Vodné chladiace čerpadlo 3D tlačiarne: SC2201RPW a peristaltické čerpadlá

Kvapalinové chladenie rieši problémy s teplom, ktoré vzduchový ventilátor nemôže dosiahnuť v 3D tlačiarni, a čerpadlo rozhodne, či táto slučka zostane tichá a spoľahlivá. Zubové čerpadlo SC2201RPW cirkuluje chladiacu kvapalinu rýchlosťou 20 – 50 ml/min pod 60 dB pre jednu slučku s nízkym výkonom, zatiaľ čo 24 V peristaltické čerpadlo SC2301CPW dodáva 100 ml/min a viac, keď je tepelné zaťaženie väčšie. Zmerajte prietok z tepla, potom vyberte chladiacu kvapalinu a potrubie.

Prečo potrebuje 3D tlačiareň systém vodného chladenia

Systém vodného chladenia 3D tlače si zasluhuje svoje miesto, keď je zdroj tepla uzavretý, koncentrovaný alebo nepretržitý, pretože vzduch môže prenášať teplo iba do vzduchu okolo neho, zatiaľ čo kvapalina prenáša toto teplo do radiátora, ktorý môžete umiestniť kdekoľvek na stroji.

Tepelné tečenie je najjasnejší prípad. Vo vnútri utesnenej komory pri teplote 45-55 C ventilátor so studeným koncom na hotende recirkuluje teplý vzduch namiesto studeného vzduchu, vlákno nad zónou tavenia zmäkne a tryska sa upchá uprostred tlače.

Teplo v komore je druhým prípadom a nejde len o problém kvality tlače. Publikovaný návod pre filamentové tlačiarne popisuje komory udržiavané pri teplote okolo 60-70 C a uvádza, že tlačiareň umiestnená v komore by mala mať elektroniku s aktívnym chladením, aby sa znížilo riziko požiaru.

Koncentrované zdroje sú tretie. Diódový laserový modul premieňa len časť svojho vstupného výkonu na optický výstup, takže zvyšok odchádza ako teplo, ktoré sa musí odvádzať preč z malého balíka, a krokové motory so svojimi ovládačmi pridávajú každý niekoľko wattov do rámu a vzduchu v komore.

Správy výrobcu uvádzajú zmenu v podmienkach tlačiarne: premiestnenie hotendu na kvapalinové chladenie stabilizovalo jeho teplotu z kolísania približne 5 °C na približne 1 °C alebo menej a zvýšilo úspešnosť tlače zo zhruba 70 percent na viac ako 90 percent.

Prečo vzduchové chladenie chýba nad hlavou

Voda nesie asi štvornásobok špecifického tepla vzduchu na jednotku hmotnosti - asi 4,2 J/(gK) oproti približne 1,0 J/(gK) - takže rovnaké tepelné zaťaženie potrebuje oveľa menší hmotnostný tok kvapaliny ako vzduchu. Tento pomer, nie ventilátor, robí kvapalinovú slučku atraktívnou, keď je teplo zachytené vo vnútri krytu.

Druhou výhodou je smerovanie. Ventilátor môže odvádzať teplo iba do vzduchu, v ktorom je umiestnený, čo je ten istý vzduch, v ktorom sa časť tlačí. Slučka s externým radiátorom môže odvádzať teplo mimo komory, takže chladenie a teplota v komore prestanú navzájom bojovať.

Ktorým zdrojom tepla vlastne vyhovuje kvapalinové chladenie

Tabuľka 1. Zdroje tepla v 3D tlačiarni, kam každý smeruje a či je správnou odpoveďou slučka chladiacej kvapaliny.

Zdroje: vedenie kvapalinového systému výrobcu (komora 45-55 C, údaje o chladiacom poli hotend) a citovaná referencia výroby vlákna (komory 60-70 C, aktívne chladená elektronika); rad laserov, motorov a elektroniky je inžinierskou praxou pre túto triedu strojov.

Prečítajte si ďalej:Ako si vybrať kvapalinový systém pre 3D tlačiarne.

Aký prietok chladiacej kvapaliny potrebuje slučka?

