¿Cómo elegir un sistema de fluidos para impresoras 3D? Una guía completa de comparación entre bombas peristálticas y de engranajes

La respuesta directa: haga coincidir la categoría de servicio, no de bomba

Elija el tipo de bomba por obligación, no por costumbre. Utilice una microbomba peristáltica para fluidos de baja viscosidad, sensibles al corte o con contaminación crítica a presión baja a moderada, y una microbomba de engranajes para fluidos viscosos, presión de suministro más alta o medición sin impulsos. Confirme el voltaje, la corriente y el costo de las piezas de desgaste antes de realizar el pedido.

Ambas familias son bombas de desplazamiento positivo, por lo que ambas producen un flujo que es esencialmente independiente de la resistencia aguas abajo. Todo lo que los separa se deriva de una decisión de diseño: cómo la bomba sella el espacio entre su entrada y su salida.

La consecuencia práctica es que la selección de la bomba en un sistema de suministro de fluido de impresión 3D no es una cuestión de marca ni de precio. Es una pregunta de deber, respondida por cinco variables que puedes medir o leer en una hoja de datos. Casi todas las soluciones de control de fluidos de impresión 3D del mercado se reducen a una de estas dos familias de bombas, vestidas con diferentes carcasas y clases de voltaje.

¿Qué le pide realmente una impresora 3D a una bomba?

Una impresora 3D tiene cuatro trabajos fluidos y difieren más de lo que admite la mayoría de los consejos de selección. El enfriamiento del hotend funciona continuamente a bajo flujo, el relleno de resina se realiza de forma intermitente a un volumen mayor, la circulación de lavado se realiza en lotes con fluidos agresivos y la dosificación se realiza con precisión en volúmenes pequeños.

Construir primero el perfil de servicio es lo que impide que un constructor compre la bomba que resolvió el problema de otra persona. Un circuito de enfriamiento y una línea de dosificación pueden compartir el mismo fluido y aun así necesitan características de bomba opuestas.

La fluencia de calor es el modo de falla que más a menudo empuja a un constructor FDM hacia la refrigeración líquida. El filamento se ablanda por encima de la zona de fusión y la extrusión se detiene en medio de una impresión, un fallo que Prusa Research documenta como una causa distinta del fallo de extrusión a mitad de impresión.

La refrigeración líquida gana más en la física que en la moda. El agua transporta aproximadamente cuatro veces el calor específico del aire por kilogramo: aproximadamente 4,18 kJ/kg·K frente a aproximadamente 1,0 kJ/kg·K. Por lo tanto, un pequeño flujo de refrigerante elimina mucho más calor que un gran flujo de aire, y un radiador puede descargar ese calor fuera de una cámara calentada.

El relleno de resina es un problema diferente con la misma lista de equipos. Debido a que pausar una impresión para llenar la tina deja una marca en el punto de reinicio, la bomba de recarga tiene que funcionar desatendida, lo que hace que la detección de nivel y la entrega repetible de pequeños volúmenes sean limitaciones de diseño.

La dosificación es la tarea más difícil. La extrusión de pasta y tinta es un proceso de desplazamiento positivo impulsado por presión, y el motor de la bomba generalmente se dimensiona según el torque en lugar del flujo, razón por la cual esos sistemas están diseñados como ejes de movimiento con sus propios controladores.

Para construcciones donde el circuito de fluido es solo una parte de la máquina, elija la bomba junto con el resto del hardware en lugar de atornillarla al final. el fabricanteAplicaciones de bombas de impresora 3DLa página enumera las familias de bombas ya implementadas en plataformas de impresora.

¿Cómo mueven el fluido de manera diferente las bombas peristálticas y de engranajes?

Ambas son bombas de desplazamiento positivo y se diferencian en su forma de sellado. Una microbomba peristáltica aprieta un tubo cerrado con rodillos, por lo que el sello es mecánico y el fluido permanece dentro del tubo. Una bomba de microengranajes atrapa el fluido entre los dientes engranados y sella la película de fluido en sus propios espacios.

En una bomba peristáltica, los rodillos o zapatas comprimen el tubo a medida que giran, creando un vacío que aspira el líquido. El cierre completo del tubo en el punto de oclusión es lo que le da a la bomba su acción de desplazamiento positivo: evita el reflujo sin ninguna válvula de retención, y nada más que el tubo toca el líquido.

