Bomba de refrigeración por agua para impresora 3D: SC2201RPW y bombas peristálticas

La refrigeración líquida resuelve los problemas de calor que un ventilador de aire no puede alcanzar dentro de una impresora 3D, y la bomba decide si ese circuito permanece silencioso y confiable. La bomba de engranajes SC2201RPW hace circular refrigerante a 20-50 ml/min por debajo de 60 dB para un único circuito de baja potencia, mientras que la SC2301CPW peristáltica de 24 V suministra 100 ml/min y más cuando la carga de calor es mayor. Dimensione el flujo del calor, luego elija el refrigerante y la tubería.

Por qué una impresora 3D necesita un sistema de refrigeración por agua

Un sistema de refrigeración por agua para impresión 3D gana su lugar cuando la fuente de calor es cerrada, concentrada o continua, porque el aire sólo puede transportar calor al aire que lo rodea, mientras que el líquido transporta ese calor a un radiador que puede colocar en cualquier lugar de la máquina.

La fluencia de calor es el caso más claro. Dentro de una cámara sellada a 45-55 C, el ventilador del extremo frío de un hotend recircula aire caliente en lugar de aire frío, el filamento se ablanda por encima de la zona de fusión y la boquilla se obstruye a mitad de la impresión.

El calor de la cámara es el segundo caso y no es sólo una cuestión de calidad de impresión. Las guías publicadas para impresoras de filamento describen cámaras mantenidas a una temperatura de alrededor de 60-70 C y establecen que una impresora colocada en una cámara debe tener componentes electrónicos con enfriamiento activo para reducir el riesgo de incendio.

Las fuentes concentradas son la tercera. Un módulo láser de diodo convierte sólo una parte de su potencia de entrada en salida óptica, por lo que el resto sale como calor que debe ser conducido lejos de un paquete pequeño, y los motores paso a paso con sus controladores añaden unos pocos vatios cada uno al marco y a la cámara de aire.

Los informes de campo del fabricante expresan el cambio en términos de impresora: pasar un hotend a refrigeración líquida estabilizó su temperatura de oscilaciones de aproximadamente 5 C a aproximadamente 1 C o menos y aumentó las tasas de éxito de impresión de aproximadamente el 70 por ciento a más del 90 por ciento.

¿Por qué la refrigeración por aire se queda sin espacio libre?

El agua transporta aproximadamente cuatro veces el calor específico del aire por unidad de masa (alrededor de 4,2 J/(gK) frente a aproximadamente 1,0 J/(gK), por lo que la misma carga de calor necesita un flujo másico de líquido mucho menor que el de aire. Esa relación, no el ventilador, es lo que hace atractivo un circuito de líquido una vez que el calor queda atrapado dentro de un recinto.

La segunda ventaja es el enrutamiento. Un ventilador solo puede rechazar calor al aire en el que se encuentra, que es el mismo aire en el que se imprime la pieza. Un circuito con un radiador externo puede rechazar ese calor fuera de la cámara, por lo que el enfriamiento y la temperatura de la cámara dejan de luchar entre sí.

¿Qué fuentes de calor se adaptan realmente a la refrigeración líquida?

Tabla 1. Fuentes de calor en una impresora 3D, dónde va cada una y si un circuito de refrigerante es la respuesta correcta.

Fuentes: guía del sistema de fluidos del fabricante (cámara de 45-55 C, datos de campo de enfriamiento del hotend) y la referencia de fabricación de filamentos citada (cámaras de 60-70 C, electrónica enfriada activamente); Las filas de láser, motor y electrónica son prácticas de ingeniería para esta clase de máquinas.

Lea a continuación:Cómo elegir un sistema de fluidos para impresoras 3D.

¿Cuánto flujo de refrigerante necesita el circuito?

El flujo sigue la carga de calor, no el catálogo de la bomba: el flujo requerido es igual a la carga de calor dividida por la densidad, el calor específico y el aumento de temperatura que está dispuesto a aceptar. Con un aumento de 5 K, 50 ml/min de agua transportan aproximadamente 17 W; con un aumento de 10 K, el mismo flujo transporta alrededor de 35 W.

La ecuación de flujo en unidades impresoras.

Para agua cercana a la temperatura ambiente, la ecuación se reduce a una constante: el flujo requerido en ml/min es aproximadamente14,4 veces la carga de calor en vatios dividida por el aumento permitido en grados Kelvin. La constante es el recíproco de la densidad multiplicada por el calor específico, por lo que pertenece al refrigerante y no a la bomba.

