De la cerneluri cu vâscozitate scăzută la paste ceramice de înaltă vâscozitate: definirea limitei de selecție între pompele cu roți dințate și pompele peristaltice pentru fluide speciale de imprimare 3D

Limita de manipulare a fluidului dintre o pompă cu angrenaje și o pompă peristaltică se află acolo unde un fluid nu mai curge sub aspirație și începe să aibă nevoie de presiune pentru a se mișca. Sub aproximativ 1.000 mPa·s, o pompă cu tub peristaltică este cea mai sigură implicită. Peste aproximativ 10.000 mPa·s, o pompă cu angrenaje menține presiunea și contoarele fără pulsații. Între timp, compatibilitatea fluidelor - abraziunea, forfecarea și dimensiunea particulelor - decide ce pompă supraviețuiește sarcinii.

Recomandări cheie

Gama de vâscozitate a fluidelor de imprimare 3D de specialitate se întinde pe mai mult de cinci ordine de mărime: cernelurile ceramice cu jet de cerneală sunt aruncate la 10-40 mPa·s, în timp ce pastele de robocasting publicate măsoară de la 2 × 10⁵ mPa·s la viteze de forfecare de imprimare până la 2,6 × 10⁷ mPa·s.

O pompă cu angrenaje etanșează cu lichidul în sine. Alunecarea crește odată cu scăderea vâscozității, astfel încât cernelurile subțiri își pierd precizia de măsurare, cu excepția cazului în care spațiile libere sunt strânse, presiunea diferențială este menținută la un nivel scăzut și particulele dure sunt filtrate.

O pompă peristaltică etanșează prin ocluziunea unui tub, astfel încât etanșarea depinde abia de vâscozitate. Presiunea este limita: pompele cu tub ajung la aproximativ 3–7 bari, capete cu role până la 8 bari, iar pompele cu furtun tip pantof aproximativ 15 bari.

Adecvarea materialului separă cel mai clar la abraziune și forfecare. Particulele ceramice poartă vârfuri și plăci angrenaj, în timp ce piesa de uzură peristaltică este un tub ieftin; cernelurile sensibile la forfecare preferă calea tubului cu forfecare scăzută.

Acest ghid de selecție recomandă pompe peristaltice pentru fluide cu vâscozitate scăzută, sensibile la forfecare sau sterile și pompe cu angrenaje pentru funcționare de măsurare cu vâscozitate ridicată, presiune înaltă sau fără impulsuri.

Ce interval de viscozitate acoperă de fapt fiecare tip de pompă?

Pompele cu angrenaje acoperă cea mai largă gamă de vâscozitate - Viking Pump oferă modele cu degajare reglabilă de la 1 la 440.000 cSt - în timp ce pompele cu tub peristaltic acoperă fluide subțiri până la moderat vâscoase, iar pompele cu furtun ranforsat se extind în medii rigide, încărcate cu solide, la presiune mai mică.

Intervalul de utilizare este mai restrâns decât sugerează fiecare fișă de date, deoarece două întrebări se aplică simultan: ce face fluidul pompei (uzură, coroziune, oboseală a tubului) și ce face pompa fluidului (forfecare, pulsație, contaminare). Pentru un fluid special de imprimare 3D, acea mapare arată ca Tabelul 1.

De unde provine limita de manipulare a fluidelor

Cele două familii de pompe folosesc strategii de etanșare opuse. O pompă cu angrenaje formează trei etanșări dinamice în interiorul capului pompei și se bazează pe o peliculă de fluid în interiorul spațiului liber pentru a separa ieșirea de înaltă presiune de admisia de joasă presiune. O pompă peristaltică nu lasă niciodată fluidul să ajungă la o etanșare: rolele sau pantofii comprimă tubul plat și fluidul se deplasează într-un buzunar închis.

Această singură diferență explică întreaga graniță. Vâscozitatea domină comportamentul pompei cu angrenaje și abia afectează etanșarea peristaltică; presiunea de refulare este stabilită de capul pompei în primul caz și de tub în al doilea.

De ce pompele cu angrenaje pierd precizia de măsurare în cernelurile cu vâscozitate scăzută?

