Come scegliere un sistema fluido per le stampanti 3D? Una guida comparativa completa tra pompe peristaltiche e pompe a ingranaggi

La risposta diretta: adatta al servizio, non alla categoria della pompa

Scegli il tipo di pompa in base al servizio, non all'abitudine. Utilizzare una pompa micro peristaltica per fluidi a bassa viscosità, sensibili al taglio o critici per la contaminazione a pressione da bassa a moderata e una pompa micro a ingranaggi per fluidi viscosi, pressione di erogazione più elevata o dosaggio senza impulsi. Confermare la tensione, la corrente e il costo delle parti soggette ad usura prima di ordinare.

Entrambe le famiglie sono pompe volumetriche, quindi entrambe producono un flusso sostanzialmente indipendente dalla resistenza a valle. Tutto ciò che le separa deriva da un'unica decisione progettuale: il modo in cui la pompa sigilla lo spazio tra l'ingresso e l'uscita.

La conseguenza pratica è che la scelta della pompa in un sistema di alimentazione di fluidi per la stampa 3D non è una questione di marca né di prezzo. È una domanda doverosa, alla quale rispondono cinque variabili che puoi misurare o leggere su una scheda tecnica. Quasi tutte le soluzioni di controllo dei fluidi per la stampa 3D sul mercato si riducono a una di queste due famiglie di pompe, dotate di alloggiamenti e classi di tensione diverse.

Cosa chiede effettivamente di fare una stampante 3D a una pompa?

Una stampante 3D ha quattro lavori fluidi e differiscono più di quanto ammetta la maggior parte dei consigli di selezione. Il raffreddamento dell'hotend funziona continuamente a basso flusso, il riempimento della resina viene eseguito in modo intermittente a un volume più elevato, la circolazione del lavaggio viene eseguita in lotti con fluidi aggressivi e il dosaggio viene eseguito con precisione a piccoli volumi.

Costruire innanzitutto il profilo di servizio è ciò che impedisce a un costruttore di acquistare la pompa che ha risolto il problema di qualcun altro. Un circuito di raffreddamento e una linea di dosaggio possono condividere lo stesso fluido e richiedere comunque caratteristiche della pompa opposte.

Lo scorrimento termico è la modalità di guasto che più spesso spinge un costruttore FDM verso il raffreddamento a liquido. Il filamento si ammorbidisce sopra la zona di fusione e l’estrusione si interrompe nel mezzo di una stampa, un errore documentato da Prusa Research come causa distinta di fallimento dell’estrusione a metà stampa.

Il raffreddamento a liquido vince sulla fisica piuttosto che sulla moda. L'acqua trasporta circa quattro volte il calore specifico dell'aria per chilogrammo: circa 4,18 kJ/kg·K contro circa 1,0 kJ/kg·K. Un piccolo flusso di refrigerante rimuove quindi molto più calore di quanto possa fare un grande flusso d'aria, e un radiatore può scaricare quel calore all'esterno di una camera riscaldata.

La ricarica della resina è un problema diverso con lo stesso elenco di attrezzature. Poiché la pausa di una stampa per rabboccare la vasca lascia un segno nel punto di riavvio, la pompa di riempimento deve funzionare senza sorveglianza, il che rende il rilevamento del livello e l'erogazione ripetibile di piccoli volumi i vincoli di progettazione.

Il dosaggio è il compito più difficile. L’estrusione di pasta e inchiostro è un processo a spostamento positivo guidato dalla pressione e il motore della pompa è solitamente dimensionato in base alla coppia anziché al flusso, motivo per cui tali sistemi sono progettati come assi di movimento con i propri driver.

Per i modelli in cui il circuito del fluido è solo una parte della macchina, scegli la pompa insieme al resto dell'hardware anziché fissarla alla fine. Quello del produttoreApplicazioni della pompa per stampante 3DLa pagina elenca le famiglie di pompe già distribuite sulle piattaforme di stampa.

In che modo le pompe peristaltiche e a ingranaggi muovono i fluidi in modo diverso?

Entrambe sono pompe volumetriche e differiscono nel modo in cui sigillano. Una micro pompa peristaltica comprime un tubo chiuso con rulli, quindi la tenuta è meccanica e il fluido rimane all'interno del tubo. Una pompa a microingranaggi intrappola il fluido tra i denti che ingranano e sigilla la pellicola di fluido nei propri spazi.

