più grande. Quando l'ugello necessita di una pressione maggiore di quella che il tubo può sostenere, non si applica alcuna opzione peristaltica: l'estrusione della pasta si sposta verso un estrusore volumetrico alimentato da un pistone o un pistone, dove la coppia genera la pressione anziché la forza del tubo.

In che modo viene decisa la compatibilità dei fluidi tra i due tipi di pompe?

La sensibilità all'abrasione e al taglio tira in direzioni opposte. Le particelle di ceramica dura distruggono le pompe a ingranaggi a gioco ridotto ma usurano solo un tubo peristaltico; Gli inchiostri sensibili al taglio sopravvivono a una pompa peristaltica ma possono essere danneggiati all'interno degli spazi di una pompa a ingranaggi.

La polvere di ceramica è dura, motivo per cui Micropump consiglia una filtrazione fino a 5 µm ovunque le particelle siano dure: tali particelle accelerano l'usura all'interno di una pompa a ingranaggi. Un inchiostro per robocasting è formulato con più del 40% in volume di polvere ceramica, con dimensioni delle particelle molto superiori a quelle del filtro, quindi una pompa a ingranaggi di precisione non può essere protetta in tale compito senza cambiare l'inchiostro. Laddove oggi le pompe a ingranaggi vengono utilizzate nella ceramica, fanno circolare inchiostro fine e pigmentato verso le testine di stampa delle stampanti digitali per piastrelle, e i fornitori specificano materiali per pompe resistenti all’abrasione proprio per questo motivo.

Il taglio è il secondo asse. Le pompe peristaltiche sono descritte dai loro fornitori come a basso taglio, perché il fluido viene spinto attraverso un tubo invece di essere forzato attraverso spazi ristretti, un requisito per polimeri, gel e bioinchiostri carichi di cellule sensibili al taglio. Una pompa a ingranaggi espone il fluido a un elevato taglio sulle punte degli ingranaggi e nella rete, il che è accettabile per inchiostri e paste pigmentati ma rischioso per i sistemi sensibili al taglio.

Il controllo della contaminazione è il terzo. In una pompa peristaltica il fluido entra in contatto solo con il tubo, quindi la contaminazione incrociata viene eliminata e diventa possibile un percorso del fluido monouso: il motivo per cui le pompe peristaltiche dominano la movimentazione dei liquidi sterili. Una pompa a ingranaggi espone il fluido a ingranaggi, piastre e guarnizioni, quindi la convalida della pulizia, il volume morto e la compatibilità dei materiali diventano tutti parte del progetto.

La temperatura imposta la finestra pratica. Verderflex valuta i tubi Verderprene da +10 gradi a +85 gradi e il silicone vulcanizzato al platino da −20 gradi a +80 gradi con approvazione USP Classe VI e sconsiglia di pompare liquidi superiori a 85 gradi. Le pompe a ingranaggi, con parti a contatto con il fluido disponibili in acciaio inossidabile, PTFE, Ryton o PEEK, non sono vincolate dal limite elastico del tubo.

Pompa a ingranaggi e pompa peristaltica: confronto diretto tra tipi di pompa

In servizio la divisione è netta. Le pompe peristaltiche vincono nei percorsi dei fluidi autoadescanti, a secco, a basso taglio e monouso. Le pompe a ingranaggi vincono in termini di pressione, flusso senza impulsi e stabilità di dosaggio in fluidi densi e ricchi di solidi.

In un sistema di stampa 3D specializzato, i due tipi di pompe vengono spesso combinati anziché scelti tra loro. Una pompa peristaltica dosa o ricircola il fluido dal serbatoio, poiché gestisce facilmente l'aspirazione, i solidi e la contaminazione, mentre una pompa a ingranaggi fornisce la pressione e il flusso senza impulsi necessari all'ugello o alla testina di stampa. La questione limite diventa quindi quale pompa possiede la funzione di dosaggio.

Laddove il fluido è fluido e la tolleranza di dosaggio è moderata, la pompa peristaltica dovrebbe gestirlo. Laddove il fluido è denso, abrasivo o deve essere erogato sotto pressione in un piccolo orifizio, la pompa a ingranaggi dovrebbe possederlo e qualsiasi pompa peristaltica nel circuito dovrebbe essere trattata come una pompa di alimentazione.

