Črpalka za vodno hlajenje 3D tiskalnika: SC2201RPW in peristaltične črpalke

Tekočinsko hlajenje rešuje težave s toploto, ki jih zračni ventilator ne more doseči v notranjosti 3D-tiskalnika, črpalka pa se odloči, ali ta zanka ostane tiha in zanesljiva. Zobniška črpalka SC2201RPW kroži hladilno tekočino pri 20–50 ml/min pod 60 dB za eno zanko nizke moči, medtem ko 24 V peristaltična SC2301CPW zagotavlja 100 ml/min in več, ko je toplotna obremenitev večja. Izmerite pretok glede na toploto, nato izberite hladilno tekočino in cevje.

Zakaj 3D tiskalnik potrebuje sistem vodnega hlajenja

Sistem za vodno hlajenje s 3D tiskanjem si zasluži svoje mesto, ko je vir toplote zaprt, koncentriran ali neprekinjen, saj lahko zrak prenaša toploto samo v zrak okoli sebe, medtem ko tekočina prenaša to toploto do radiatorja, ki ga lahko postavite kamor koli na stroj.

Lezenje toplote je najbolj jasen primer. Znotraj zaprte komore pri 45-55 C ventilator hladnega dela na vročem koncu kroži topel zrak namesto hladnega zraka, žarilna nitka se zmehča nad območjem taline in šoba zamaši sredinski tisk.

Toplota v komori je drugi primer in ne gre le za težavo s kakovostjo tiskanja. Objavljene smernice za tiskalnike z žarilno nitko opisujejo komore pri približno 60-70 C in navajajo, da mora imeti tiskalnik v komori elektroniko z aktivnim hlajenjem, da se zmanjša nevarnost požara.

Koncentrirani viri so tretji. Modul diodnega laserja pretvori le del svoje vhodne moči v optični izhod, tako da ostanek ostane kot toplota, ki jo je treba odvesti stran od majhnega paketa, koračni motorji s svojimi gonilniki pa dodajo nekaj vatov vsak v okvir in zrak v komori.

Proizvajalčeva poročila s terena navajajo spremembo pogojev tiskalnika: premik hotenda na tekočinsko hlajenje je stabiliziral njegovo temperaturo z nihanj okoli 5 C na približno 1 C ali manj in dvignil stopnjo uspešnosti tiskanja s približno 70 odstotkov na več kot 90 odstotkov.

Zakaj zračnemu hlajenju zmanjka prostora za glavo

Voda prenaša približno štirikrat več specifične toplote kot zrak na enoto mase - približno 4,2 J/(gK) proti približno 1,0 J/(gK) - zato enaka toplotna obremenitev potrebuje veliko manjši masni pretok tekočine kot zraka. To razmerje, ne ventilator, je tisto, zaradi česar je tekoča zanka privlačna, ko se toplota ujame v ohišje.

Druga prednost je usmerjanje. Ventilator lahko zavrne toploto le v zrak, v katerem sedi, kar je isti zrak, v katerega del tiska. Zanka z zunanjim radiatorjem lahko zavrne to toploto zunaj komore, tako da se hlajenje in temperatura komore nehata boriti drug proti drugemu.

Katerim virom toplote tekočinsko hlajenje pravzaprav ustreza

Tabela 1. Viri toplote v 3D-tiskalniku, kam gre vsak in ali je hladilna zanka pravi odgovor.

Viri: navodila proizvajalca za tekočinski sistem (komora 45–55 C, podatki o hladilnem polju hotend) in citirana referenca o izdelavi filamentov (komore 60–70 C, aktivno hlajena elektronika); vrste laserjev, motorjev in elektronike so inženirska praksa za ta razred strojev.

Preberi naslednje:Kako izbrati fluidni sistem za 3D tiskalnike.

Kolikšen pretok hladilne tekočine potrebuje zanka?

Pretok sledi toplotni obremenitvi, ne katalogu črpalk: zahtevani pretok je enak toplotni obremenitvi, deljeni z gostoto, specifično toploto in dvigom temperature, ki ste ga pripravljeni sprejeti. Pri dvigu za 5 K 50 ml/min vode nosi približno 17 W; pri dvigu za 10 K enak pretok nosi približno 35 W.

Enačba toka v tiskalniških enotah

Za vodo blizu sobne temperature se enačba strdi v eno konstanto: zahtevani pretok v ml/min je približno14,4-kratna toplotna obremenitev v vatih, deljena z dovoljenim dvigom v kelvinih. Konstanta je recipročna vrednost gostote in specifične toplote, zato pripada hladilni tekočini in ne črpalki.