O pompă cu angrenaje se etanșează pe o peliculă de fluid în interiorul propriului joc. Când fluidul este subțire, mai mult se scurge înapoi de la ieșire la intrare - alunecare - astfel încât volumul livrat scade sub deplasarea teoretică, iar eroarea se modifică odată cu presiunea diferențială și uzura angrenajului.

Micropompa descrie trei zone dinamice de etanșare într-o pompă cu angrenaje: vârfurile angrenajului pe peretele cavității, punctul de angrenare al celor două angrenaje și suprafețele de împerechere unde angrenajele se întâlnesc cu corpul și capacul final. Spațiile libere sunt inevitabile, deoarece piesele trebuie să se miște, astfel încât o fracțiune din fluid se reciclează întotdeauna în interior.

Slip nu este un număr fix. Se înrăutățește pe măsură ce presiunea diferențială crește, pe măsură ce vâscozitatea scade și pe măsură ce angrenajele se uzează. Acesta este motivul pentru care două pompe identice pot furniza volume diferite pe două cerneluri diferite și de ce curba debit versus presiune a unei pompe cu angrenaje se îndoaie pe măsură ce presiunea crește.

Producătorii răspund cu o strategie de lichidare mai degrabă decât cu o singură specificație. Pompa Viking oferă degajări reglabile care acoperă de la 1 la 440.000 cSt, astfel încât o familie de pompe poate fi construită etanș pentru lichide subțiri sau liberă pentru paste grele. Micropompa folosește un pantof de aspirație încărcat cu presiune care se închide pe măsură ce presiunea diferențială crește, menținând alunecarea aproape de zero pe durata de viață a angrenajului.

Urmează trei reguli pentru cerneala cu vâscozitate scăzută. Mențineți presiunea diferențială scăzută, deoarece alunecarea este determinată de presiune. Filtrați particulele dure până la 5 µm, deoarece uzura deschide spațiul liber și crește permanent alunecarea. Și alimentați pompa dintr-o admisie inundată: pompele cu angrenaje nu sunt autoamorsante și nu ar trebui să funcționeze niciodată uscate. Acolo unde aceste reguli nu pot fi îndeplinite, o pompă peristaltică este alegerea de măsurare mai stabilă, deoarece volumul său deplasat este stabilit de tub mai degrabă decât de un joc.

De ce pompele peristaltice nu mai funcționează cu pastă cu vâscozitate ridicată?

Pentru că tubul este vasul sub presiune. O pompă peristaltică creează presiune prin stoarcerea unui furtun sau a unui tub, astfel încât presiunea de refulare pe care o poate atinge este limitată de rezistența și durata de viață la oboseală a tubului respectiv, nu de fluid.

Cele două clase peristaltice au plafoane diferite. Pompele cu tuburi de precizie sunt construite pentru presiune scăzută și dozare: Verderflex Ds500 livrează până la 30 L/h la o presiune maximă de refulare de 7 bari, iar gama Microdos OEM este evaluată la 3 bar. Pompele cu furtun ranforsat merg mai departe - Verderflex Dura atinge 55.000 L/h și până la 16 bari, cu o precizie de măsurare de ±1% și o înălțime de aspirație de 9,5 m. Designul capului de pompă stabilește restul: capete de role suportă presiuni de până la 8 bari, în timp ce capetele de pantofi împrăștie sarcina pe o suprafață mai mare și sunt preferate pentru presiuni mai mari, până la aproximativ 15 bari și pentru lichide mai vâscoase.

Pomparea materialului vâscos tensionează și faza de aspirație. O pompă peristaltică atrage fluidul atunci când furtunul comprimat revine; o pastă cu limită de curgere rezistă acestei recuperări și poate cavita în loc să umple tubul. Prin urmare, sarcina cu vâscozitate ridicată necesită o alimentare inundată sau presurizată, mai degrabă decât o ridicare de aspirație, chiar dacă pompa se autoamorsează cu ușurință în fluide subțiri.