In una pompa peristaltica, rulli o pattini comprimono il tubo mentre ruotano, creando un vuoto che aspira il fluido. La chiusura completa del tubo nel punto di occlusione è ciò che conferisce alla pompa la sua azione di spostamento positivo: impedisce il riflusso senza alcuna valvola di ritegno e nient'altro che il tubo tocca mai il fluido.

La conseguenza ingegneristica è che l'acquisto di una pompa peristaltica è in realtà una scelta del tubo. I tubi in silicone e altri elastomeri determinano la compatibilità chimica, l'intervallo di temperatura e l'intervallo di manutenzione, e la sostituzione del tubo è un evento di consumo piuttosto che una riparazione.

In una pompa ad ingranaggi la tenuta avviene all'interno della camera pompante. Micropump descrive tre aree di tenuta dinamica: le punte dei denti degli ingranaggi contro la parete della cavità, il punto in cui i due ingranaggi si ingranano e si chiudono, e le superfici di accoppiamento degli ingranaggi, del corpo e del cappuccio terminale.

Poiché tali parti devono muoversi, devono esistere degli spazi liberi e il fluido fuoriesce dall'uscita ad alta pressione all'ingresso a bassa pressione. Questa perdita di ritorno è chiamata scorrimento ed è il fattore principale dell'efficienza volumetrica di una pompa a ingranaggi.

Leggete insieme i due meccanismi e il resto del confronto seguirà automaticamente. La viscosità domina il comportamento della pompa a ingranaggi e influisce poco sulla tenuta peristaltica. La pressione di scarico domina la capacità peristaltica e raggiunge la pompa a ingranaggi solo attraverso lo scorrimento. La questione del materiale bagnato si riduce a un tubo elastomerico in una famiglia e si estende a diverse parti metalliche e polimeriche nell'altra.

Le gamme commerciali riflettono questa divisione. Quello di Skoocomgamma di micropompe peristalticheè costruito attorno a un'erogazione a basso flusso, a bassa pressione e priva di contaminazioni, mentre i design delle pompe a ingranaggi sono posizionati attorno a un flusso regolabile a una pressione più elevata.

Quale pompa gestisce il tuo fluido? Viscosità, taglio e abrasione

Lo decide la viscosità. Una pompa microperistaltica tollera quasi ogni viscosità perché la sua tenuta non dipende dal fluido. Una pompa a microingranaggio necessita di una viscosità sufficiente affinché il film di fluido possa sigillare i suoi giochi e perde efficienza volumetrica man mano che il fluido si assottiglia.

Le pompe a ingranaggi coprono un intervallo di viscosità molto ampio in termini di catalogo: Viking Pump prevede modelli a gioco regolabile da 1 a 440.000 cSt. Il campo di utilizzo di ogni singola pompa è molto più ristretto, poiché i suoi giochi sono fissi per una fascia di fluido. Lo scorrimento aumenta all'aumentare della pressione differenziale, al diminuire della viscosità e all'usura degli ingranaggi, quindi due pompe identiche possono erogare volumi diversi su due fluidi diversi.

Il taglio è il secondo filtro. La rete degli ingranaggi impone un taglio elevato nella linea di contatto, che è innocuo per una pasta riempita e può essere dannoso per un fotopolimero che assottiglia il taglio, un'emulsione o un reagente biologico. Il percorso del tubo di una pompa peristaltica è intrinsecamente più delicato e non espone mai il fluido a una superficie metallica calda o in rapido movimento.

L'abrasione è la terza. Le particelle dure di ceramica o metallo usurano le punte degli ingranaggi e le piastre delle cavità e tale usura si manifesta con una diminuzione dell'efficienza volumetrica che non può essere ricalibrata. In una pompa peristaltica le stesse particelle abradono il tubo, ma il tubo è progettato per essere sostituito e costa una frazione della testa della pompa.

La compatibilità chimica completa il quadro. In una pompa peristaltica l'unica parte bagnata è il tubo, quindi la questione della compatibilità è una decisione relativa al materiale. In una pompa a ingranaggi il fluido incontra gli ingranaggi, l'albero, i cuscinetti e l'alloggiamento, quindi un fluido aggressivo può escludere la pompa a ingranaggi prima ancora che vengano prese in considerazione le prestazioni.

