Pompă de răcire cu apă pentru imprimantă 3D: SC2201RPW și pompe peristaltice

Răcirea cu lichid rezolvă problemele de căldură pe care un ventilator de aer nu poate ajunge în interiorul unei imprimante 3D, iar pompa decide dacă acea buclă rămâne silențioasă și fiabilă. Pompa cu angrenaje SC2201RPW circulă lichidul de răcire la 20-50 ml/min sub 60 dB pentru o singură buclă de putere redusă, în timp ce SC2301CPW peristaltic de 24 V furnizează 100 ml/min și mai mult atunci când sarcina termică este mai mare. Măriți debitul de la căldură, apoi alegeți lichidul de răcire și tubulatura.

De ce o imprimantă 3D are nevoie de un sistem de răcire cu apă

Un sistem de răcire cu apă de imprimare 3D își câștigă locul atunci când sursa de căldură este închisă, concentrată sau continuă, deoarece aerul poate transporta căldură doar în aerul din jurul său, în timp ce lichidul transportă căldura către un radiator pe care îl puteți plasa oriunde pe mașină.

Fluxul de căldură este cel mai clar caz. În interiorul unei camere etanșe la 45-55 C, ventilatorul de la capătul rece al unui hotend recirculează aer cald în loc de aer rece, filamentul se înmoaie deasupra zonei de topire, iar duza se înfundă la mijlocul imprimării.

Căldura camerei este al doilea caz și nu este doar o problemă de calitate a imprimării. Ghidurile publicate pentru imprimantele cu filament descriu camere menținute la aproximativ 60-70 C și afirmă că o imprimantă plasată într-o cameră ar trebui să aibă electronice cu răcire activă pentru a reduce riscul de incendiu.

Sursele concentrate sunt a treia. Un modul laser cu diodă convertește doar o parte din puterea sa de intrare în ieșire optică, astfel încât restul părăsește sub formă de căldură care trebuie să fie condusă departe de un pachet mic, iar motoarele pas cu pas cu driverele lor adaugă câțiva wați fiecare în cadru și aerul camerei.

Rapoartele de teren ale producătorului arată schimbarea în termenii imprimantei: mutarea unui hotend la răcire cu lichid ia stabilizat temperatura de la variații de aproximativ 5 C la aproximativ 1 C sau mai puțin și a crescut ratele de succes de imprimare de la aproximativ 70 la sută la mai mult de 90 la sută.

De ce răcirea cu aer rămâne fără spațiu liber

Apa transportă de aproximativ patru ori căldura specifică a aerului pe unitatea de masă - aproximativ 4,2 J/(gK) față de aproximativ 1,0 J/(gK) - așa că aceeași sarcină termică necesită un flux de masă mult mai mic de lichid decât cel de aer. Acest raport, nu ventilatorul, este ceea ce face o buclă de lichid atractivă odată ce căldura este prinsă în interiorul unei carcase.

Al doilea avantaj este rutarea. Un ventilator poate respinge căldura doar în aerul în care se află, care este același aer în care se imprimă piesa. O buclă cu un radiator extern poate respinge acea căldură în afara camerei, astfel încât răcirea și temperatura camerei încetează să se lupte între ele.

Ce surse de căldură se potrivește cu răcirea lichidă

Tabelul 1. Surse de căldură într-o imprimantă 3D, unde merge fiecare și dacă o buclă de lichid de răcire este răspunsul corect.

Surse: ghidul producătorului pentru sistemul de fluide (camera 45-55 C, date de câmp de răcire hotend) și referința citată pentru fabricarea filamentului (camere 60-70 C, electronică răcită activ); rândurile laser, motoare și electronice sunt o practică de inginerie pentru această clasă de mașini.

Citește în continuare:Cum să alegi un sistem fluid pentru imprimante 3D.

De cât debit de lichid de răcire are nevoie bucla?