Prietok sa riadi tepelným zaťažením, nie katalógom čerpadiel: požadovaný prietok sa rovná tepelnému zaťaženiu delené hustotou, špecifickým teplom a nárastom teploty, ktorý ste ochotní akceptovať. Pri vzostupe 5 K nesie 50 ml/min vody približne 17 W; pri náraste o 10 K rovnaký prietok nesie približne 35 W.

Rovnica toku v jednotkách tlačiarne

Pre vodu blízku izbovej teplote sa rovnica zrúti do jednej konštanty: požadovaný prietok v ml/min je približne14,4-násobok tepelného zaťaženia vo wattoch vydelený povoleným nárastom v kelvinoch. Konštanta je prevrátená hodnota hustoty krát špecifické teplo, takže patrí skôr do chladiacej kvapaliny ako do čerpadla.

Glykol mení túto konštantu. Zmes glykolu a vody v pomere 1:1 má špecifické teplo asi 3140 J/(kg.K), čo sú zhruba tri štvrtiny vody, takže na rovnaký nárast teploty potrebuje asi o 25 percent väčší prietok. To je cena za ochranu pred mrazom a oplatí sa ju platiť až vtedy, keď musí stroj prežiť pod bodom mrazu.

Tabuľka 2. Prietok chladiacej kvapaliny potrebný na prenos daného tepelného zaťaženia pri troch nárastoch teploty pre vodu s teplotou 25 C.

Zdroj: výpočet autora z Q=P / (rho xcx dT) s rho=997 kg/m3 a c=4180 J/(kg.K), pričom Q v ml/min=14.4 x P / dT. Použite 17,9 x P / dT pre zmes vody a glykolu 1:1. Hodnoty sú zaokrúhlené.

Prečo väčší prietok neznamená automaticky lepšie chladenie

Pri 50 ml/min cez 2,5 mm otvor sa chladiaca kvapalina pohybuje rýchlosťou asi 0,17 m/s a Reynoldsovo číslo je zhruba 420 pri 20 °C a 650 pri 40 °C - dobre vnútri laminárneho pásu, ktorý končí blízko 2 300. V tomto režime je koeficient filmu na studenej doske nastavený skôr geometriou kanála a vodivosťou kvapaliny než tým, ako silno tlačí čerpadlo, takže zdvojnásobenie prietoku vedie k menšiemu nárastu teploty v kvapaline, ale nezníži sa tepelný odpor bloku na polovicu.

Pokles tlaku sa správa rovnako. Vo vzťahu Hagen-Poiseuille pre kruhovú rúrku je prietokový odpor nepriamo úmerný štvrtej mocnine polomeru, takže na vŕtaní záleží oveľa viac ako na dĺžke. 2,5 mm vŕtanie beží 600 mm pri 50 ml/min stojí len asi 0,3 kPa trenia v priamom potrubí; zníženie vŕtania na polovicu to vynásobí šestnástimi.

V skutočnej slučke aj tak dominujú kovania. Chladiace mikrokanály, rýchlospojky, kolená a filtre predstavujú oveľa väčší odpor ako stena trubice, a preto na publikovaných 40 – 150 kPa SC2301CPW záleží, keď slučka nesie niekoľko armatúr a jemnú studenú platňu, zatiaľ čo hodnota SC2201RPW viac ako 30 kPa je pohodlná pre krátky okruh.

Zásobník je tepelná hmota, nie tepelná cesta

Zásobník absorbuje skôr prechodné javy ako záťaž v ustálenom stave. Jeden liter vody spotrebuje približne 4,2 kJ na každý kelvin, ktorý sa zahreje, takže 100 W impulz trvajúci minútu - 6 kJ – zdvihne jednolitrovú nádrž o približne 1,4 K, zatiaľ čo nádrž s objemom 100 ml by stúpla približne o 14 K. Dimenzujte nádrž ako vyrovnávaciu pamäť a na prácu, ktorá sa nikdy nezastaví, použite plochu chladiča a prietok.

Prečítajte si ďalej:Technický kompromis za prietok, tlak a hluk.