Un avvertimento vale per l'intera tabella. La viscosità deve essere indicata alla velocità di taglio effettivamente prodotta dalla pompa e alla temperatura di esercizio, poiché la maggior parte di questi fluidi non sono newtoniani e la loro viscosità misurata cambia con entrambi. Una singola figura presa con una velocità di taglio errata può spostare un fluido attraverso due righe di questa tabella.

Precisione della pulsazione e del dosaggio: quale pompa mantiene un setpoint?

Una pompa a microingranaggio mantiene meglio un setpoint. Il suo flusso è proporzionale alla velocità e in gran parte indipendente dalla pressione a valle, quindi il volume erogato segue il volume calcolato. Una pompa peristaltica eroga lo stesso flusso medio, ma con un impulso per ogni passaggio del rullo.

La frequenza di pulsazione è impostata dal numero di rulli moltiplicato per la velocità di rotazione, quindi una testa a dieci rulli che funziona a 60 giri al minuto produce dieci impulsi al secondo. Più rulli riducono l'ampiezza di ogni impulso ma aumentano la fatica subita da ogni sezione del tubo, un mestiere che il progettista della pompa ha già fatto per te.

Lo slittamento, non la pulsazione, è il limite di precisione della pompa a ingranaggi. Il volume erogato è uguale allo spostamento geometrico per giro meno il fluido che fuoriesce e la porzione fuoriuscita cresce con la pressione differenziale. Una pompa a ingranaggi è quindi più precisa rispetto a una contropressione nota e stabile.

L'applicazione decide quale effetto conta. I circuiti di raffreddamento tollerano sia le pulsazioni che i modesti errori di flusso, perché la massa termica dell'hotend e del radiatore attenua qualsiasi variazione. La ricarica della resina si preoccupa del volume erogato e non della pulsazione, poiché un rabbocco di 50-100 ml a 20-50 ml/min richiede da uno a due minuti e mezzo e nessuno osserva la forma d'onda del flusso.

Il dosaggio della pasta e dell'inchiostro si preoccupa di entrambi. Un impulso di pressione si manifesta come un difetto superficiale o una variazione nella larghezza della traccia. Un errore nel volume consegnato si manifesta come un errore dimensionale nella parte finita. Questo è il motivo per cui questi sistemi sono solitamente costruiti attorno a una pompa volumetrica azionata come asse di movimento.

Quale pompa si adatta alla scheda e al budget energetico della tua stampante?

Controlla la tensione, poi la corrente, poi lo stadio driver. Nessuna delle due pompe si collega a un pin dell'MCU: il pin commuta un gate e la corrente proviene da un binario della stampante. Entrambi funzionano meglio su un'uscita PWM che può essere limitata a un servizio sicuro.

Il lato elettrico della scelta dipende da quale binario può trasportare il carico. Una scheda stampante offre una pesante guida CC che alimenta il letto, l'hot end e le ventole, e un dominio logico a bassa corrente per l'MCU e i sensori. Solo il binario pesante ha lo spazio sufficiente per far funzionare la pompa dell'acqua della stampante 3D e il pin MCU non fa mai parte del percorso di alimentazione.

La classe di tensione non prevede l'assorbimento di corrente. La potenza è la tensione moltiplicata per la corrente, quindi una pompa peristaltica da 5-6 V che eroga fino a 100 ml/min assorbe circa 500 mA, mentre una pompa da 12 V della stessa classe di flusso assorbe 200-300 mA. La scelta della pompa a tensione più bassa per essere più delicata sull’elettronica di solito rende il problema elettrico più difficile anziché più semplice.

PWM è il normale controllo della velocità per entrambe le famiglie. Mantenere il tempo di ciclo nell'intervallo dei millisecondi e impostare un valore di avvio in modo che la pompa non possa bloccarsi con un comando basso. Klipper espone cycle_time, kick_start_time e off_below sulle sezioni di output e ventola, mentre Marlin controlla le uscite di tipo ventola tramite M106.

Aggiungere automaticamente la protezione su un ramo della pompa. Un diodo flyback sul motore, un fusibile dimensionato per il ramo anziché per la corrente di funzionamento della pompa e un driver dimensionato per la corrente di stallo costano molto poco. Insieme impediscono a una pompa bloccata di trascinare giù la tavola.

Quanto costa ciascuna pompa nel corso della sua vita?

Confronta la parte soggetta ad usura, non il prezzo di acquisto. Il costo ricorrente di una pompa peristaltica è costituito dai tubi; una pompa a ingranaggi non ha tubi consumabili, ma il suo gruppo di ingranaggi a contatto con il fluido deve sopravvivere al fluido per l'intera vita utile e la sua precisione dipende dai giochi usurati dagli abrasivi.