La consecuencia de ingeniería es que comprar una bomba peristáltica es en realidad una elección de tubo. Los tubos de silicona y otros elastómeros establecen la compatibilidad química, el rango de temperatura y el intervalo de mantenimiento, y un cambio de tubo es un evento consumible más que una reparación.

En una bomba de engranajes el sellado se produce dentro de la cámara de bombeo. Micropump describe tres áreas de sellado dinámico: las puntas de los dientes del engranaje contra la pared de la cavidad, el punto donde los dos engranajes engranan y se cierran, y las superficies de contacto de los engranajes, el cuerpo y la tapa del extremo.

Debido a que esas piezas deben moverse, deben existir espacios libres y el fluido regresa desde la salida de alta presión a la entrada de baja presión. Esa fuga inversa se llama deslizamiento y es el factor principal en la eficiencia volumétrica de una bomba de engranajes.

Lea los dos mecanismos juntos y el resto de la comparación se realizará automáticamente. La viscosidad domina el comportamiento de la bomba de engranajes y apenas afecta el sellado peristáltico. La presión de descarga domina la capacidad peristáltica y llega a la bomba de engranajes sólo a través del deslizamiento. La cuestión del material húmedo se reduce a un tubo de elastómero en una familia y se extiende a varias piezas metálicas y poliméricas en la otra.

Las gamas comerciales reflejan esa división. Skoocom'sGama de bombas micro peristálticasestá construido alrededor de un suministro de bajo flujo, baja presión y libre de contaminación, mientras que sus diseños de bombas de engranajes están ubicados alrededor de un flujo ajustable a mayor presión.

¿Qué bomba maneja su líquido? Viscosidad, cizallamiento y abrasión

La viscosidad lo decide. Una bomba microperistáltica tolera casi cualquier viscosidad porque su sello no depende del fluido. Una bomba de microengranajes necesita suficiente viscosidad para que la película de fluido selle sus espacios y pierde eficiencia volumétrica a medida que el fluido se diluye.

Las bombas de engranajes cubren un rango de viscosidad muy amplio en términos de catálogo: Viking Pump califica modelos con holgura ajustable de 1 a 440,000 cSt. El rango utilizable de cualquier bomba individual es mucho más estrecho, porque sus espacios libres están fijados para una banda de fluido. El deslizamiento aumenta a medida que aumenta la presión diferencial, a medida que disminuye la viscosidad y a medida que se desgastan los engranajes, por lo que dos bombas idénticas pueden entregar volúmenes diferentes en dos fluidos diferentes.

Shear es el segundo filtro. La malla dentada impone un alto corte en la línea de contacto, lo cual es inofensivo para una pasta rellena y puede ser dañino para un fotopolímero, una emulsión o un reactivo biológico que se adelgaza. El recorrido del tubo de una bomba peristáltica es inherentemente más suave y nunca expone el fluido a una superficie metálica caliente o que se mueve rápidamente.

La abrasión es la tercera. Las partículas duras de cerámica o metal desgastan las puntas de los engranajes y las placas de la cavidad, y ese desgaste se manifiesta como una caída de la eficiencia volumétrica que no se puede recalibrar. En una bomba peristáltica, las mismas partículas desgastan el tubo, pero el tubo está diseñado para ser reemplazado y cuesta una fracción del cabezal de una bomba.

La compatibilidad química completa el cuadro. En una bomba peristáltica la única parte mojada es el tubo, por lo que la cuestión de la compatibilidad es una decisión sobre el material. En una bomba de engranajes, el fluido se encuentra con los engranajes, el eje, los cojinetes y la carcasa, por lo que un fluido agresivo puede descartar la bomba de engranajes incluso antes de considerar el rendimiento.

Una advertencia se aplica a todo el cuadro. La viscosidad debe cotizarse según la velocidad de corte que la bomba realmente produce y la temperatura de trabajo, porque la mayoría de estos fluidos no son newtonianos y su viscosidad medida cambia con ambos. Una sola cifra tomada con una velocidad de corte incorrecta puede mover un fluido a lo largo de dos filas de esta tabla.

