Pompa Pendingin Air Printer 3D: SC2201RPW dan Pompa Peristaltik

Pendinginan cair memecahkan masalah panas yang tidak dapat dijangkau oleh kipas angin di dalam printer 3D, dan pompa memutuskan apakah putaran tersebut tetap senyap dan dapat diandalkan. Pompa roda gigi SC2201RPW mensirkulasikan cairan pendingin pada 20-50 mL/mnt di bawah 60 dB untuk satu loop daya rendah, sedangkan peristaltik 24 V SC2301CPW mengalirkan 100 mL/mnt ke atas ketika beban panas lebih besar. Ukur aliran dari panas, lalu pilih cairan pendingin dan pipa.

Mengapa printer 3D membutuhkan sistem pendingin air

Sistem pendingin air pencetakan 3D berfungsi ketika sumber panas tertutup, terkonsentrasi, atau kontinu, karena udara hanya dapat membawa panas ke udara di sekitarnya, sedangkan cairan membawa panas tersebut ke radiator yang dapat Anda tempatkan di mana saja pada mesin.

Perambatan panas adalah kasus yang paling jelas. Di dalam ruang tertutup pada suhu 45-55 C, kipas ujung dingin pada ujung panas mensirkulasi ulang udara hangat alih-alih udara dingin, filamen melunak di atas zona leleh, dan nosel menyumbat di tengah cetakan.

Panas ruangan adalah kasus kedua, dan ini bukan hanya masalah kualitas cetak. Panduan yang diterbitkan untuk printer filamen menjelaskan ruangan bersuhu sekitar 60-70 C dan menyatakan bahwa printer yang ditempatkan di dalam ruangan harus memiliki perangkat elektronik dengan pendingin aktif untuk mengurangi risiko kebakaran.

Sumber terkonsentrasi adalah yang ketiga. Modul laser dioda hanya mengubah sebagian daya inputnya menjadi output optik, sehingga sisanya menjadi panas yang harus dihantarkan dari paket kecil, dan motor stepper dengan drivernya masing-masing menambahkan beberapa watt ke dalam rangka dan udara ruangan.

Laporan lapangan dari pabrikan menyebutkan perubahan dalam istilah printer: memindahkan ujung panas ke pendingin cair akan menstabilkan suhu dari perubahan sekitar 5 C menjadi sekitar 1 C atau kurang dan meningkatkan tingkat keberhasilan pencetakan dari sekitar 70 persen menjadi lebih dari 90 persen.

Mengapa pendingin udara kehabisan ruang kepala

Air membawa sekitar empat kali panas jenis udara per satuan massa - sekitar 4,2 J/(gK) dibandingkan dengan sekitar 1,0 J/(gK) - sehingga beban panas yang sama memerlukan aliran massa cairan yang jauh lebih kecil dibandingkan udara. Rasio itulah, bukan kipas, yang membuat lingkaran cairan menarik ketika panas terperangkap di dalam selungkup.

Keuntungan kedua adalah routing. Kipas hanya dapat menolak panas ke udara yang ditempatinya, yang merupakan udara yang sama dengan bagian yang mencetak. Lingkaran dengan radiator eksternal dapat menolak panas di luar ruangan, sehingga pendinginan dan suhu ruangan berhenti saling berkelahi.

Sumber panas mana yang benar-benar cocok untuk pendingin cair

Tabel 1. Sumber panas pada printer 3D, kemana perginya masing-masing sumber, dan apakah loop cairan pendingin merupakan jawaban yang tepat.

Sumber: panduan sistem fluida pabrikan (ruang 45-55 C, data lapangan pendinginan ujung panas) dan referensi fabrikasi filamen yang dikutip (ruang 60-70 C, perangkat elektronik berpendingin aktif); baris laser, motor, dan elektronik adalah praktik teknik untuk kelas mesin ini.

Baca selanjutnya:Bagaimana memilih sistem fluida untuk printer 3D.