Quali proprietà del fluido oltre alla viscosità spostano il confine?

Lo stress di snervamento, il carico di solidi, la dimensione e la forma delle particelle, la temperatura, la tixotropia e il ciclo di lavoro spostano tutti il ​​limite utilizzabile, a volte di un ordine di grandezza in entrambe le direzioni.

Come devo impostare il percorso del fluido per ciascun tipo di pompa?

Caratterizzare il fluido alla temperatura di stampa e alla velocità di taglio che la pompa vedrà, fissare il punto di lavoro, quindi scegliere la pompa che soddisfa entrambi. Dieci passaggi coprono la maggior parte dei fluidi speciali per la stampa 3D.

Misurare la viscosità apparente a più di un tasso di taglio, alla temperatura che il fluido raggiungerà nella pompa. Utilizzare un metodo rotazionale per materiali non newtoniani (ISO 3219-2, ASTM D2196) e un metodo cono e piastra ad alto taglio in cui il fluido passa attraverso un piccolo orifizio (ASTM D4287). Una tazza di flusso (ISO 2431) è adeguata solo per controlli rapidi in officina degli inchiostri quasi newtoniani.

Convertire le unità prima di confrontare i cataloghi. La viscosità cinematica e dinamica sono legate dal peso specifico: cSt × peso specifico=cP e cP ÷ peso specifico=cSt.

Fissare il punto di lavoro: portata richiesta, pressione richiesta all'ugello o alla testina di stampa e le condizioni attorno al serbatoio.

Applicare le regole limite in ordine: prima la banda di viscosità, poi l'abrasione, il taglio e la sterilità. La tabella 1 è il punto di partenza.

Per una pompa peristaltica, dimensionare al di sopra del punto di lavoro e funzionare più lentamente; la durata del tubo aumenta al diminuire della velocità del rotore.

Nel caso in cui una pompa peristaltica alimenti un ugello, montare uno smorzatore di pulsazioni; una portata uniforme e costante protegge i componenti a valle.

Per una pompa a ingranaggi, progettare un'aspirazione allagata e non farla mai funzionare a secco. Aggiungere un percorso di scarico, perché lo scorrimento e la pressione del sistema cambiano con qualsiasi restrizione a valle.

Specificare il filtraggio in base alla durezza delle particelle - 5 µm per le particelle dure, più grossolano solo dove le particelle sono morbide, e verificare che i solidi dell'inchiostro siano al di sotto del limite.

Seleziona il composto del tubo o del tubo flessibile in base ai requisiti chimici, di temperatura e normativi e ricorda il pratico soffitto di 85 gradi.

Calibrare sulla testina di stampa anziché all'uscita della pompa ed eseguire nuovamente la verifica man mano che il tubo invecchia, poiché il flusso peristaltico diminuisce con l'affaticamento del tubo.

Quale pompa dovresti scegliere per il tuo fluido per stampa 3D?

Scegli la peristaltica per fluidi sottili, sensibili al taglio o sterili a pressione moderata e l'attrezzatura per fluidi densi, abrasivi o ad alta pressione. Cinque regole risolvono la maggior parte dei casi.

Sotto 1.000 mPa·s senza solidi abrasivi e pressione moderata: pompa peristaltica. Misura il volume del tubo, tollera bene i fluidi sottili e mantiene il fluido all'interno del tubo.

Sotto i 1.000 mPa·s, ma il fluido deve essere iniettato in una testina di stampa sotto pressione: pompa a ingranaggi a gioco ridotto con filtraggio da 5 µm, bassa pressione differenziale e calibrazione gravimetrica.

Tra 1.000 e 10.000 mPa·s con solidi teneri o disciolti: pompa a ingranaggi, perché la viscosità ora sigilla i giochi e il flusso senza impulsi migliora la deposizione.

Oltre 10.000 mPa·s con particelle ceramiche dure: pompa a ingranaggi solo se il design tollera l'usura e un'alimentazione allagata; altrimenti un estrusore volumetrico alimentato a pistone, poiché le pompe tubolari sono al di fuori del loro intervallo di pressione.