Glikol spremeni to konstanto. Mešanica glikola in vode v masnem razmerju 1:1 ima specifično toploto približno 3140 J/(kg.K), kar je približno tri četrtine vode, zato potrebuje približno 25 odstotkov več pretoka za enak dvig temperature. To je cena zaščite pred zmrzovanjem in jo je vredno plačati šele takrat, ko mora stroj preživeti pod lediščem.

Tabela 2. Pretok hladilne tekočine, potreben za prenos dane toplotne obremenitve pri treh dvigih temperature za vodo pri 25 C.

Vir: avtorjev izračun iz Q=P / (rho xcx dT) z rho=997 kg/m3 in c=4180 J/(kg.K), kar daje Q v ml/min=14.4 x P / dT. Uporabite 17,9 x P / dT za mešanico vode in glikola 1:1. Vrednosti so zaokrožene.

Zakaj večji pretok ni samodejno boljše hlajenje

Pri 50 ml/min skozi 2,5 mm izvrtino hladilna tekočina potuje s približno 0,17 m/s, Reynoldsovo število pa je približno 420 pri 20 C in 650 pri 40 C – precej znotraj laminarnega pasu, ki se konča blizu 2300. V tem režimu je koeficient filma na hladni plošči določen z geometrijo kanala in prevodnostjo tekočine in ne s tem, kako močno tlači črpalka, tako da podvojitev pretoka povzroči manjši dvig temperature v tekočini, vendar ne prepolovi toplotnega upora bloka.

Padec tlaka se obnaša enako. V Hagen-Poiseuillovem razmerju za krožno cev je upor proti toku obratno sorazmeren s četrto potenco polmera, zato je izvrtina pomembna veliko bolj kot dolžina. 2,5 mm izvrtina, ki teče 600 mm pri 50 ml/min, stane samo približno 0,3 kPa trenja ravne cevi; prepolovitev izvrtine to pomnoži s šestnajst.

V pravi zanki vseeno prevladuje okovje. Mikrokanali hladne plošče, hitri odklopi, kolena in filtri predstavljajo veliko večjo odpornost kot stena cevi, zato je objavljenih 40–150 kPa SC2301CPW pomembno, ko ima zanka več priključkov in hladno ploščo z majhnim korakom, medtem ko je ocena SC2201RPW več kot 30 kPa udobna za kratek, preprost krog.

Rezervoar je toplotna masa, ne toplotna pot

Rezervoar absorbira prehodne obremenitve namesto stacionarne obremenitve. En liter vode sprejme približno 4,2 kJ za vsak kelvin, ki ga segreje, tako da 100 W impulz, ki traja minuto - 6 kJ - dvigne enolitrski rezervoar za približno 1,4 K, medtem ko bi se 100 ml rezervoar dvignil za približno 14 K. Velikost rezervoarja določite kot varovalni pas in uporabite površino radiatorja in pretok za delovanje, ki se nikoli ne ustavi.

Preberi naslednje:Tehnični kompromis za pretokom, tlakom in hrupom.

SC2201RPW: tiha črpalka za vodno hlajenje 3D tiskalnika

SC2201RPW je zobniška črpalka za enosmerni tok z nazivno zmogljivostjo 20–50 ml/min, več kot 30 kPa in pod 60 dB pri 30 cm na 3, 6 ali 12 V, zaradi česar je tiha vodna črpalka za enojno zanko hladilne tekočine z nizko porabo in ne za radiatorski krog z visokim pretokom.

Kaj pravi objavljena specifikacija

Tabela 3. Parametri SC2201RPW in kaj se vsak spremeni v zanki hladilne tekočine 3D-tiskalnika.

Vir: stran s specifikacijami proizvajalca za SC2201RPW; stolpec s toploto je avtorjev izračun iz tabele 2.

Zakaj je 20–50 ml/min prava velikost za eno zanko

Ena zanka vročega in hladnega konca je obremenitev z nizko močjo. Pri 50 ml/min in dvigu za 10 K SC2201RPW že prenaša približno 35 W toplote, kar je več kot ena zavrnitev toplotnega preloma pri običajnem delovanju – inženirska ocena za ta razred strojev in ne objavljena številka – in kratka zanka z referenčno izvrtino proizvajalca potrebuje za delovanje precej pod 30 kPa.