Ultima limită este tubul în sine. Furtunurile peristaltice eșuează din cauza oboselii stratului lor de armare, iar fluxul scade pe măsură ce tubul îmbătrânește. Ghidul de selecție al AxFlow este de a supradimensiona pompa și de a o funcționa mai lent, ceea ce crește durata de viață a tubului cu prețul unui cap de pompă mai mare. Când duza are nevoie de mai multă presiune decât poate reține tubul, nu se aplică nicio opțiune peristaltică: extrudarea pastei se deplasează la un extruder cu deplasare pozitivă alimentat de un piston sau un piston, unde cuplul, mai degrabă decât rezistența tubului, generează presiunea.

Cum decide compatibilitatea fluidelor între cele două tipuri de pompe?

Sensibilitatea la abraziune și forfecare trag în direcții opuse. Particulele ceramice dure distrug pompele cu angrenaje cu joc apropiat, dar poartă doar un tub peristaltic; Cernelurile sensibile la forfecare supraviețuiesc unei pompe peristaltice, dar pot fi deteriorate în interiorul spațiului liber al pompei cu angrenaje.

Pulberea ceramică este dură, motiv pentru care Micropump recomandă filtrarea de până la 5 µm oriunde particulele sunt dure: acele particule accelerează uzura în interiorul unei pompe cu angrenaje. O cerneală de roboturnare este formulată cu mai mult de 40% în volum de pulbere ceramică, cu dimensiuni ale particulelor mult peste valoarea nominală a filtrului, astfel încât o pompă cu angrenaje de precizie nu poate fi protejată în această sarcină fără schimbarea cernelii. Acolo unde pompele cu angrenaje sunt folosite astăzi în ceramică, ele circulă cerneală fină, la scară de pigment, către capetele de imprimare ale imprimantelor digitale pentru plăci, iar furnizorii specifică materiale pentru pompe rezistente la abraziune tocmai din acest motiv.

Forfecarea este a doua axă. Pompele peristaltice sunt descrise de furnizorii lor ca fiind cu forfecare redusă, deoarece fluidul este împins printr-un tub în loc să fie forțat prin spații înguste - o cerință pentru polimerii sensibili la forfecare, gelurile și cernelurile bio încărcate cu celule. O pompă cu angrenaje expune fluidul la forfecare ridicată la vârfurile angrenajului și în plasă, ceea ce este acceptabil pentru cernelurile și pastele pigmentate, dar riscant pentru sistemele sensibile la forfecare.

Controlul contaminării este al treilea. Într-o pompă peristaltică fluidul contactează doar tubul, astfel încât contaminarea încrucișată este eliminată și devine posibilă o cale de fluid de unică folosință - motivul pentru care pompele peristaltice domină manipularea lichidelor sterile. O pompă cu angrenaje expune fluidul la angrenaje, plăci și etanșări, astfel încât validarea curățării, volumul mort și compatibilitatea cu materialele devin toate parte din proiectare.

Temperatura stabilește fereastra practică. Verderflex evaluează tuburile Verderprene de la +10 grade la +85 grade și siliconul întărit cu platină de la -20 de grade la +80 grade cu aprobare USP Clasa VI și recomandă împotriva pomparii lichidelor peste 85 de grade . Pompele cu angrenaje, cu piese umede disponibile din oțel inoxidabil, PTFE, Ryton sau PEEK, nu sunt constrânse de limita elastică a unui tub.

Pompă cu angrenaje vs pompă peristaltică: o comparație directă a tipului de pompă

La datorie, despărțirea este curată. Pompele peristaltice câștigă pe trasee de fluide cu autoamorsare, funcționare uscată, forfecare redusă și de unică folosință. Pompele cu angrenaje câștigă în ceea ce privește presiunea, debitul fără impulsuri și stabilitatea dozarii în medii groase, cu conținut ridicat de solide.

Într-un sistem special de imprimare 3D, cele două tipuri de pompe sunt adesea combinate, mai degrabă decât alese între ele. O pompă peristaltică dozează sau recirculează fluidul din rezervor, deoarece gestionează cu ușurință aspirația, solidele și contaminarea, în timp ce o pompă cu angrenaje furnizează presiunea și debitul fără impulsuri de care duza sau capul de imprimare are nevoie. Întrebarea limită devine apoi care pompă deține funcția de măsurare.