El glicol cambia esa constante. Una mezcla 1:1 en masa de glicol y agua tiene un calor específico de aproximadamente 3140 J/(kg.K), aproximadamente tres cuartos del del agua, por lo que necesita alrededor de un 25 por ciento más de flujo para el mismo aumento de temperatura. Ése es el precio de la protección contra el congelamiento, y vale la pena pagarlo sólo cuando la máquina tiene que sobrevivir bajo cero.

Tabla 2. Flujo de refrigerante necesario para transportar una carga de calor determinada con tres aumentos de temperatura, para agua a 25 C.

Fuente: cálculo del autor a partir de Q=P / (rho xcx dT) con rho=997 kg/m3 y c=4180 J/(kg.K), lo que da Q en ml/min=14.4 x P / dT. Utilice 17,9 x P/dT para una mezcla de agua y glicol 1:1. Los valores están redondeados.

Por qué más flujo no significa automáticamente una mejor refrigeración

A 50 ml/min a través de un orificio de 2,5 mm, el refrigerante viaja a aproximadamente 0,17 m/s, y el número de Reynolds es aproximadamente 420 a 20 C y 650 a 40 C, muy dentro de la banda laminar, que termina cerca de 2300. En ese régimen, el coeficiente de película en la placa fría lo establece la geometría del canal y la conductividad del fluido en lugar de la fuerza con la que empuja la bomba, por lo que duplicar el flujo compra un aumento de temperatura menor en el fluido pero no reduce a la mitad la resistencia térmica del bloque.

La caída de presión se comporta de la misma manera. En la relación de Hagen-Poiseuille para un tubo circular, la resistencia al flujo es inversamente proporcional a la cuarta potencia del radio, por lo que el diámetro interior importa mucho más que la longitud. Un diámetro de 2,5 mm que recorre 600 mm a 50 ml/min cuesta sólo alrededor de 0,3 kPa de fricción de tubería recta; reducir a la mitad el diámetro se multiplica por dieciséis.

En un bucle real, de todos modos, los accesorios dominan. Los microcanales de placa fría, desconexiones rápidas, codos y filtros representan mucha más resistencia que la pared del tubo, razón por la cual los 40-150 kPa publicados del SC2301CPW son importantes una vez que un bucle lleva varios accesorios y una placa fría de paso fino, mientras que la clasificación del SC2201RPW de más de 30 kPa es cómoda para un circuito corto y simple.

El depósito es masa térmica, no la ruta del calor.

Un depósito absorbe cargas transitorias en lugar de cargas de estado estable. Un litro de agua absorbe aproximadamente 4,2 kJ por cada kelvin que calienta, por lo que un pulso de 100 W que dura un minuto - 6 kJ eleva un depósito de un litro en aproximadamente 1,4 K, mientras que un depósito de 100 ml aumentaría en aproximadamente 14 K. Dimensione el depósito como amortiguador y utilice el área y el flujo del radiador para el trabajo que nunca se detiene.

Lea a continuación:La compensación técnica detrás del caudal, la presión y el ruido.

SC2201RPW: una silenciosa bomba de refrigeración por agua para impresora 3D

La SC2201RPW es una bomba de engranajes de CC con una capacidad nominal de 20-50 ml/min, más de 30 kPa y menos de 60 dB a 30 cm en 3, 6 o 12 V, lo que la convierte en una bomba de agua silenciosa para un único circuito de refrigerante de baja potencia en lugar de un circuito de radiador de alto flujo.

Lo que dice la especificación publicada

Tabla 3. Parámetros de SC2201RPW y qué cambia cada uno en un circuito de refrigerante de una impresora 3D.

Fuente: página de especificaciones del fabricante para SC2201RPW; la columna transportada por calor es el cálculo del autor de la Tabla 2.

Por qué 20-50 ml/min es el tamaño adecuado para un bucle

Un bucle de extremo frío de hotend único es una carga de baja potencia. A 50 ml/min y un aumento de 10 K, el SC2201RPW ya está moviendo alrededor de 35 W de calor, que es más que un solo corte de calor rechazado en servicio normal (una estimación de ingeniería para esta clase de máquina en lugar de una cifra publicada) y un circuito corto con el orificio de referencia del fabricante necesita muy por debajo de 30 kPa para funcionar.