SC2201RPW: tiché vodné chladiace čerpadlo 3D tlačiarne

SC2201RPW je jednosmerné zubové čerpadlo s menovitým výkonom 20-50 ml/min, viac ako 30 kPa a pod 60 dB pri 30 cm na 3, 6 alebo 12 V, čo z neho robí tiché vodné čerpadlo pre jednu chladiacu slučku s nízkym výkonom a nie pre okruh chladiča s vysokým prietokom.

Čo hovorí zverejnená špecifikácia

Tabuľka 3. Parametre SC2201RPW a čo každý z nich zmení v chladiacej slučke 3D tlačiarne.

Zdroj: stránka špecifikácie výrobcu pre SC2201RPW; teplonosný stĺpec je výpočtom autora z tabuľky 2.

Prečo je 20-50 ml/min správna veľkosť pre jednu slučku

Jediná hotendová slučka so studeným koncom predstavuje nízkoenergetickú záťaž. Pri rýchlosti 50 ml/min a náraste o 10 K už SC2201RPW premiestňuje približne 35 W tepla, čo je viac než jedno tepelné prerušenie pri bežnom používaní – technický odhad pre túto triedu stroja a nie publikované číslo – a krátka slučka s referenčným otvorom výrobcu potrebuje na svoj chod výrazne menej ako 30 kPa.

Nízky prietok je tu vlastnosť, nie kompromis. Prevádzka tohto tichého vodného čerpadla pri rýchlosti 20 – 50 ml/min udržuje hluk, teplo motora a každý opotrebovaný povrch na nízkej úrovni, pretože všetky stúpajú s rýchlosťou, zatiaľ čo teplo, ktoré musí premiestňovať jedna slučka s nízkym výkonom, nie. Pomalšia slučka je tým správnym inžinierskym remeslom pre túto úlohu, a preto hodnota pod 60 dB a rozsah prietoku 20-50 ml/min patrí k tomu istému čerpadlu.

Ovládanie je jednoduché, pretože prietok sleduje otáčky motora. Náhradný PWM výstup poskytuje opakovateľný tok a zverejnený návod je posunúť spínacie pásmo na 20-25 kHz a udržať minimálny príkaz nad mŕtvou zónou, kde by čerpadlo inak bzučalo a zahrievalo svoje vinutie bez pohybu tekutiny.

Obrázok 1. Teplo prenášané vodnou slučkou pri troch nárastoch teploty s vyznačenými publikovanými rozsahmi prietoku oboch čerpadiel.

Zdroj: výpočet autora z Q=P / (rho xcx dT) pre vodu pri 25 C, vynesený oproti výrobcom publikovaným rozsahom prietoku pre SC2201RPW (20-50 ml/min) a SC2301CPW (100 ml/min a viac). Výpočet, nie meranie.

Prečítajte si ďalej:SC2201RPW mikro zubové čerpadlo na doplnenie živice.

Chladenie peristaltického čerpadla: izolácia tekutiny a vysoký prietok

SC2301CPW je 24 V peristaltické čerpadlo dimenzované na 100 ml/min a viac, 40-150 kPa, 60 dB alebo menej pri 50 cm a 200 mA alebo menej. Je to čerpadlo, ktoré špecifikuje, kedy musí slučka prenášať viac tepla, tolerovať vzduchové bubliny alebo držať elektroniku úplne mimo cesty tekutiny.

Čo hovorí zverejnená špecifikácia

Tabuľka 4. Parametre SC2301CPW a čo každý z nich zmení v chladiacej slučke 3D tlačiarne.

Zdroj: súhrn špecifikácií výrobcu pre SC2301CPW; teplonosný stĺpec je výpočtom autora z tabuľky 2.

Jedno upozornenie na čísla hluku. Tieto dve čerpadlá nie sú zverejnené v rovnakej vzdialenosti: pod 60 dB pri 30 cm pre SC2201RPW, oproti 60 dB alebo menej pri 50 cm pre SC2301CPW. Akustický tlak klesne približne o 6 dB zakaždým, keď sa vzdialenosť zdvojnásobí, takže 60 dB na 50 cm je zhruba 64 dB na 30 cm vo voľnom poli. Na základe rovnakého princípu sú si tieto dve čísla blízke, takže tichšie vyzerajúce číslo je skôr meracou vzdialenosťou než konštrukčným rozdielom.