Nizek pretok je značilnost in ne kompromis. Delovanje te tihe vodne črpalke pri 20–50 ml/min ohranja hrup, toploto motorja in vsako obrabno površino nizko, ker se vse dvigajo s hitrostjo, medtem ko se toplota, ki jo mora premakniti ena sama zanka nizke moči, ne zmanjša. Počasnejša zanka je pravilna inženirska obrt za to nalogo in zato ocena pod 60 dB in obseg pretoka 20–50 ml/min pripadata isti črpalki.

Nadzor je preprost, ker pretok sledi hitrosti motorja. Rezervni izhod PWM zagotavlja ponovljiv pretok, objavljeno navodilo pa je, da preklopni pas premaknete na 20–25 kHz in ohranite minimalni ukaz nad mrtvim območjem, kjer bi črpalka sicer brnela in ogrevala svoje navitje brez premikanja tekočine.

Slika 1. Toplota, ki jo prenaša vodna zanka pri treh dvigih temperature, z označenima objavljenima razponoma pretoka obeh črpalk.

Vir: avtorjev izračun iz Q=P / (rho xcx dT) za vodo pri 25 C, prikazan glede na objavljena območja pretoka proizvajalca za SC2201RPW (20–50 ml/min) in SC2301CPW (100 ml/min in več). Izračun, ne meritev.

Preberi naslednje:SC2201RPW mikro zobniška črpalka za dolivanje smole.

Hlajenje peristaltične črpalke: izolacija tekočine in visok pretok

SC2301CPW je 24 V peristaltična črpalka z nazivno močjo 100 ml/min in več, 40–150 kPa, 60 dB ali manj pri 50 cm in 200 mA ali manj. Črpalka je tista, ki določi, kdaj mora zanka prenašati več toplote, prenašati zračne mehurčke ali elektroniko popolnoma držati izven poti tekočine.

Kaj pravi objavljena specifikacija

Tabela 4. Parametri SC2301CPW in kaj se vsak spremeni v zanki hladilne tekočine 3D-tiskalnika.

Vir: proizvajalčev povzetek specifikacij za SC2301CPW; stolpec s toploto je avtorjev izračun iz tabele 2.

Eno opozorilo glede vrednosti hrupa. Obe črpalki nista objavljeni na enaki razdalji: pod 60 dB pri 30 cm za SC2201RPW, proti 60 dB ali manj pri 50 cm za SC2301CPW. Zvočni tlak pade za približno 6 dB vsakič, ko se razdalja podvoji, tako da je 60 dB na 50 cm približno 64 dB na 30 cm v prostem polju. Na enaki podlagi sta si številki blizu, zato je tišja številka merilna razdalja in ne razlika v zasnovi.

Slika 2. Razponi pretoka hladilne tekočine za obe črpalki proti toku, ki ga potrebujejo običajne zanke tiskalnika.

Viri: proizvajalec objavil razpone pretoka za SC2201RPW (20–50 ml/min) in SC2301CPW (100 ml/min in več); pasovi zanke so izpeljani iz tabele 2 pri dvigu temperature za 10 K. Izračun, ne meritev.

SC2201RPW ali SC2301CPW: katera črpalka za katero zanko

Tabela 5. SC2201RPW in SC2301CPW drug ob drugem, s toploto, ki jo lahko vsak prenaša v vodni zanki.

Viri: strani s specifikacijami proizvajalca za oba modela; vrstica, ki jo prenaša toplota, je avtorjev izračun iz Q=14.4 x P / dT.

»Hlajenje z visokim pretokom zobniške črpalke«: kaj v resnici pomeni iskalni izraz

Kupci, ki iščejo visokopretočno hlajenje z zobniško črpalko, običajno opisujejo delo in ne strojne opreme. V tej družini je zobniška črpalka merilna naprava: SC2201RPW premika 20–50 ml/min, kar je črpalka z nizkim pretokom po katerem koli hladilnem standardu. Hlajenje z visokim pretokom opravlja peristaltični SC2301CPW pri 100 ml/min in več ali centrifugalna črpalka, ko zanka potrebuje litre na minuto pri nizkem tlaku.

Razlika je pomembna, ker se pretok in tlak izmenjujeta, namesto da se seštevata. Obe črpalki imata pozitiven izpodriv, zato zadržujeta pretok, ko sistemski upor narašča, vendar je njun absolutni pretok nastavljen s prostornino in hitrostjo, ne pa s tem, kako močno poganja motor. Če se mora zanka premakniti za več kot približno 70 W pri dvigu 10 K, je začetna točka peristaltična črpalka 100 ml/min; pod približno 35 W, tiha zobniška črpalka pokriva delo.

Preberi naslednje:Peristaltična črpalka proti zobniški črpalki za 3D tiskalnike.