La durata del tubo dipende dal servizio. Il funzionamento veloce della pompa, il funzionamento contro l'alta pressione e il pompaggio di un fluido aggressivo la accorciano, mentre un tubo piatto o morbido eroga meno flusso prima di guastarsi visibilmente. L'attività di manutenzione in sé è semplice e non richiede strumenti, motivo per cui i design peristaltici sono popolari nelle macchine non presidiate. Le soluzioni di controllo dei fluidi di stampa 3D non presidiate inseriscono nel programma di manutenzione la parte soggetta a usura, non la pompa.

La vita utile dichiarata deve essere letta insieme alle condizioni di prova. I produttori citano la durata del ciclo intermittente, in genere uno schema di 5 secondi acceso e 3 secondi spento, che è esattamente il modo in cui funziona una pompa di riempimento e non come funziona una pompa di raffreddamento. Convertire i cicli in anni è l’unico confronto onesto:

Una pompa con una capacità nominale superiore a 300.000 cicli a 5 secondi accesa e 3 secondi spenta, utilizzata per dieci ricariche al giorno, è classificata per circa 30.000 giorni di tale servizio, ben oltre la durata della macchina su cui è montata.

La stessa pompa che funziona continuamente come una pompa di raffreddamento ha una durata molto più breve, perché il funzionamento continuo è ciò che consuma un tubo, non il numero di avviamenti.

I dati pubblicati per lo stesso modello possono non essere d'accordo; dove lo fanno, pianifica il numero inferiore e confermalo con la scheda tecnica fornita con la parte che ricevi.

Le pompe a ingranaggi scambiano quel materiale di consumo con un rischio diverso. Non è necessario sostituire alcun tubo e, con un fluido pulito, compatibile e adeguatamente viscoso, la pompa può funzionare per anni. I solidi abrasivi, tuttavia, riducono i giochi e con essi l'efficienza volumetrica, e un gruppo di ingranaggi usurato costituisce una sostituzione della pompa piuttosto che un articolo di manutenzione.

Esempio elaborato: parametri SC2201RPW e prestazioni SC2301CPW

Due set di dati pubblicati mostrano dove arriva la decisione. La SC2201RPW è una pompa micro peristaltica a basso flusso per il riempimento della resina, il dosaggio di refrigerante e detergente; la SC2301CPW è una pompa da 24 V a flusso maggiore per il raffreddamento dell'hotend e circuiti di ricarica più grandi.

Inizia con ilMicropompa peristaltica SC2201RPW, le cui cifre pubblicate descrivono una pompa dosatrice compatta anziché una pompa di circolazione.

I dati prestazionali dell'SC2301CPW si collocano in una classe diversa, e la differenza è intenzionale piuttosto che incrementale.

Un avvertimento pratico si applica a entrambi i modelli e a ogni codice prodotto in questo mercato. Il principio di pompaggio è un campo della scheda tecnica, non qualcosa che puoi decodificare da un numero di modello.

La SC2201RPW è descritta come una pompa peristaltica nella pagina del prodotto, ma lo stesso modello è descritto come una pompa a ingranaggi in alcuni elenchi di terze parti. Il materiale pubblicato sull'SC2301CPW utilizza entrambe le descrizioni in articoli diversi.

Prima di progettare un circuito del fluido attorno a un codice prodotto, confermare tre campi nella scheda tecnica corrente: il tipo o la struttura della pompa, i materiali bagnati e le condizioni di test alla base dei valori nominali di flusso e pressione. Un valore di portata indicato senza pressione e tensione non costituisce una specifica.

La procedura di selezione in cinque fasi

Esegui questi cinque passaggi in ordine e la classe della pompa sceglierà da sola. Scrivere il punto di lavoro, caratterizzare il fluido, decidere se la pulsazione è importante, preventivare il lato elettrico, quindi scegliere la strategia delle parti soggette a usura.

Scrivi il punto di lavoro. Registrare il fluido, il volume spostato per ciclo, il tempo consentito e la pressione necessaria nel punto di consegna. Un requisito dichiarato come flusso sufficiente non può essere testato.

Caratterizzare il fluido. Misurare la viscosità alla temperatura di esercizio e alla velocità di taglio della pompa, annotare il contenuto di solidi e la durezza delle particelle e verificare la compatibilità chimica con i materiali bagnati di ciascun candidato.