Berapa banyak aliran cairan pendingin yang dibutuhkan loop?

Aliran mengikuti beban panas, bukan katalog pompa: aliran yang dibutuhkan sama dengan beban panas dibagi kepadatan, panas spesifik, dan kenaikan suhu yang ingin Anda terima. Pada kenaikan 5 K, 50 mL/menit air membawa sekitar 17 W; pada kenaikan 10 K aliran yang sama membawa sekitar 35 W.

Persamaan aliran dalam unit printer

Untuk air yang mendekati suhu kamar, persamaannya menjadi satu konstanta: aliran yang dibutuhkan dalam mL/menit adalah sekitar14,4 kali beban panas dalam watt dibagi dengan kenaikan kelvin yang diperbolehkan. Konstanta tersebut merupakan kebalikan dari massa jenis dikalikan dengan panas jenis, sehingga merupakan milik cairan pendingin, bukan milik pompa.

Glikol mengubah konstanta itu. Campuran glikol dan air dengan perbandingan massa 1:1 memiliki kalor jenis sekitar 3140 J/(kg.K), kira-kira tiga perempat air, sehingga memerlukan aliran sekitar 25 persen lebih banyak untuk kenaikan suhu yang sama. Itulah harga dari perlindungan terhadap pembekuan, dan ini layak dibayar hanya jika mesin harus bertahan di bawah titik beku.

Tabel 2. Aliran cairan pendingin yang diperlukan untuk membawa beban panas tertentu pada tiga kenaikan suhu, untuk air pada suhu 25 C.

Sumber: perhitungan penulis dari Q=P / (rho xcx dT) dengan rho=997 kg/m3 dan c=4180 J/(kg.K), menghasilkan Q dalam mL/min=14.4 x P / dT. Gunakan 17,9 x P / dT untuk campuran air-glikol 1:1. Nilai dibulatkan.

Mengapa aliran lebih banyak tidak otomatis pendinginan lebih baik

Pada 50 mL/menit melalui lubang 2,5 mm, cairan pendingin bergerak dengan kecepatan sekitar 0,17 m/s, dan bilangan Reynolds kira-kira 420 pada 20 C dan 650 pada 40 C - jauh di dalam pita laminar, yang berakhir mendekati 2.300. Dalam rezim tersebut, koefisien film pada pelat dingin ditentukan oleh geometri saluran dan konduktivitas fluida, bukan oleh seberapa keras pompa mendorong, sehingga menggandakan aliran akan menghasilkan kenaikan suhu yang lebih kecil dalam fluida tetapi tidak mengurangi separuh ketahanan termal blok tersebut.

Penurunan tekanan berperilaku dengan cara yang sama. Dalam hubungan Hagen-Poiseuille untuk tabung melingkar, hambatan aliran berbanding terbalik dengan pangkat empat jari-jari, jadi lubang lebih penting daripada panjangnya. Lubang 2,5 mm dengan kecepatan 600 mm pada 50 mL/menit hanya memerlukan gesekan pipa lurus sekitar 0,3 kPa; mengurangi separuh lubang akan mengalikannya dengan enam belas.

Dalam putaran nyata, alat kelengkapan tetap mendominasi. Saluran mikro pelat dingin, pemutusan cepat, siku, dan filter menghasilkan resistansi yang jauh lebih besar dibandingkan dengan dinding tabung, itulah sebabnya 40-150 kPa yang diterbitkan pada SC2301CPW menjadi penting ketika satu loop membawa beberapa alat kelengkapan dan pelat dingin nada halus, sedangkan peringkat SC2201RPW lebih dari 30 kPa nyaman untuk sirkuit pendek dan sederhana.