Obrázok 2. Rozsahy prietoku chladiacej kvapaliny pre dve čerpadlá proti prietoku, ktorý potrebujú bežné slučky tlačiarne.

Zdroje: výrobcom publikované rozsahy prietokov pre SC2201RPW (20-50 ml/min) a SC2301CPW (100 ml/min a viac); pásma slučky sú odvodené z tabuľky 2 pri náraste teploty o 10 K. Výpočet, nie meranie.

SC2201RPW alebo SC2301CPW: ktoré čerpadlo pre ktorú slučku

Tabuľka 5. SC2201RPW a SC2301CPW vedľa seba, pričom teplo môže každý prenášať vo vodnej slučke.

Zdroje: stránky špecifikácií výrobcu pre oba modely; riadok prenášaný teplom je autorov výpočet z Q=14.4 x P / dT.

"Chladenie s vysokým prietokom zubového čerpadla": čo hľadaný výraz skutočne znamená

Kupujúci, ktorí hľadajú vysokoprietokové chladenie zubového čerpadla, zvyčajne popisujú prácu a nie hardvér. V tejto rodine je dávkovacie zariadenie zubové čerpadlo: SC2201RPW sa pohybuje 20-50 ml/min, čo je nízkoprietokové čerpadlo podľa akéhokoľvek štandardu chladenia. Chladiaci výkon s vysokým prietokom zabezpečuje peristaltické SC2301CPW pri 100 ml/min a viac, alebo odstredivé čerpadlo, keď slučka potrebuje liter za minútu pri nízkom tlaku.

Na rozdiele záleží, pretože tok a tlak sa navzájom obchodujú a nie pridávajú. Obidve čerpadlá sú objemové, takže držia prietok, keď sa odpor systému zvyšuje, ale ich absolútny prietok je nastavený objemom a rýchlosťou, nie silou poháňaného motora. Ak sa slučka musí pohybovať o viac ako 70 W pri 10 K nárastu, peristaltické čerpadlo s prietokom 100 ml/min je východiskovým bodom; pod cca 35 W pokryje službu tiché zubové čerpadlo.

Prečítajte si ďalej:Peristaltické čerpadlo vs zubové čerpadlo pre 3D tlačiarne.

Výber chladiacej kvapaliny pre systém vodného chladenia 3D tlačiarne

Destilovaná voda s inhibítorom korózie a biocídom je predvolená chladiaca kvapalina pre slučku tlačiarne. Glykol sa pridáva len vtedy, keď musí stroj prežiť pod bodom mrazu, pretože sa vzdá zhruba štvrtiny tepelnej kapacity slučky a pri izbovej teplote nič nekúpi.

Voda, glykol alebo vopred namiešaná chladiaca kvapalina

Tabuľka 6. Možnosti chladiacej kvapaliny pre slučku tlačiarne s vlastnosťou, ktorá mení výpočet prietoku.

Zdroje: špecifické teplo a tepelná vodivosť vody z citovanej vodnej referencie; 1:1 hmotnostne glykolu pri približne 3140 J/(kg.K) a čistého glykolu pri približne polovičnom špecifickom teple vody, z citovanej glykolovej referencie; údaj -37 C pre zmes propylénglykolu s 50 % objemu s tlakovým systémom z citovanej nemrznúcej zmesi.

Zmiešané kovy: zachytávač korózie v každej slučke tlačiarne

Slučka tlačiarne zvyčajne mieša kovy bez toho, aby sa niekto rozhodoval pre: hliníkový studený blok, medený alebo mosadzný radiátor, mosadzné armatúry a nerezovú svorku. Kde dva rozdielne kovy zdieľajú vodivú tekutinu, pár tvorí galvanický článok a menej ušľachtilý kov koroduje. Ide o rovnaký problém, ktorý spôsobuje, že chladiaca kvapalina pre automobily obsahuje inhibítory korózie, pretože chladiaci systém vozidla obsahuje súčasne hliník, liatinu, meď, mosadz a spájku.