Izbira hladilne tekočine za sistem vodnega hlajenja 3D tiskalnika

Destilirana voda z zaviralcem korozije in biocidom je privzeta hladilna tekočina za zanko tiskalnika. Glikol se doda le, ko mora stroj preživeti pod lediščem, ker odda približno četrtino toplotne kapacitete zanke in ne kupi ničesar pri sobni temperaturi.

Voda, glikol ali predhodno mešanica hladilne tekočine

Tabela 6. Možnosti hladilne tekočine za zanko tiskalnika z lastnostjo, ki spremeni izračun pretoka.

Viri: specifična toplota in toplotna prevodnost vode iz citirane vodne reference; 1:1 glede na maso glikola pri približno 3140 J/(kg.K) in čisti glikol pri približno polovici specifične toplote vode, iz navedene reference glikola; vrednost -37 C za mešanico propilenglikola s 50 volumskimi odstotki s sistemom pod tlakom iz navedene reference proti zmrzovanju.

Mešane kovine: past korozije v vsaki zanki tiskalnika

Tiskalniška zanka običajno meša kovine, ne da bi se kdo za to odločil: aluminijasti hladni blok, bakreni ali medeninasti radiator, medeninasti priključki in nerjavna objemka. Če si dve različni kovini delita prevodno tekočino, tvorita galvanski člen in manj plemenita kovina korodira. To je ista težava, zaradi katere avtomobilska hladilna tekočina vsebuje zaviralce korozije, ker hladilni sistem vozila vsebuje aluminij, lito železo, baker, medenino in spajko hkrati.

Sledita dve pravili. Ohranite zanko do ene družine kovin, kjer lahko, in vedno uporabljajte zaprto hladilno tekočino namesto čiste vode. Inhibitorji, ki se uporabljajo v vodnih sistemih, vključujejo natrijev nitrit in natrijev molibdat. Dodajte tudi biocid: svetloba in toplota rasteta alge v neobdelani zanki, biofilm pa nato blokira hladno ploščo in dovaja delce v črpalko.

Kondenzacija: past s hladno ploščo v ogrevani komori

Hladnejša ko je hladilna tekočina, več toplote lahko absorbira, zato je hlajenje rezervoarja mamljivo. V ogrevani komori je napaka. Temperatura zraka v komori v tem razredu tiskalnikov je blizu 60-70 C in proti hladni plošči, ki je precej pod rosiščem komore, voda kondenzira iz zraka neposredno na blok, priključke in vse pod njimi.

Ohranjajte hladilno tekočino nad rosiščem komore, izolirajte hladilni blok in njegove cevi ali razdelite zanko na zaprti primarni krog in sekundarni krog hladilne naprave. Nikoli ne napeljite zanke nad napajalnik ali krmilnik.

Preberi naslednje:Odpravljanje zamašitev, mehurčkov in puščanja zaradi parametrov mikro črpalke.

Izbira hladilne cevi: cevi, izvrtine in priključki

Izberite cev v tem vrstnem redu: material, ki preživi mehanizem črpalke, kemija, ki preživi hladilno tekočino, nato izvrtina in dolžina, ki jo je zahteval vaš izračun pretoka. Vse ostalo so detajli.

Material: kaj prenašajo valji in hladilna tekočina

Tabela 7. Materiali cevi za zanko hladilne tekočine tiskalnika, ocenjeni na podlagi meril, ki dejansko odločajo o izbiri.

Viri: območje trdote silikona in njegova nizka natezna trdnost ter slaba odpornost proti obrabi iz navedene reference silikona; Trdota EPDM, delovno območje in opozorilo glede bitumna iz navedene reference EPDM; PTFE koeficient trenja in toplotna stabilnost iz navedene reference PTFE; preskusni pogoji 45 Shore A in izvrtine 2,5 mm iz povzetka specifikacij proizvajalca. Vrstice brez navedene številke so inženirska praksa za ta razred strojev.

Vrtina, dolžina in radij upogiba

Vrtina izhaja iz vašega izračuna pretoka, ne iz bodice, ki jo slučajno imate. Proizvajalec preizkuša to družino črpalk z izvrtino 2,5 mm, kar je smiselna referenčna točka: ohranja zanko v laminarnem pasu pri 20–50 ml/min in ohranja dovolj nizek padec tlaka za črpalko z nazivnim tlakom nad 30 kPa.