Acolo unde fluidul este subțire și toleranța de dozare este moderată, pompa peristaltică ar trebui să-l dețină. Acolo unde fluidul este gros, abraziv sau trebuie livrat sub presiune într-un orificiu mic, pompa cu angrenaje ar trebui să-l dețină - și orice pompă peristaltică din circuit ar trebui tratată ca o pompă de alimentare.

Care proprietăți ale fluidului, în afară de vâscozitate, mută limita?

Limita de curgere, încărcarea cu solide, dimensiunea și forma particulelor, temperatura, tixotropia și ciclul de funcționare toate deplasează limita utilizabilă - uneori cu un ordin de mărime în ambele direcții.

Cum ar trebui să configurez calea fluidului pentru fiecare tip de pompă?

Caracterizați fluidul la temperatura de imprimare și viteza de forfecare pe care o va vedea pompa, fixați punctul de funcționare, apoi alegeți pompa care le satisface pe ambele. Zece pași acoperă majoritatea fluidelor de imprimare 3D de specialitate.

Măsurați vâscozitatea aparentă la mai mult de o viteză de forfecare, la temperatura pe care fluidul o va atinge în pompă. Utilizați o metodă de rotație pentru materiale non-newtoniene (ISO 3219-2, ASTM D2196) și o metodă de forfecare înaltă cu con și placă în care fluidul trece printr-un orificiu mic (ASTM D4287). O cupă de curgere (ISO 2431) este adecvată numai pentru verificări rapide în ateliere ale cernelurilor aproape newtoniene.

Convertiți unitățile înainte de a compara cataloagele. Vâscozitatea cinematică și dinamică sunt legate de greutatea specifică: cSt × greutate specifică=cP și cP ÷ greutate specifică=cSt.

Fixați punctul de lucru: debitul necesar, presiunea necesară la duză sau capul de imprimare și condițiile din jurul rezervorului.

Aplicați regulile de limită în ordine: mai întâi banda de vâscozitate, apoi abraziune, forfecare și sterilitate. Tabelul 1 este punctul de plecare.

Pentru o pompă peristaltică, măriți peste punctul de lucru și rulați mai încet; durata de viață a tubului crește pe măsură ce viteza rotorului scade.

În cazul în care o pompă peristaltică alimentează o duză, montați un amortizor de pulsații; un debit uniform și constant protejează componentele din aval.

Pentru o pompă cu angrenaje, proiectați o admisie inundată și nu o folosiți niciodată uscată. Adăugați o cale de relief, deoarece alunecarea și presiunea sistemului se modifică cu orice restricție în aval.

Specificați filtrarea după duritatea particulelor - 5 µm pentru particulele dure, mai grosieră numai acolo unde particulele sunt moi - și confirmați că solidele proprii ale cernelii se află sub limită.

Selectați tubul sau compusul pentru furtun pentru chimie, temperatură și cerințele de reglementare și amintiți-vă de plafonul practic de 85 de grade.

Calibrați mai degrabă la capul de imprimare decât la ieșirea pompei și verificați din nou pe măsură ce tubul îmbătrânește, deoarece fluxul peristaltic scade odată cu oboseala tubului.

Ce pompă ar trebui să alegeți pentru fluidul dvs. de imprimare 3D?

Alegeți peristaltic pentru fluide subțiri, sensibile la forfecare sau sterile, la presiune moderată, și angrenaj pentru sarcini groase, abrazive sau de înaltă presiune. Cinci reguli rezolvă majoritatea cazurilor.

Sub 1.000 mPa·s fără solide abrazive și presiune moderată: pompă cu tub peristaltic. Măsoară după volumul tubului, tolerează bine fluidele subțiri și păstrează lichidul în interiorul tubului.

Sub 1.000 mPa·s, dar fluidul trebuie injectat într-un cap de imprimare la presiune: pompă cu angrenaj cu degajare strânsă cu filtrare de 5 µm, presiune diferențială scăzută și calibrare gravimetrică.

Între 1.000 și 10.000 mPa·s cu solide moi sau dizolvate: pompă cu angrenaje, deoarece viscozitatea acum etanșează degajările și curgerea fără impulsuri îmbunătățește depunerea.

Peste 10.000 mPa·s cu particule ceramice dure: pompă cu angrenaje numai dacă designul tolerează uzura și alimentarea inundată; în caz contrar, un extruder cu deplasare pozitivă alimentat cu berbec, deoarece pompele cu tub se află în afara domeniului lor de presiune.