Nasledujú dve pravidlá. Udržujte slučku na jednej kovovej skupine, kde môžete, a vždy používajte inhibovanú chladiacu kvapalinu namiesto čistej vody. Inhibítory používané vo vodných systémoch zahŕňajú dusitan sodný a molybdenan sodný. Pridajte aj biocíd: svetlo a teplo rastú riasy v neošetrenej slučke a biofilm potom blokuje chladnú platňu a dodáva častice do čerpadla.

Kondenzácia: lapač studenej dosky vo vyhrievanej komore

Čím chladnejšia je chladiaca kvapalina, tým viac tepla dokáže absorbovať, takže chladenie nádrže je lákavé. Vo vykurovanej komore je to chyba. Vzduch v komore v tejto triede tlačiarní má teplotu okolo 60 – 70 °C a na studenej doske držanej hlboko pod rosným bodom komory sa voda kondenzuje zo vzduchu priamo na blok, armatúry a čokoľvek pod nimi.

Udržujte chladiacu kvapalinu nad rosným bodom komory, izolujte chladiaci blok a jeho vedenia alebo rozdeľte slučku na utesnený primárny okruh a sekundárny okruh chladiča. Nikdy neveďte slučku nad napájacím zdrojom alebo ovládačom.

Prečítajte si ďalej:Riešenie upchatia, bublín a netesností z parametrov mikropumpy.

Výber chladiaceho potrubia: potrubie, vývrt a tvarovky

Hadičky vyberte v tomto poradí: materiál, ktorý vydrží mechanizmus čerpadla, chémiu, ktorá vydrží chladiacu kvapalinu, potom otvor a dĺžku, ktorú si vyžadoval váš výpočet prietoku. Všetko ostatné sú detaily.

Materiál: čo znesú valčeky a chladiaca kvapalina

Tabuľka 7. Materiály rúrok pre chladiacu slučku tlačiarne, posudzované podľa kritérií, ktoré skutočne rozhodujú o výbere.

Zdroje: rozsah tvrdosti silikónu a jeho nízka pevnosť v ťahu a zlá odolnosť proti opotrebovaniu z citovaného silikónového odkazu; Tvrdosť EPDM, rozsah použitia a varovanie bitúmenu z citovaného odkazu EPDM; koeficient trenia PTFE a tepelná stabilita z citovaného odkazu na PTFE; skúšobné podmienky 45 Shore A a diera 2,5 mm zo súhrnu špecifikácií výrobcu. Riadky bez citovaného čísla sú inžinierskou praxou pre túto triedu strojov.

Vŕtanie, dĺžka a polomer ohybu

Vývrt pochádza z vášho výpočtu prietoku, nie z protihrotu, ktorý náhodou vlastníte. Výrobca testuje túto rodinu čerpadiel s 2,5 mm vŕtaním, čo je rozumný referenčný bod: udržiava slučku v laminárnom pásme na 20-50 ml/min a udržiava dostatočne nízku tlakovú stratu pre čerpadlo s menovitým výkonom viac ako 30 kPa.

Udržujte sací chod krátky, rovný a široký, ako to umožňuje vstup čerpadla, pretože trenie a zachytený vzduch bolia najviac pred čerpadlom. Udržujte celkový objem slučky malý, pretože určuje, ako dlho trvá odvzdušnenie a koľko chladiacej kvapaliny stojí servis. A rešpektujte polomer ohybu: zalomená trubica je uzavretý ventil bez varovania, takže cestujte s veľkorysými krivkami a podporujte dlhé trasy, aby sa trubica nemohla zrútiť pri nasávaní.

Kovania, svorky a rýchlospojky

Každá armatúra pridáva tlakovú stratu a cestu úniku, preto ich pred výberom čerpadla spočítajte. Ostnaté armatúry so svorkou vyhovujú mäkkým silikónovým hadičkám; Push-to-connect fitingy vyhovujú tuhej rúrke a sú rýchlejšie na údržbu, za cenu tesnenia, ktoré je prípadne potrebné vymeniť.