El flujo bajo es una característica aquí, no un compromiso. Hacer funcionar esta silenciosa bomba de agua a 20-50 ml/min mantiene bajos el ruido, el calor del motor y todas las superficies de desgaste, porque todos aumentan con la velocidad, mientras que el calor que tiene que moverse un solo circuito de baja potencia no aumenta. Un circuito más lento es el oficio de ingeniería correcto para esta tarea, y es por eso que una clasificación inferior a 60 dB y un rango de flujo de 20 a 50 ml/min pertenecen a la misma bomba.

El control es sencillo porque el flujo sigue la velocidad del motor. Una salida PWM de repuesto proporciona un flujo repetible, y la guía publicada es mover la banda de conmutación a 20-25 kHz y mantener el comando mínimo por encima de la zona muerta, donde de otro modo la bomba zumbaría y calentaría su devanado sin mover el fluido.

Figura 1. Calor transportado por un circuito de agua con tres aumentos de temperatura, con los rangos de flujo publicados de las dos bombas marcados.

Fuente: cálculo del autor a partir de Q=P / (rho xcx dT) para agua a 25 C, comparado con los rangos de flujo publicados por el fabricante para SC2201RPW (20-50 ml/min) y SC2301CPW (100 ml/min y superiores). Un cálculo, no una medida.

Lea a continuación:SC2201RPW micro bomba de engranajes para recarga de resina.

Refrigeración por bomba peristáltica: aislamiento de fluidos y alto caudal

La SC2301CPW es una bomba peristáltica de 24 V con capacidad nominal de 100 ml/min y más, 40-150 kPa, 60 dB o menos a 50 cm y 200 mA o menos. Es la bomba la que especifica cuándo el circuito debe transportar más calor, tolerar burbujas de aire o mantener los componentes electrónicos completamente fuera del recorrido del fluido.

Lo que dice la especificación publicada

Tabla 4. Parámetros de SC2301CPW y qué cambia cada uno en un circuito de refrigerante de una impresora 3D.

Fuente: resumen de especificaciones del fabricante para SC2301CPW; la columna transportada por calor es el cálculo del autor de la Tabla 2.

Una advertencia sobre las cifras de ruido. Las dos bombas no están publicadas a la misma distancia: por debajo de 60 dB a 30 cm para la SC2201RPW, frente a 60 dB o menos a 50 cm para la SC2301CPW. La presión sonora cae aproximadamente 6 dB cada vez que la distancia se duplica, por lo que 60 dB a 50 cm son aproximadamente 64 dB a 30 cm en campo libre. En términos comparables, las dos cifras están cercanas, por lo que el número que parece más silencioso es una distancia de medición en lugar de una diferencia de diseño.

Figura 2. Rangos de flujo de refrigerante para las dos bombas frente al flujo que necesitan los circuitos de impresora comunes.

Fuentes: rangos de flujo publicados por el fabricante para SC2201RPW (20-50 ml/min) y SC2301CPW (100 ml/min y superiores); las bandas de bucle se derivan de la Tabla 2 con un aumento de temperatura de 10 K. Un cálculo, no una medida.

SC2201RPW o SC2301CPW: qué bomba para qué circuito

Tabla 5. SC2201RPW y SC2301CPW uno al lado del otro, con el calor que cada uno puede transportar en un circuito de agua.

Fuentes: páginas de especificaciones del fabricante para ambos modelos; la fila transportada por calor es el cálculo del autor a partir de Q=14.4 x P / dT.

"Refrigeración de alto flujo de bomba de engranajes": lo que realmente significa el término de búsqueda

Los compradores que buscan refrigeración de alto flujo con bomba de engranajes suelen describir el trabajo en lugar del hardware. En esta familia, la bomba de engranajes es el dispositivo dosificador: la SC2201RPW mueve 20-50 ml/min, que es una bomba de bajo flujo según cualquier estándar de refrigeración. La función de enfriamiento de alto flujo la realiza el peristáltico SC2301CPW a 100 ml/min y más, o mediante una bomba centrífuga cuando un circuito necesita litros por minuto a baja presión.

La distinción es importante porque el flujo y la presión se contraponen en lugar de sumarse. Ambas bombas son de desplazamiento positivo, por lo que retienen el flujo a medida que aumenta la resistencia del sistema, pero su flujo absoluto lo establece el desplazamiento y la velocidad, no la fuerza con la que se acciona el motor. Si un bucle tiene que moverse más de aproximadamente 70 W con un aumento de 10 K, la bomba peristáltica de 100 ml/min es el punto de partida; por debajo de unos 35 W, la silenciosa bomba de engranajes cubre el trabajo.