Debitul urmează sarcina termică, nu catalogul pompei: debitul necesar este egal cu sarcina termică împărțită la densitate, căldură specifică și creșterea temperaturii pe care sunteți dispus să o acceptați. La o creștere de 5 K, 50 ml/min de apă transportă aproximativ 17 W; la o creștere de 10 K, același debit transportă aproximativ 35 W.

Ecuația fluxului în unitățile de imprimantă

Pentru apa aproape de temperatura camerei, ecuația se prăbușește într-o constantă: debitul necesar în ml/min este de aproximativDe 14,4 ori sarcina termică în wați împărțită la creșterea permisă în kelvin. Constanta este inversul densității cu căldura specifică, deci aparține lichidului de răcire mai degrabă decât pompei.

Glicolul schimbă această constantă. Un amestec 1:1 în masă de glicol și apă are o căldură specifică de aproximativ 3140 J/(kg.K), aproximativ trei sferturi din apă, deci are nevoie de aproximativ 25% mai mult debit pentru aceeași creștere a temperaturii. Acesta este prețul protecției împotriva înghețului și merită plătit numai atunci când mașina trebuie să supraviețuiască sub îngheț.

Tabelul 2. Debitul de lichid de răcire necesar pentru a transporta o sarcină termică dată la trei creșteri de temperatură, pentru apă la 25 C.

Sursa: calculul autorului din Q=P / (rho xcx dT) cu rho=997 kg/m3 și c=4180 J/(kg.K), dând Q în mL/min=14.4 x P / dT. Utilizați 17,9 x P / dT pentru un amestec apă-glicol 1:1. Valorile sunt rotunjite.

De ce mai mult debit nu înseamnă automat o răcire mai bună

La 50 ml/min printr-un orificiu de 2,5 mm, lichidul de răcire se deplasează cu aproximativ 0,17 m/s, iar numărul Reynolds este de aproximativ 420 la 20 C și 650 la 40 C - bine în interiorul benzii laminare, care se termină aproape de 2.300. În acest regim, coeficientul peliculei de la placa rece este stabilit de geometria canalului și de conductivitatea fluidului, mai degrabă decât de cât de tare împinge pompa, astfel încât dublarea debitului cumpără o creștere mai mică a temperaturii în fluid, dar nu înjumătățește rezistența termică a blocului.

Căderea de presiune se comportă în același mod. În relația Hagen-Poiseuille pentru un tub circular, rezistența la curgere este invers proporțională cu puterea a patra a razei, deci alezajul contează mult mai mult decât lungimea. Un orificiu de 2,5 mm care rulează 600 mm la 50 ml/min costă doar aproximativ 0,3 kPa de frecare pe țeavă dreaptă; înjumătățirea alezajului îl înmulțește cu șaisprezece.

Într-o buclă reală, armăturile domină oricum. Micro-canalele cu plăci reci, deconectarea rapidă, coturile și filtrele reprezintă mult mai multă rezistență decât peretele tubului, motiv pentru care 40-150 kPa publicate a SC2301CPW contează odată ce o buclă poartă mai multe fitinguri și o placă rece cu pas fin, în timp ce SC2201RPW este mai confortabil pentru un scurtcircuit de 30 kPa.

Rezervorul este masa termică, nu calea căldurii

Un rezervor absoarbe tranzitorii mai degrabă decât sarcina la starea de echilibru. Un litru de apă consumă aproximativ 4,2 kJ pentru fiecare kelvin pe care îl încălzește, așa că un impuls de 100 W care durează un minut - 6 kJ - ridică un rezervor de un litru cu aproximativ 1,4 K, în timp ce un rezervor de 100 ml ar crește cu aproximativ 14 K. Dimensiune rezervorul ca tampon și nu oprește niciodată radiatorul.

Citește în continuare:Compromisul tehnic din spatele debitului, presiunii și zgomotului.