Reservoirnya adalah massa termal, bukan jalur panasnya

Reservoir menyerap transien daripada beban dalam keadaan tunak. Satu liter air memerlukan sekitar 4,2 kJ untuk setiap kelvin yang dipanaskan, jadi denyut 100 W yang berlangsung selama satu menit - 6 kJ - menaikkan reservoir satu liter sekitar 1,4 K, sedangkan reservoir 100 mL akan naik sekitar 14 K. Ukur reservoir sebagai penyangga, dan gunakan area radiator dan aliran untuk tugas yang tidak pernah berhenti.

Baca selanjutnya:Pertukaran teknis di balik laju aliran, tekanan, dan kebisingan.

SC2201RPW: pompa pendingin air printer 3D yang senyap

SC2201RPW adalah pompa roda gigi DC dengan kecepatan 20-50 mL/mnt, lebih dari 30 kPa dan di bawah 60 dB pada 30 cm pada 3, 6, atau 12 V, yang menjadikannya pompa air senyap untuk satu loop pendingin berdaya rendah dibandingkan sirkuit radiator aliran tinggi.

Apa yang tertulis dalam spesifikasi yang dipublikasikan

Tabel 3. Parameter SC2201RPW dan perubahannya pada loop cairan pendingin printer 3D.

Sumber: halaman spesifikasi pabrikan untuk SC2201RPW; kolom pembawa panas merupakan perhitungan penulis dari Tabel 2.

Mengapa 20-50 mL/menit adalah ukuran yang tepat untuk satu putaran

Loop hotend cold-end tunggal adalah beban berdaya rendah. Pada kecepatan 50 mL/mnt dan kenaikan 10 K, SC2201RPW sudah memindahkan panas sekitar 35 W, yang lebih dari satu penolakan penahan panas dalam tugas normal - perkiraan teknik untuk kelas mesin ini dan bukan angka yang dipublikasikan - dan loop pendek dengan lubang referensi pabrikan memerlukan daya kurang dari 30 kPa agar dapat bekerja.

Aliran rendah adalah fitur di sini, bukan kompromi. Menjalankan pompa air senyap ini dengan kecepatan 20-50 mL/menit akan menjaga kebisingan, panas motor, dan setiap permukaan keausan tetap rendah, karena semuanya meningkat seiring dengan kecepatan, sedangkan panas yang harus dipindahkan oleh satu putaran daya rendah tidak. Putaran yang lebih lambat adalah solusi teknis yang tepat untuk tugas ini, dan itulah sebabnya peringkat di bawah 60 dB dan rentang aliran 20-50 mL/mnt dimiliki oleh pompa yang sama.

Kontrolnya mudah karena aliran melacak kecepatan motor. Output PWM cadangan memberikan aliran berulang, dan panduan yang dipublikasikan adalah memindahkan pita switching ke 20-25 kHz dan menjaga perintah minimum di atas zona mati, di mana pompa akan bersenandung dan menghangatkan belitannya tanpa memindahkan cairan.

Gambar 1. Panas yang dibawa oleh putaran air pada tiga kenaikan suhu, dengan rentang aliran yang dipublikasikan pada kedua pompa ditandai.

Sumber: perhitungan penulis dari Q=P / (rho xcx dT) untuk air pada suhu 25 C, diplot berdasarkan rentang aliran yang dipublikasikan pabrikan untuk SC2201RPW (20-50 mL/mnt) dan SC2301CPW (100 mL/mnt ke atas). Sebuah perhitungan, bukan pengukuran.

Baca selanjutnya:Pompa roda gigi mikro SC2201RPW untuk isi ulang resin.

Pendinginan pompa peristaltik: isolasi cairan dan aliran tinggi

SC2301CPW adalah pompa peristaltik 24 V dengan kecepatan 100 mL/mnt ke atas, 40-150 kPa, 60 dB atau kurang pada 50 cm, dan 200 mA atau kurang. Ini adalah pompa yang menentukan kapan loop harus membawa lebih banyak panas, mentolerir gelembung udara, atau menjaga perangkat elektronik sepenuhnya keluar dari jalur fluida.