Precisión de pulsación y medición: ¿Qué bomba mantiene un punto de ajuste?

Una bomba de microengranajes mantiene mejor un punto de ajuste. Su flujo es proporcional a la velocidad y en gran medida independiente de la presión aguas abajo, por lo que el volumen entregado sigue el volumen calculado. Una bomba peristáltica entrega el mismo flujo promedio, pero con un pulso por cada paso del rodillo.

La frecuencia de pulsación se establece mediante el número de rodillos multiplicado por la velocidad de rotación, por lo que un cabezal de diez rodillos que funciona a 60 rpm produce diez pulsos por segundo. Más rodillos reducen la amplitud de cada pulso pero aumentan la fatiga que experimenta cada sección del tubo, un cambio que el diseñador de la bomba ya ha hecho para usted.

El deslizamiento, no la pulsación, es el límite de precisión de la bomba de engranajes. El volumen entregado es igual al desplazamiento geométrico por revolución menos el fluido que se escapa, y la porción que se escapa crece con la presión diferencial. Por lo tanto, una bomba de engranajes es más precisa contra una contrapresión conocida y estable.

La aplicación decide qué efecto importa. Los circuitos de enfriamiento toleran tanto la pulsación como un modesto error de flujo, porque la masa térmica del hotend y el radiador suaviza cualquier variación. El recambio de resina se preocupa por el volumen entregado y no por la pulsación, ya que una recarga de 50 a 100 ml a 20 a 50 ml/min tarda entre uno y dos minutos y medio y nadie está observando la forma de onda del flujo.

La dosificación de pasta y tinta se preocupa por ambos. Un pulso de presión se muestra como un defecto superficial o una variación en el ancho del trazo. Un error en el volumen entregado se manifiesta como un error dimensional en la pieza terminada. Es por eso que esos sistemas generalmente se construyen alrededor de una bomba de desplazamiento positivo impulsada como un eje de movimiento.

¿Qué bomba se adapta a la placa y al presupuesto de energía de su impresora?

Verifique el voltaje, luego la corriente y luego la etapa del controlador. Ninguna bomba se conecta a un pin MCU: el pin cambia una puerta y la corriente proviene de un riel de impresora. Ambos funcionan mejor con una salida PWM que puede limitarse a un servicio seguro.

El aspecto eléctrico de la elección se reduce a qué carril puede transportar la carga. Una placa de impresora ofrece un riel de CC pesado que alimenta la base, el extremo caliente y los ventiladores, y un dominio lógico de baja corriente para la MCU y los sensores. Solo el riel pesado tiene espacio para hacer funcionar la bomba de agua de una impresora 3D, y el pin MCU nunca forma parte de la ruta de alimentación.

La clase de voltaje no predice el consumo de corriente. La potencia es el voltaje multiplicado por la corriente, por lo que una bomba peristáltica de 5 a 6 V que entrega hasta 100 ml/min consume aproximadamente 500 mA, mientras que una bomba de 12 V de la misma clase de flujo consume 200 a 300 mA. Elegir la bomba de menor voltaje para que sea más cuidadoso con los componentes electrónicos generalmente hace que el problema eléctrico sea más difícil en lugar de fácil.

PWM es el control de velocidad normal para ambas familias. Mantenga el tiempo del ciclo en el rango de milisegundos y establezca un valor de arranque rápido para que la bomba no se detenga ante un comando bajo. Klipper expone Cycle_time, kick_start_time y off_below en sus secciones de salida y ventilador, y Marlin controla las salidas de tipo ventilador a través de M106.

Agregue protección de forma natural en una rama de bomba. Un diodo de retorno a través del motor, un fusible del tamaño de la rama en lugar de la corriente de funcionamiento de la bomba y un controlador clasificado para la corriente de pérdida cuestan muy poco. Juntos evitan que una bomba atascada se lleve la tabla consigo.

¿Cuánto cuesta cada bomba durante su vida útil?

Compare la pieza de desgaste, no el precio de compra. El costo recurrente de una bomba peristáltica es el tubo; Una bomba de engranajes no tiene consumibles en el tubo, pero su conjunto de engranajes húmedos debe sobrevivir al fluido durante toda su vida útil, y su precisión depende de las holguras que desgastan los abrasivos.