SC2201RPW: o pompă de răcire cu apă silențioasă a imprimantei 3D

SC2201RPW este o pompă DC cu angrenaje evaluată la 20-50 mL/min, mai mult de 30 kPa și sub 60 dB la 30 cm la 3, 6 sau 12 V, ceea ce o face o pompă de apă silențioasă pentru o singură buclă de lichid de răcire de putere redusă, mai degrabă decât un circuit de radiator cu debit mare.

Ce spune specificația publicată

Tabelul 3. Parametrii SC2201RPW și ceea ce se modifică fiecare într-o buclă de lichid de răcire a imprimantei 3D.

Sursa: pagina cu specificațiile producătorului pentru SC2201RPW; coloana transportată de căldură este calculul autorului din tabelul 2.

De ce 20-50 ml/min este dimensiunea potrivită pentru o buclă

O singură buclă de capăt rece este o sarcină de putere redusă. La 50 ml/min și o creștere de 10 K, SC2201RPW mută deja aproximativ 35 W de căldură, ceea ce este mai mult decât o singură pauză de căldură respinsă în regim normal - o estimare de inginerie pentru această clasă de mașini, mai degrabă decât o cifră publicată - și o buclă scurtă cu alezajul de referință al producătorului are nevoie de mult sub 30 kPa pentru a rula.

Debitul scăzut este o caracteristică aici, nu un compromis. Funcționarea acestei pompe de apă silențioasă la 20-50 ml/min menține zgomotul, căldura motorului și fiecare suprafață de uzură scăzute, deoarece toate cresc odată cu viteza, în timp ce căldura pe care o singură buclă de putere redusă trebuie să se miște nu se deplasează. O buclă mai lentă este comerțul ingineresc corect pentru această sarcină și de aceea o evaluare sub-60 dB și un interval de debit de 20-50 ml/min aparțin aceleiași pompe.

Controlul este simplu, deoarece debitul urmărește viteza motorului. O ieșire PWM de rezervă oferă un flux repetabil, iar îndrumarea publicată este de a muta banda de comutare la 20-25 kHz și de a menține comanda minimă deasupra zonei moarte, unde pompa, altfel, și-ar zâmbi și încălzi înfășurarea fără a mișca fluidul.

Figura 1. Căldura transportată de o buclă de apă la trei creșteri de temperatură, cu intervalele de debit publicate ale celor două pompe marcate.

Sursa: calculul autorului din Q=P / (rho xcx dT) pentru apă la 25 C, reprezentat grafic în raport cu intervalele de debit publicate de producător pentru SC2201RPW (20-50 mL/min) și SC2301CPW (100 mL/min și peste). Un calcul, nu o măsurare.

Citește în continuare:SC2201RPW micro pompă cu angrenaj pentru reumplere cu rășină.

Răcire cu pompă peristaltică: izolare fluidă și debit mare

SC2301CPW este o pompă peristaltică de 24 V cu o viteză de 100 ml/min și mai mult, 40-150 kPa, 60 dB sau mai puțin la 50 cm și 200 mA sau mai puțin. Pompa este cea care trebuie să specifice când bucla trebuie să transporte mai multă căldură, să tolereze bulele de aer sau să mențină electronicele complet departe de calea fluidului.

Ce spune specificația publicată

Tabelul 4. Parametrii SC2301CPW și ceea ce se modifică fiecare într-o buclă de lichid de răcire a unei imprimante 3D.

Sursa: rezumatul specificațiilor producătorului pentru SC2301CPW; coloana transportată de căldură este calculul autorului din tabelul 2.

O atenție asupra cifrelor de zgomot. Cele două pompe nu sunt publicate la aceeași distanță: sub 60 dB la 30 cm pentru SC2201RPW, față de 60 dB sau mai puțin la 50 cm pentru SC2301CPW. Presiunea sonoră scade cu aproximativ 6 dB de fiecare dată când distanța se dublează, astfel încât 60 dB la 50 cm este de aproximativ 64 dB la 30 cm în câmp liber. Pe o bază similară, cele două cifre sunt apropiate, astfel încât numărul cu aspect mai silențios este mai degrabă o distanță de măsurare decât o diferență de proiectare.