Lea a continuación:Bomba peristáltica versus bomba de engranajes para impresoras 3D.

Selección de refrigerante para un sistema de refrigeración por agua de una impresora 3D

El agua destilada con un inhibidor de corrosión y un biocida es el refrigerante predeterminado para un circuito de impresora. El glicol se añade sólo cuando la máquina tiene que sobrevivir bajo cero, porque cede aproximadamente una cuarta parte de la capacidad calorífica del circuito y no compra nada a temperatura ambiente.

Agua, glicol o un refrigerante premezclado

Tabla 6. Opciones de refrigerante para un circuito de impresora, con la propiedad que cambia el cálculo del flujo.

Fuentes: calor específico y conductividad térmica del agua de la referencia de agua citada; 1:1 en masa de glicol a aproximadamente 3140 J/(kg.K), y glicol puro a aproximadamente la mitad del calor específico del agua, de la referencia de glicol citada; la cifra de -37 C para una mezcla de propilenglicol del 50 por ciento en volumen con un sistema presurizado de la referencia de anticongelante citada.

Metales mezclados: la trampa de la corrosión en cada bucle de impresora

Un bucle de impresora suele mezclar metales sin que nadie se decida: un bloque frío de aluminio, un radiador de cobre o latón, herrajes de latón y una abrazadera de acero inoxidable. Cuando dos metales diferentes comparten un fluido conductor, el par forma una celda galvánica y el metal menos noble se corroe. Este es el mismo problema que hace que el refrigerante de un automóvil contenga inhibidores de corrosión, porque el sistema de refrigeración de un vehículo contiene aluminio, hierro fundido, cobre, latón y soldadura al mismo tiempo.

Siguen dos reglas. Mantenga el circuito en una familia de metales siempre que pueda y utilice siempre un refrigerante inhibido en lugar de agua pura. Los inhibidores utilizados en sistemas de agua incluyen nitrito de sodio y molibdato de sodio. Agregue también un biocida: la luz y el calor hacen crecer las algas en un circuito no tratado, y la biopelícula luego bloquea la placa fría y alimenta partículas a la bomba.

Condensación: la trampa de placa fría en una cámara calentada

Cuanto más frío esté el refrigerante, más calor podrá absorber, por lo que resulta tentador enfriar el depósito. En una cámara calentada es un error. El aire de la cámara en esta clase de impresoras se encuentra cerca de 60-70 C, y contra una placa fría mantenida muy por debajo del punto de rocío de la cámara, el agua se condensa del aire directamente sobre el bloque, los accesorios y cualquier cosa debajo de ellos.

Mantenga el refrigerante por encima del punto de rocío de la cámara, aísle el bloque frío y sus líneas, o divida el circuito en un circuito primario sellado y un circuito enfriador secundario. Nunca guíe el bucle por encima de la fuente de alimentación o del controlador.

Lea a continuación:Solución de obstrucciones, burbujas y fugas de los parámetros de la microbomba.

Selección de tuberías de refrigeración: tuberías, orificios y accesorios.

Elija la tubería en este orden: un material que sobreviva al mecanismo de la bomba, una química que sobreviva al refrigerante, luego el diámetro interior y la longitud que solicitó su cálculo de flujo. Todo lo demás es detalle.

Material: lo que tolerarán los rodillos y el refrigerante.

Tabla 7. Materiales de los tubos para un circuito de refrigerante de impresora, evaluados según los criterios que realmente deciden la elección.

Fuentes: rango de dureza de la silicona y su baja resistencia a la tracción y mala resistencia al desgaste de la referencia de silicona citada; Dureza del EPDM, rango de servicio y advertencia del betún de la referencia del EPDM citada; Coeficiente de fricción de PTFE y estabilidad térmica de la referencia de PTFE citada; las condiciones de prueba de 45 Shore A y diámetro interior de 2,5 mm del resumen de especificaciones del fabricante. Las filas sin una cifra citada son prácticas de ingeniería para esta clase de máquinas.

Diámetro, longitud y radio de curvatura

El diámetro proviene de su cálculo de flujo, no de la púa que posee. El fabricante prueba esta familia de bombas con un diámetro de 2,5 mm, que es un punto de referencia sensato: mantiene el bucle en la banda laminar a 20-50 ml/min y mantiene la caída de presión lo suficientemente baja para una bomba con capacidad nominal de más de 30 kPa.