Sterile, monouso o critica per la contaminazione crociata: pompa peristaltica con tubo USP Classe VI, a qualsiasi viscosità all'interno della pressione nominale del tubo.

Se stai specificando il percorso del fluido per l'estrusione di pasta o il getto di materiale, i nostri ingegneri possono rivedere la scelta della pompa, la disposizione di alimentazione e l'interfaccia della testina di stampa rispetto ai dati del fluido. Condividi la curva reologica e il punto di lavoro attraverso il nsServizio di stampa 3Dpagina orichiedi un preventivoe confermeremo quale tipo di pompa dovrebbe possedere la funzione di dosaggio.

Domande frequenti

Una pompa peristaltica può gestire la pasta ceramica?

Entro i limiti. Le pompe peristaltiche spostano fluidi rigidi e carichi di solidi, ma solo alla pressione che il tubo può sostenere: i modelli Verderflex Dura di fascia media raggiungono 12 bar e lasciano passare particelle fino a 2,5 mm. Una pompa tubolare di precisione è un caso diverso: la pasta per robocasting ad alto contenuto di solidi richiede più pressione di quella che il tubo può fornire, quindi l'estrusione della pasta normalmente utilizza un'alimentazione a pistone o pistone.

Una pompa a ingranaggi può gestire inchiostro a bassa viscosità?

Sì, ma la precisione dipende dal design. Lo scorrimento aumenta al diminuire della viscosità, quindi specificare spazi stretti, mantenere bassa la pressione differenziale e filtrare le particelle dure a 5 µm. Aspettatevi di calibrare sulla testina di stampa piuttosto che fidarvi della cifra di spostamento teorico.

Quale viscosità è troppo alta per una pompa peristaltica?

Non esiste un numero unico, perché il vero limite è la pressione e non la viscosità. Una pompa a tubo con pressione nominale di 3–7 bar smette di essere pratica quando il fluido ha bisogno di più pressione per muoversi di quella che il tubo può contenere. La pasta ceramica rigida nella classe 10⁵ mPa·s va oltre le pompe peristaltiche e le pompe peristaltiche la gestiscono solo a flusso ridotto.

Quale pompa è migliore per i fanghi ceramici abrasivi?

Una pompa peristaltica a tubo o tubo, perché l'unica parte soggetta ad usura è il tubo o tubo e viene sostituito regolarmente: non è necessario mantenere alcuno spazio libero. Le pompe a ingranaggi possono far funzionare fluidi abrasivi, ma l'usura apre gli spazi liberi e aumenta permanentemente lo scorrimento, motivo per cui si consiglia una filtrazione da 5 µm per le particelle dure.

Come si misura la viscosità per la selezione della pompa?

Utilizzare un reometro o un viscosimetro rotazionale per fluidi non newtoniani (ISO 3219-2, ASTM D2196), un metodo a cono e piastra ad alto taglio in cui il fluido passa un piccolo orifizio (ASTM D4287) e una coppa di flusso (ISO 2431) solo per confronti rapidi di inchiostri quasi newtoniani. Riportare sempre la temperatura e la velocità di taglio insieme al valore.

Le pompe a ingranaggi danneggiano i fluidi sensibili al taglio?

Possono. Il fluido che passa attraverso gli spazi liberi e la rete degli ingranaggi è sottoposto a un taglio elevato, motivo per cui le pompe peristaltiche sono consigliate per prodotti sensibili al taglio come gel, polimeri e colture cellulari. Per gli inchiostri pigmentati e le paste ceramiche tale taglio non costituisce un problema.

In conclusione

Il confine tra pompe a ingranaggi e pompe peristaltiche è un confine di pressione espresso in termini di viscosità: le pompe peristaltiche sigillano meccanicamente ma non possono sviluppare alta pressione, mentre le pompe a ingranaggi sviluppano pressione ma sigillano solo nella misura consentita dal fluido. Abbina viscosità, abrasione e taglio a tali vincoli, quindi verifica con un ciclo di calibrazione sulla testina di stampa.