Figura 2. Intervalele de debit de lichid de răcire pentru cele două pompe în raport cu debitul de care au nevoie buclele comune ale imprimantei.

Surse: intervalele de debit publicate de producător pentru SC2201RPW (20-50 mL/min) și SC2301CPW (100 mL/min și mai sus); benzile buclei sunt derivate din Tabelul 2 la o creștere a temperaturii cu 10 K. Un calcul, nu o măsurare.

SC2201RPW sau SC2301CPW: care pompă pentru ce buclă

Tabelul 5. SC2201RPW și SC2301CPW unul lângă altul, cu căldura pe care fiecare o poate transporta într-o buclă de apă.

Surse: pagini de specificații ale producătorului pentru ambele modele; rândul transportat de căldură este calculul autorului din Q=14.4 x P / dT.

„Răcire cu debit mare pompă cu angrenaje”: ce înseamnă cu adevărat termenul de căutare

Cumpărătorii care caută răcire cu debit mare cu pompă de viteze descriu de obicei munca mai degrabă decât hardware-ul. În această familie, pompa cu angrenaje este dispozitivul de dozare: SC2201RPW se mișcă cu 20-50 mL/min, care este o pompă cu debit scăzut pentru orice standard de răcire. Funcția de răcire cu debit mare este asigurată de SC2301CPW peristaltic la 100 ml/min și mai mult sau de o pompă centrifugă atunci când o buclă are nevoie de litri pe minut la presiune scăzută.

Distincția contează deoarece fluxul și presiunea tranzacționează unul împotriva celuilalt, mai degrabă decât se adaugă. Ambele pompe sunt cu deplasare pozitivă, deci păstrează debitul pe măsură ce rezistența sistemului crește, dar debitul lor absolut este stabilit de deplasare și viteză, nu de cât de greu este antrenat motorul. Dacă o buclă trebuie să se miște mai mult de aproximativ 70 W la o creștere de 10 K, pompa peristaltică de 100 ml/min este punctul de pornire; sub aproximativ 35 W, pompa cu viteze silențioasă acoperă sarcina.

Citește în continuare:Pompă peristaltică vs pompă cu angrenaje pentru imprimante 3D.

Selectarea lichidului de răcire pentru un sistem de răcire cu apă a imprimantei 3D

Apa distilată cu un inhibitor de coroziune și un biocid este lichidul de răcire implicit pentru o buclă de imprimantă. Glicolul este adăugat numai atunci când mașina trebuie să supraviețuiască sub îngheț, deoarece renunță la aproximativ un sfert din capacitatea de căldură a buclei și nu cumpără nimic la temperatura camerei.

Apă, glicol sau un lichid de răcire preamestec

Tabel 6. Opțiuni de lichid de răcire pentru o buclă de imprimantă, cu proprietatea care modifică calculul debitului.

Surse: căldura specifică și conductibilitatea termică a apei din referința de apă citată; 1:1 în masă glicol la aproximativ 3140 J/(kg.K), şi glicol pur la aproximativ jumătate din căldura specifică a apei, de la referinţa de glicol citată; cifra de -37 C pentru un amestec de propilenglicol de 50% în volum cu un sistem presurizat din referința antigel citată.

Metale mixte: capcana de coroziune în fiecare buclă de imprimantă

O buclă de imprimantă amestecă de obicei metale fără ca nimeni să decidă: un bloc rece de aluminiu, un radiator de cupru sau alamă, fitinguri din alamă și o clemă inoxidabilă. Acolo unde două metale diferite împart un fluid conductiv, perechea formează o celulă galvanică, iar metalul mai puțin nobil corodează. Aceasta este aceeași problemă care face ca lichidul de răcire auto să poarte inhibitori de coroziune, deoarece un sistem de răcire a vehiculului conține aluminiu, fontă, cupru, alamă și lipire în același timp.