Naj bo sesalna pot kratka, ravna in široka, kolikor dopušča dovod črpalke, ker trenje in ujeti zrak najbolj škodita pred črpalko. Naj bo skupna prostornina zanke majhna, saj določa, kako dolgo traja odzračevanje in koliko hladilne tekočine stane servis. In upoštevajte radij upogiba: prepognjena cev je zaprt ventil brez opozorila, zato napeljite z velikodušnimi krivuljami in podpirajte dolge razdalje, da se cev ne more zrušiti pri sesanju.

Fitingi, objemke in hitri odklopi

Vsak priključek doda padec tlaka in pot puščanja, zato ju preštejte, preden izberete črpalko. Bodeče okovje z objemko ustreza mehkim silikonskim cevem; fitingi s pritiskom na priključek ustrezajo togi cevi in ​​so hitrejši za servisiranje, za ceno tesnila, ki ga je na koncu treba zamenjati.

Namestite grobi vstopni filter pred črpalko. Razlog je zobniška črpalka: delci obrabijo mrežo zobnikov, obrabljena mreža pa odpre zračnosti, ki določajo pretok črpalke. Pri peristaltični črpalki filter ščiti cev pred obrabo.

Preberi naslednje:Peristaltična črpalka 3D tiskalnika: tih vodnik za dovajanje mikro tekočine.

Montaža in zagon

Črpalko namestite pod rezervoar, poskrbite, da bo sesalni tok kratek, rezervoar postavite na najvišjo točko z odzračevanjem pri hladnem bloku in naj bodo vsi električni deli nad tekočino. Ta štiri pravila preprečijo večino napak v razdelku 8.

Slika 3. Zanka hladilne tekočine tiskalnika v vrstnem redu, v katerem potuje tekočina, s štirimi najpomembnejšimi pravili za namestitev.

Vir: avtorjev diagram. Vrstni red komponent sledi standardni praksi tekočinskega hlajenja z zaprto zanko; pravilo sesanja odraža objavljeno opombo, da SC2201RPW ni samosesalna.

Izhodišče.Zabeležite temperaturo okolice, temperaturo hladilne tekočine v rezervoarju, temperaturo hladne plošče v stanju dinamičnega ravnovesja, pretok iz časovno določenega odmerka v merilni valj in tok črpalke.

Montiraj in poplavi.Rezervoar postavite na ali nad dovod črpalke, tako da se zobniška črpalka polni s pomočjo gravitacije, ločite črpalko od okvirja in namestite vstopni filter. Peristaltična črpalka se sama sesa, vendar naj bo njen dovod vseeno poplavljen za stabilen pretok.

Pot in krvavitev.Napolnite zanko, nato pa črpalko zaženite pri nizki obremenitvi z odprtim najvišjim priključkom, dokler v povratnem toku ne ostanejo mehurčki. Nagnite stroj, da premaknete ujeti zrak proti točki odvajanja.

Zaščitite elektriko.Gonilnik opremite z oceno IP, ki ustreza lokaciji, z uporabo klasifikacije ohišij IEC 60529, kabelske vhode naj bodo pod zanko in pod spoje postavite pladenj za kapljanje. Nikoli ne napeljite cevi nad napajalnik.

Nastavite pogon.Premaknite pas PWM na 20–25 kHz, nastavite minimalni ukaz nad mrtvo cono in potrdite oceno MOSFET, razvejno varovalko in povratno preletno diodo, če črpalka deli vrata ventilatorja.

Preverite in se prijavite.Ponovite osnovno linijo po 24 urah tiskanja, nato v intervalu vzdrževanja. Sprememba, ki ne preživi dneva vročine, ni ustaljena konfiguracija.

Tabela 8. Zapis o zagonu in vzdrževanju za zanko hladilne tekočine tiskalnika.

Viri: 40-urni pregledi odmerka in toka s svojimi 5- in 20-odstotnimi merili ter tedenski pregledi cevi sledijo objavljenim navodilom za vzdrževanje tekočinskega sistema; vrsta hladnih plošč je inženirska praksa za ta razred strojev.

Preberi naslednje:3,0 V ali 24 V? Ali lahko matična plošča vašega 3D tiskalnika dejansko poganja to črpalko?.

Odpravljanje težav z zanko hladilne tekočine

Večina napak v zanki hladilne tekočine se kaže kot temperatura, ki se ne ustali, vzrok pa je običajno pretok, zrak ali kemija in ne črpalka sama. Primerjajte z zapisom o zagonu, preden spremenite strojno opremo.

Tabela 9. Matrika za odpravljanje težav za zanko hladilne tekočine tiskalnika.

Viri: merila odmerka in toka sledijo objavljenim smernicam za vzdrževanje; zračna zapora, radiator in kondenzacijska vrsta so inženirska praksa za ta razred strojev.