Steril, de unică folosință sau critică pentru contaminare încrucișată: pompă peristaltică cu tuburi USP Clasa VI, la orice vâscozitate în interiorul presiunii nominale a tubului.

Dacă specificați traseul fluidului pentru extrudarea pastei sau jet de material, inginerii noștri pot revizui alegerea pompei, aranjamentul de alimentare și interfața capului de imprimare în raport cu datele despre fluid. Împărtășiți curba reologiei și punctul de serviciu prin intermediul nostruServiciu de imprimare 3Dpagina sausolicita o cotatieși vom confirma ce tip de pompă ar trebui să dețină funcția de măsurare.

Întrebări frecvente

Poate o pompă peristaltică să gestioneze pasta ceramică?

În limite. Pompele cu furtun mișcă medii rigide, încărcate cu solide, dar numai la presiunea pe care o poate menține furtunul - modelele Verderflex Dura de gamă medie ating 12 bari și trec particule de până la 2,5 mm. O pompă cu țevi de precizie este un caz diferit: pasta de roboturnare cu conținut ridicat de solide necesită mai multă presiune decât poate furniza tubul, astfel încât extrudarea pastei utilizează în mod normal un piston sau un piston.

Poate o pompă cu angrenaje să gestioneze cerneala cu vâscozitate scăzută?

Da, dar precizia depinde de design. Alunecarea crește odată cu scăderea vâscozității, deci specificați distanțe strânse, mențineți presiunea diferențială scăzută și filtrați particulele dure la 5 µm. Așteptați-vă să calibrați capul de imprimare, mai degrabă decât să aveți încredere în cifra teoretică a deplasării.

Ce vâscozitate este prea mare pentru o pompă peristaltică?

Nu există un număr unic, deoarece limita reală este presiunea mai degrabă decât vâscozitatea. O pompă cu tuburi evaluată la 3–7 bar nu mai este practică odată ce fluidul are nevoie de mai multă presiune pentru a se mișca decât poate susține tubul. Pasta ceramică rigidă din clasa 10⁵ mPa·s este dincolo de pompele cu tuburi, iar pompele cu furtun se ocupă numai cu debit redus.

Ce pompă este mai bună pentru șlamurile ceramice abrazive?

Un furtun peristaltic sau o pompă cu țevi, deoarece singura piesă de uzură este furtunul sau tubul și este înlocuită în mod obișnuit - nu trebuie păstrat niciun spațiu liber. Pompele cu angrenaje pot rula fluide abrazive, dar uzura deschide spațiul liber și crește permanent alunecarea, motiv pentru care se recomandă filtrarea de 5 µm pentru particulele dure.

Cum măsoară vâscozitatea pentru selectarea pompei?

Utilizați un reometru sau viscozimetru rotativ pentru fluide non-newtoniene (ISO 3219-2, ASTM D2196), o metodă de forfecare înaltă cu con și placă în care fluidul trece printr-un orificiu mic (ASTM D4287) și o cupă de curgere (ISO 2431) numai pentru comparații rapide ale cernelurilor aproape newtoniene. Raportați întotdeauna temperatura și rata de forfecare alături de valoare.

Pompele cu angrenaje deteriorează fluidele sensibile la forfecare?

Ei pot. Fluidul care trece prin spații libere și prin rețeaua angrenajului prezintă forfecare ridicată, motiv pentru care pompele peristaltice sunt recomandate pentru produsele sensibile la forfecare, cum ar fi gelurile, polimerii și culturile celulare. Pentru cernelurile pigmentate și pastele ceramice, forfecarea nu este o problemă.

Concluzie

Limita dintre pompele cu angrenaje și pompele peristaltice este o limită de presiune exprimată în termeni de vâscozitate: pompele peristaltice etanșează mecanic, dar nu pot dezvolta presiune ridicată, în timp ce pompele cu angrenaje dezvoltă presiune, dar etanșează numai atât de bine cât permite fluidul. Potriviți vâscozitatea, abraziunea și forfecarea la aceste constrângeri, apoi verificați cu o rulare de calibrare la capul de imprimare.