Urmează două reguli. Păstrați bucla la o familie de metal unde puteți și utilizați întotdeauna un lichid de răcire inhibat, mai degrabă decât apă goală. Inhibitorii utilizați în sistemele de apă includ nitritul de sodiu și molibdatul de sodiu. Adăugați și un biocid: lumina și căldura cresc alge într-o buclă netratată, iar biofilmul blochează apoi placa rece și alimentează particule în pompă.

Condens: capcana cu placă rece într-o cameră încălzită

Cu cât lichidul de răcire este mai rece, cu atât poate absorbi mai multă căldură, așa că răcirea rezervorului este tentantă. Într-o cameră încălzită este o greșeală. Aerul camerei din această clasă de imprimante se află aproape de 60-70 C, iar pe o placă rece menținută cu mult sub punctul de rouă al camerei, apa se condensează din aer direct pe bloc, fitinguri și orice lucru de sub ele.

Mențineți lichidul de răcire deasupra punctului de rouă al camerei, izolați blocul rece și liniile acestuia sau împărțiți bucla într-un circuit primar etanș și un circuit secundar de răcire. Nu dirijați niciodată bucla deasupra sursei de alimentare sau a controlerului.

Citește în continuare:Rezolvarea blocajelor, bulelor și scurgerilor de la parametrii micropompei.

Selectarea conductelor de răcire: tubulaturi, alezaj și fitinguri

Alegeți tubulatura în această ordine: un material care supraviețuiește mecanismului pompei, o substanță chimică care supraviețuiește lichidului de răcire, apoi alezajul și lungimea cerută de calculul debitului. Orice altceva este detaliu.

Material: ce vor tolera rolele și lichidul de răcire

Tabelul 7. Materiale tubulare pentru o buclă de lichid de răcire a imprimantei, evaluate pe criteriile care decid efectiv alegerea.

Surse: intervalul de duritate al siliconului și rezistența sa scăzută la tracțiune și rezistența slabă la uzură din referința siliconului citată; Duritatea EPDM, intervalul de service și avertizare privind bitumul din referința EPDM citată; Coeficientul de frecare PTFE și stabilitatea termică din referința PTFE citată; condițiile de încercare de 45 Shore A și 2,5 mm din rezumatul specificațiilor producătorului. Rândurile fără o cifră citată sunt practici de inginerie pentru această clasă de mașini.

Alezajul, lungimea și raza de curbură

Alezajul provine din calculul dvs. de debit, nu din ghimpa pe care se întâmplă să o dețineți. Producătorul testează această familie de pompe cu un orificiu de 2,5 mm, care este un punct de referință sensibil: menține bucla în banda laminară la 20-50 ml/min și menține căderea de presiune suficient de scăzută pentru o pompă evaluată la mai mult de 30 kPa.

Păstrați cursa de aspirație scurtă, dreaptă și atât de largă cât permite admisia pompei, deoarece frecarea și aerul prins dor cel mai mult înaintea pompei. Păstrați volumul total al buclei mic, deoarece stabilește cât timp durează sângerarea și cât costă un serviciu de răcire. Și respectă raza de curbură: un tub îndoit este o supapă închisă fără avertisment, așa că trasează cu curbe generoase și susține curse lungi, astfel încât tubul să nu se prăbușească sub aspirație.

Fitinguri, cleme și deconectare rapidă

Fiecare fiting adaugă cădere de presiune și o cale de scurgere, așa că numărați-le înainte de a alege pompa. Fitinguri ghimpate cu o clemă pentru tuburi din silicon moale; fitingurile push-to-connect se potrivesc cu tubul rigid și se întrețin mai rapid, cu prețul unei etanșări care în cele din urmă trebuie înlocuită.