Decidi se la pulsazione è importante. Il raffreddamento e il rifornimento lo ignorano; pasta, inchiostro e qualsiasi dose che appare nella parte finita no.

Budget la parte elettrica. Confermare la tensione del rail, la corrente disponibile, lo stadio driver e se è necessario il controllo della velocità PWM, quindi aggiungere un fusibile e un diodo flyback.

Scegli la strategia delle parti soggette ad usura. Decidi chi sostituirà il tubo e con quale frequenza oppure verifica che il fluido sia sufficientemente pulito e compatibile da consentire il funzionamento di una pompa a ingranaggi senza di esso.

Quindi acquista la pompa la cui scheda tecnica corrisponde, non quella con l'elenco delle caratteristiche più lungo. ILGamma di pompe dell'acqua micro DCcopre entrambe le famiglie e la corrispondenza tra classe di tensione e requisiti di pressione rispetto al punto di lavoro è più rapida rispetto al confronto tra testi di marketing.

Domande frequenti

È meglio una pompa peristaltica o una pompa a ingranaggi per il raffreddamento della stampante 3D?

Una pompa peristaltica è la soluzione predefinita più sicura per un circuito di raffreddamento. È autoadescante, non può fuoriuscire dalla guarnizione dell'albero perché il fluido non lascia mai il tubo e il suo flusso non è influenzato dalla viscosità del liquido refrigerante. Una pompa a ingranaggi è altrettanto efficace quando il liquido refrigerante è pulito, privo di particelle abrasive e la pressione di ritorno è stabile, e aggiunge un'erogazione senza pulsazioni.

Posso far funzionare la pompa dell'acqua di una stampante 3D da una porta della ventola della scheda madre?

Spesso sì, se la classificazione della porta lo consente. Una porta della ventola è un'uscita commutata da MOSFET sul binario di alimentazione principale, che è l'architettura corretta, ma la porta può essere classificata per una piccola ventola assiale piuttosto che per una pompa che assorbe diverse centinaia di milliampere. Controlla la classificazione della porta, aggiungi un fusibile e utilizza una porta con controllo PWM se desideri il controllo della velocità.

Di quanta portata ha effettivamente bisogno un hotend raffreddato ad acqua?

Meno di quanto la maggior parte dei costruttori si aspetta, ma con margine di pressione. Un singolo circuito hotend è solitamente soddisfatto da 20-50 ml/min, quindi una pompa da 100 ml/min o più offre margine per una macchina a doppio hotend e per la resistenza di un lungo percorso del tubo. La pressione conta più del flusso di picco, perché il blocco dell'acqua e i raccordi a sgancio rapido impostano la contropressione.

Quale pompa dovrei utilizzare per la ricarica della resina SLA?

Una pompa micro peristaltica è adatta al riempimento automatico della resina perché la resina rimane all'interno del tubo, quindi non c'è resina polimerizzata da pulire dalla pompa e la sostituzione del tubo è un'operazione breve e senza attrezzi. Una micro pompa a ingranaggi vince quando la resina è viscosa e priva di pulsazioni e piccoli volumi ripetibili contano, a condizione che i materiali bagnati resistano al fotopolimero e l'ingresso rimanga allagato.

Perché una pompa a ingranaggi perde precisione con fluidi sottili?

Perché il fluido è il sigillo. Una pompa a ingranaggi fa affidamento su una sottile pellicola di fluido all'interno degli spazi tra le punte degli ingranaggi, la parete della cavità e le piastre terminali. Un fluido a bassa viscosità fuoriesce attraverso questi spazi più velocemente, quindi una parte maggiore del volume spostato ritorna all'ingresso e il volume erogato è inferiore al volume calcolato.

Di quale manutenzione ha bisogno ciascuna pompa?

Una pompa peristaltica necessita della sostituzione del tubo secondo un programma stabilito da velocità, pressione e fluido, oltre al controllo che i rulli e il binario siano puliti e non danneggiati. Una pompa a ingranaggi non necessita di tubi di consumo, ma necessita di un filtro sull'aspirazione, un'aspirazione allagata o un adescamento singolo e controlli periodici del volume erogato come indicatore dell'usura interna.

Invia il tuo punto di lavoro: fluido, viscosità di lavoro, volume per ciclo, pressione di consegna e tensione del railcontattacie la classe della pompa e la fase del driver possono essere confermate prima dell'acquisto.