Namontujte hrubý vstupný filter pred čerpadlo. Dôvodom je zubové čerpadlo: častice opotrebúvajú ozubenie a opotrebované sito otvára vôle, ktoré nastavujú prietok čerpadla. Na peristaltickom čerpadle filter namiesto toho chráni hadicu pred odieraním.

Prečítajte si ďalej:Peristaltické čerpadlo 3D tlačiarne: tichý sprievodca mikrokvapalín.

Inštalácia a uvedenie do prevádzky

Nainštalujte čerpadlo pod nádrž, udržujte krátky chod nasávania, umiestnite nádrž na najvyšší bod s odvzdušnením na studený blok a všetky elektrické časti udržujte nad kvapalinou. Tieto štyri pravidlá predchádzajú väčšine chýb v časti 8.

Obrázok 3. Slučka chladiacej kvapaliny tlačiarne v poradí, v akom sa kvapalina pohybuje, so štyrmi pravidlami inštalácie, na ktorých najviac záleží.

Zdroj: schéma autora. Poradie komponentov sa riadi štandardnou praxou chladenia kvapalinou v uzavretej slučke; pravidlo nasávania odráža zverejnenú poznámku, že SC2201RPW nie je samonasávacia.

Základná línia.Zaznamenajte teplotu okolia, teplotu chladiacej kvapaliny v nádrži, teplotu studenej platne v ustálenom stave, prietok z časovanej dávky do odmerného valca a prúd čerpadla.

Hora a potopa.Nádrž umiestnite na alebo nad vstup čerpadla tak, aby sa zubové čerpadlo naplnilo gravitáciou, izolujte čerpadlo od rámu a nasaďte vstupný filter. Peristaltické čerpadlo sa samonasáva, ale aj tak udržiavajte jeho vstup zaplavený, aby bol prietok stabilný.

Smerovať a krvácať.Naplňte slučku a potom spustite čerpadlo pri nízkej prevádzke s otvorenou najvyššou armatúrou, kým vratný prúd nebude bez bublín. Nakloňte stroj, aby sa zachytený vzduch posunul smerom k vypúšťaciemu bodu.

Chráňte elektriku.Oboznámte ovládač s krytím IP, ktoré vyhovuje miestu, pomocou klasifikácie krytu podľa IEC 60529, káblové vstupy udržujte pod slučkou a pod spojmi nastavte odkvapkávaciu misku. Hadičky nikdy neveďte nad napájací zdroj.

Nastavte pohon.Posuňte pásmo PWM na 20-25 kHz, nastavte minimálny príkaz nad mŕtvu zónu a potvrďte hodnotenie MOSFET, odbočnú poistku a diódu spätného chodu, ak čerpadlo zdieľa port ventilátora.

Overiť a prihlásiť.Zopakujte základnú líniu po 24 hodinách tlače a potom v intervale údržby. Zmena, ktorá neprežije deň horúčav, nie je ustálená konfigurácia.

Tabuľka 8. Záznam o uvedení do prevádzky a údržbe slučky chladiacej kvapaliny tlačiarne.

Zdroje: 40-hodinové kontroly dávky a prúdu s ich 5-percentnými a 20-percentnými kritériami a týždenné položky kontroly hadičiek sa riadia publikovanými pokynmi na údržbu kvapalinového systému; rad studených platní je inžinierska prax pre túto triedu strojov.

Prečítajte si ďalej:3,0 V alebo 24 V? Dokáže vaša základná doska 3D tlačiarne skutočne poháňať toto čerpadlo?.

Riešenie problémov so slučkou chladiacej kvapaliny

Väčšina porúch chladiacej slučky sa prejavuje ako teplota, ktorá sa neusadí, a príčinou je zvyčajne prietok, vzduch alebo chémia, a nie samotné čerpadlo. Pred výmenou akéhokoľvek hardvéru porovnajte so záznamom o uvedení do prevádzky.

Tabuľka 9. Matrica na odstraňovanie problémov pre slučku chladiacej kvapaliny tlačiarne.

Zdroje: dávka a aktuálne kritériá sa riadia publikovaným návodom na udržiavanie; vzduchový uzáver, chladič a kondenzačné rady sú konštrukčnou praxou pre túto triedu strojov.