Mantenga el recorrido de succión corto, recto y tan ancho como lo permita la entrada de la bomba, porque la fricción y el aire atrapado duelen más antes de la bomba. Mantenga pequeño el volumen total del circuito, ya que determina cuánto tiempo lleva el purgado y cuánto refrigerante cuesta un servicio. Y respete el radio de curvatura: un tubo torcido es una válvula cerrada sin previo aviso, así que realice curvas generosas y soporte tramos largos para que el tubo no pueda colapsar bajo la succión.

Accesorios, abrazaderas y desconexiones rápidas

Cada accesorio añade una caída de presión y una ruta de fuga, así que cuéntelos antes de elegir la bomba. Accesorios de púas con abrazadera para tubos de silicona suave; Los accesorios de conexión a presión se adaptan a tubos rígidos y su mantenimiento es más rápido, a costa de un sello que eventualmente necesita ser reemplazado.

Instale un filtro de entrada grueso antes de la bomba. La causa es la bomba de engranajes: las partículas desgastan la malla de engranajes y una malla desgastada abre los espacios que regulan el flujo de la bomba. En una bomba peristáltica, el filtro protege el tubo de la abrasión.

Lea a continuación:Bomba peristáltica para impresora 3D: guía silenciosa de suministro de microlíquidos.

Instalación y puesta en marcha

Instale la bomba debajo del depósito, mantenga corta la succión, coloque el depósito en el punto más alto con un purga en el bloque frío y mantenga todas las partes eléctricas por encima del fluido. Esas cuatro reglas previenen la mayoría de las faltas del artículo 8.

Figura 3. Un circuito de refrigerante de impresora en el orden en que viaja el fluido, con las cuatro reglas de instalación más importantes.

Fuente: diagrama del autor. El orden de los componentes sigue la práctica estándar de refrigeración líquida de circuito cerrado; la regla de cebado refleja la nota publicada de que el SC2201RPW no es autocebante.

Base.Registre la temperatura ambiente, la temperatura del refrigerante en el depósito, la temperatura de la placa fría en estado estacionario, el caudal de una dosis cronometrada a un cilindro medidor y la corriente de la bomba.

Monte e inundación.Coloque el depósito en la entrada de la bomba o encima de ella para que la bomba de engranajes se cebe por gravedad, aísle la bomba del bastidor y coloque el filtro de entrada. Una bomba peristáltica se autoceba, pero mantiene su entrada inundada de todos modos para lograr un flujo estable.

Ruta y sangrado.Llene el circuito, luego haga funcionar la bomba a baja potencia con el conector más alto abierto hasta que el flujo de retorno esté libre de burbujas. Incline la máquina para mover el aire atrapado hacia el punto de purga.

Proteger la electricidad.Adjunte el controlador a una clasificación IP que se adapte a la ubicación, utilizando la clasificación de gabinete IEC 60529, mantenga las entradas de cables debajo del bucle y coloque una bandeja de goteo debajo de las juntas. Nunca guíe los tubos por encima de la fuente de alimentación.

Configure la unidad.Mueva la banda PWM a 20-25 kHz, establezca el comando mínimo por encima de la zona muerta y confirme la clasificación del MOSFET, el fusible derivado y el diodo de retorno si la bomba comparte un puerto de ventilador.

Verificar y registrar.Repita la línea de base después de 24 horas de impresión y luego en el intervalo de mantenimiento. Un cambio que no sobrevive a un día de calor no es una configuración establecida.

Tabla 8. Registro de puesta en marcha y mantenimiento de un circuito de refrigerante de impresora.

Fuentes: las verificaciones de dosis y corriente de 40 horas con sus criterios de 5 por ciento y 20 por ciento, y los elementos de inspección semanal de tubos, siguen la guía de mantenimiento del sistema de fluidos publicada; la fila de placas frías es una práctica de ingeniería para esta clase de máquinas.

Lea a continuación:¿3,0 V o 24 V? ¿Puede la placa base de su impresora 3D realmente impulsar esta bomba?.

Solución de problemas de un circuito de refrigerante

La mayoría de las fallas del circuito de refrigerante aparecen como una temperatura que no se estabiliza y la causa suele ser el flujo, el aire o la química en lugar de la bomba misma. Compare con el registro de puesta en servicio antes de cambiar cualquier hardware.

Tabla 9. Matriz de solución de problemas para un circuito de refrigerante de impresora.

Fuentes: la dosis y los criterios actuales siguen la guía de mantenimiento publicada; las filas de esclusa de aire, radiador y condensación son prácticas de ingeniería para esta clase de máquinas.