La vida útil del tubo depende del servicio. Hacer funcionar la bomba rápidamente, trabajar contra alta presión y bombear un fluido agresivo la acorta, y un tubo que se ha vuelto plano o blando entrega menos flujo antes de fallar visiblemente. La tarea de mantenimiento en sí es sencilla y no requiere herramientas, razón por la cual los diseños peristálticos son populares en máquinas desatendidas. Las soluciones de control de fluidos de impresión 3D desatendidas colocan la pieza de desgaste, no la bomba, en el programa de mantenimiento.

La vida útil declarada debe leerse junto con sus condiciones de prueba. Los fabricantes citan un ciclo de vida intermitente, generalmente un patrón de 5 segundos de encendido y 3 segundos de apagado, que es exactamente cómo funciona una bomba de recarga y no cómo funciona una bomba de enfriamiento. Convertir ciclos en años es la única comparación honesta:

Una bomba con capacidad superior a 300.000 ciclos, 5 s encendida y 3 s apagada, utilizada para diez recargas al día, tiene capacidad para aproximadamente 30.000 días de ese servicio, mucho más allá de la vida útil de la máquina a la que está instalada.

La misma bomba funcionando continuamente como bomba de refrigeración tiene una vida útil mucho más corta, porque el funcionamiento continuo es lo que desgasta un tubo, no el número de arranques.

Las cifras publicadas para el mismo modelo pueden no coincidir; cuando lo hagan, planifique el número más bajo y confírmelo con la hoja de datos proporcionada con la pieza que recibe.

Las bombas de engranajes cambian ese consumible por un riesgo diferente. No es necesario cambiar ningún tubo y, con un fluido limpio, compatible y suficientemente viscoso, la bomba puede funcionar durante años. Sin embargo, los sólidos abrasivos reducen las holguras y con ellas la eficiencia volumétrica, y un juego de engranajes desgastado es un reemplazo de la bomba en lugar de un elemento de servicio.

Ejemplo resuelto: parámetros de SC2201RPW y rendimiento de SC2301CPW

Dos conjuntos de datos publicados muestran dónde aterriza la decisión. La SC2201RPW es una microbomba peristáltica de bajo flujo para recarga de resina, dosificación de refrigerante y limpiador; La SC2301CPW es una bomba de 24 V de mayor flujo para enfriamiento del hotend y circuitos de recarga más grandes.

Comience con elSC2201RPW microbomba peristáltica, cuyas cifras publicadas describen una bomba dosificadora compacta en lugar de una bomba de circulación.

Las cifras de rendimiento del SC2301CPW pertenecen a una clase diferente y la diferencia es deliberada más que incremental.

Una advertencia práctica se aplica a ambos modelos y a todos los números de pieza de este mercado. El principio de bombeo es un campo de la hoja de datos, no algo que se pueda decodificar a partir de un número de modelo.

La SC2201RPW se describe como una bomba peristáltica en la página de su producto, pero el mismo modelo se describe como una bomba de engranajes en algunos listados de terceros. El material publicado sobre el SC2301CPW utiliza ambas descripciones en diferentes artículos.

Antes de diseñar un circuito de fluido en torno a un número de pieza, confirme tres campos en la hoja de datos actual: el tipo o estructura de la bomba, los materiales húmedos y las condiciones de prueba detrás de los índices de flujo y presión. Una cifra de flujo citada sin su presión y voltaje no es una especificación.

El procedimiento de selección en cinco pasos

Ejecute estos cinco pasos en orden y la clase de bomba se elegirá sola. Escriba el punto de trabajo, caracterice el fluido, decida si la pulsación importa, haga un presupuesto del lado eléctrico y luego elija la estrategia de piezas de desgaste.

Escribe el punto de servicio. Registre el fluido, el volumen movido por ciclo, el tiempo permitido y la presión necesaria en el punto de entrega. No se puede probar un requisito establecido como flujo suficiente.

Caracterizar el fluido. Mida la viscosidad a la temperatura de trabajo y a la velocidad de corte de la bomba, observe el contenido de sólidos y la dureza de las partículas y verifique la compatibilidad química con los materiales húmedos de cada candidato.