Montați un filtru grosier de admisie în amonte de pompă. Pompa cu angrenaje este motivul: particulele uzează ochiul de angrenaj, iar o plasă uzată deschide spațiul liber care stabilește debitul pompei. Pe o pompă peristaltică, filtrul protejează tubul de abraziune.

Citește în continuare:Pompă peristaltică pentru imprimantă 3D: ghid liniștit de alimentare cu micro lichid.

Instalare și punere în funcțiune

Instalați pompa sub rezervor, mențineți circuitul de aspirație scurt, puneți rezervorul în cel mai înalt punct cu o purjare la blocul rece și mențineți fiecare parte electrică deasupra fluidului. Aceste patru reguli previn majoritatea erorilor din secțiunea 8.

Figura 3. O buclă de lichid de răcire a imprimantei în ordinea în care fluidul circulă, cu cele patru reguli de instalare care contează cel mai mult.

Sursa: diagrama autorului. Ordinea componentelor urmează practica standard de răcire cu lichid în buclă închisă; regula de amorsare reflectă nota publicată că SC2201RPW nu este auto-amorsare.

Linia de bază.Înregistrați temperatura ambiantă, temperatura lichidului de răcire din rezervor, temperatura plăcii rece la starea de echilibru, debitul dintr-o doză temporizată într-un cilindru de măsurare și curentul pompei.

Montați și inundați.Puneți rezervorul la sau deasupra orificiului de admisie a pompei, astfel încât o pompă cu angrenaj să se amorseze prin gravitație, izolați pompa de cadru și montați filtrul de admisie. O pompă peristaltică se autoamorsează, dar oricum păstrează orificiul de admisie inundat pentru un debit stabil.

Direcționează și sângerează.Umpleți bucla, apoi porniți pompa la funcționare redusă, cu racordul cel mai înalt crăpat deschis, până când fluxul de retur este fără bule. Înclinați mașina pentru a muta aerul captat spre punctul de purjare.

Protejați electricitatea.Închideți driverul la o clasificare IP care se potrivește locației, utilizând clasificarea carcasei IEC 60529, păstrați intrările cablurilor sub buclă și așezați o tavă de picurare sub îmbinări. Nu dirijați niciodată tubulatura deasupra sursei de alimentare.

Setați unitatea.Mutați banda PWM la 20-25 kHz, setați comanda minimă deasupra zonei moarte și confirmați ratingul MOSFET, siguranța de ramificare și dioda flyback dacă pompa împarte un port de ventilator.

Verificați și logați.Repetați linia de bază după 24 de ore de imprimare, apoi pe intervalul de întreținere. O schimbare care nu supraviețuiește unei zile de căldură nu este o configurație stabilită.

Tabelul 8. O înregistrare de punere în funcțiune și întreținere pentru o buclă de lichid de răcire a imprimantei.

Surse: doza de 40 de ore și controalele curente cu criteriile lor de 5 la sută și 20 la sută și articolele de inspecție săptămânală a tubului urmează ghidul de întreținere a sistemului de fluide publicat; rândul de plăci reci este o practică de inginerie pentru această clasă de mașini.

Citește în continuare:3,0 V sau 24 V? Poate placa de bază a imprimantei 3D să conducă cu adevărat această pompă?.

Depanarea unei bucle de lichid de răcire

Cele mai multe defecțiuni ale buclei de răcire apar ca o temperatură care nu se va stabili, iar cauza este de obicei debitul, aerul sau chimia, mai degrabă decât pompa în sine. Comparați cu înregistrarea de punere în funcțiune înainte de a schimba orice hardware.

Tabelul 9. Matrice de depanare pentru o buclă de lichid de răcire a imprimantei.

Surse: doza și criteriile actuale urmează ghidul de întreținere publicat; rândurile de blocare a aerului, radiatoare și condens sunt o practică inginerească pentru această clasă de mașini.