Decide si la pulsación importa. Las tareas de enfriamiento y recarga lo ignoran; pasta, tinta y cualquier dosis que aparezca en la pieza terminada no.

Presupuesta el lado eléctrico. Confirme el voltaje del riel, la corriente disponible, la etapa del controlador y si se necesita control de velocidad PWM, luego agregue un fusible y un diodo de retorno.

Elija la estrategia de piezas de desgaste. Decida quién reemplaza el tubo y con qué frecuencia, o confirme que el fluido esté limpio y sea lo suficientemente compatible como para que una bomba de engranajes funcione sin uno.

Luego compre la bomba cuya hoja de datos coincida, no la que tenga la lista de características más larga. ElGama de bombas de agua micro CCcubre ambas familias, y hacer coincidir la clase de voltaje y los requisitos de presión con el punto de trabajo es más rápido que comparar el texto de marketing.

Preguntas frecuentes

¿Es mejor una bomba peristáltica o una bomba de engranajes para enfriar la impresora 3D?

Una bomba peristáltica es la opción más segura para un circuito de enfriamiento. Es autocebante, no puede filtrarse a través del sello del eje porque el fluido nunca sale del tubo y su flujo no se ve afectado por la viscosidad del refrigerante. Una bomba de engranajes es igualmente capaz cuando el refrigerante está limpio, libre de partículas abrasivas y la contrapresión del circuito es estable, y agrega un suministro sin impulsos.

¿Puedo hacer funcionar la bomba de agua de una impresora 3D desde un puerto de ventilador de la placa base?

A menudo sí, si la habilitación del puerto lo permite. Un puerto de ventilador es una salida conmutada por MOSFET en el riel de suministro principal, que es la arquitectura correcta, pero el puerto puede estar clasificado para un pequeño ventilador axial en lugar de para una bomba que consume varios cientos de miliamperios. Verifique la clasificación del puerto, agregue un fusible y use un puerto con control PWM si desea control de velocidad.

¿Cuánto flujo necesita realmente un hotend refrigerado por agua?

Menos de lo que la mayoría de los constructores esperan, pero con margen de presión. Un solo bucle de hotend generalmente se satisface con 20-50 ml/min, por lo que una bomba con capacidad de 100 ml/min o más da margen para una máquina de doble hotend y para la resistencia de un tramo de tubo largo. La presión importa más que el flujo máximo, porque el bloque de agua y los accesorios de desconexión rápida establecen la contrapresión.

¿Qué bomba debo usar para recargar resina SLA?

Una bomba microperistáltica es adecuada para el relleno de resina sin supervisión porque la resina permanece dentro del tubo, por lo que no hay resina curada que limpiar de la bomba, y el cambio de tubo es una tarea breve y sin herramientas. Una microbomba de engranajes gana cuando la resina es viscosa y sin pulsos, y los volúmenes pequeños y repetibles importan, siempre que los materiales humedecidos resistan el fotopolímero y la entrada permanezca inundada.

¿Por qué una bomba de engranajes pierde precisión con fluidos poco fluidos?

Porque el fluido es el sello. Una bomba de engranajes se basa en una fina película de fluido dentro de los espacios entre las puntas de los engranajes, la pared de la cavidad y las placas terminales. Un fluido de baja viscosidad escapa más rápido a través de esos espacios, por lo que una mayor parte del volumen desplazado se escapa de regreso a la entrada y el volumen entregado no alcanza el volumen calculado.

¿Qué mantenimiento necesita cada bomba?

Una bomba peristáltica necesita que se reemplace su tubo según un cronograma establecido por la velocidad, la presión y el fluido, además de una verificación de que los rodillos y la oruga estén limpios y sin daños. Una bomba de engranajes no necesita consumibles en el tubo, pero necesita un filtro en la entrada, una entrada inundada o un cebado único y controles periódicos del volumen entregado como indicador del desgaste interno.

Envíe su punto de trabajo (fluido, viscosidad de trabajo, volumen por ciclo, presión de entrega y voltaje del riel) a través decontáctanosY la clase de bomba y la etapa del controlador se pueden confirmar antes de comprar.