Apa yang tertulis dalam spesifikasi yang dipublikasikan

Tabel 4. Parameter SC2301CPW dan perubahannya pada loop cairan pendingin printer 3D.

Sumber: ringkasan spesifikasi pabrikan untuk SC2301CPW; kolom pembawa panas merupakan perhitungan penulis dari Tabel 2.

Satu peringatan pada angka kebisingan. Kedua pompa tidak dipublikasikan pada jarak yang sama: di bawah 60 dB pada 30 cm untuk SC2201RPW, dibandingkan 60 dB atau kurang pada 50 cm untuk SC2301CPW. Tekanan suara turun sekitar 6 dB setiap kali jaraknya berlipat ganda, jadi 60 dB pada jarak 50 cm kira-kira sama dengan 64 dB pada jarak 30 cm dalam medan bebas. Berdasarkan kesamaan, kedua angka tersebut berdekatan, sehingga angka yang tampak lebih tenang adalah jarak pengukuran, bukan perbedaan desain.

Gambar 2. Kisaran aliran cairan pendingin untuk kedua pompa berlawanan dengan aliran yang dibutuhkan loop printer pada umumnya.

Sumber: rentang aliran yang dipublikasikan pabrikan untuk SC2201RPW (20-50 mL/mnt) dan SC2301CPW (100 mL/mnt ke atas); pita loop diturunkan dari Tabel 2 pada kenaikan suhu 10 K. Sebuah perhitungan, bukan pengukuran.

SC2201RPW atau SC2301CPW: pompa mana untuk loop mana

Tabel 5. SC2201RPW dan SC2301CPW berdampingan, dengan panas yang masing-masing dapat dibawa dalam putaran air.

Sumber: halaman spesifikasi pabrikan untuk kedua model; baris pembawa panas merupakan perhitungan penulis dari Q=14.4 x P / dT.

"Pendinginan aliran tinggi pompa roda gigi": arti sebenarnya dari istilah penelusuran

Pembeli yang mencari pendingin aliran tinggi pompa roda gigi biasanya menjelaskan pekerjaannya daripada perangkat kerasnya. Dalam kelompok ini, pompa roda gigi adalah perangkat pengukurnya: SC2201RPW bergerak 20-50 mL/mnt, yang merupakan pompa aliran rendah menurut standar pendinginan apa pun. Tugas pendinginan aliran tinggi dilayani oleh peristaltik SC2301CPW dengan kecepatan 100 mL/mnt ke atas, atau oleh pompa sentrifugal ketika satu loop memerlukan liter per menit pada tekanan rendah.

Perbedaan ini penting karena aliran dan tekanan saling bertentangan dan bukannya saling menambah. Kedua pompa tersebut mempunyai perpindahan positif, sehingga keduanya menahan aliran ketika resistansi sistem meningkat, namun aliran absolutnya ditentukan oleh perpindahan dan kecepatan, bukan oleh seberapa keras motor digerakkan. Jika sebuah loop harus bergerak lebih dari 70 W pada kenaikan 10 K, pompa peristaltik 100 mL/menit adalah titik awalnya; di bawah sekitar 35 W, pompa roda gigi yang senyap memenuhi tugas tersebut.

Baca selanjutnya:Pompa peristaltik vs pompa roda gigi untuk printer 3D.

Pemilihan cairan pendingin untuk sistem pendingin air printer 3D

Air sulingan dengan penghambat korosi dan biosida adalah cairan pendingin default untuk loop printer. Glikol ditambahkan hanya ketika mesin harus bertahan di bawah titik beku, karena glikol memberikan sekitar seperempat kapasitas panas loop dan tidak membeli apa pun pada suhu kamar.

Air, glikol, atau cairan pendingin yang sudah dicampur sebelumnya

Tabel 6. Opsi cairan pendingin untuk loop printer, dengan properti yang mengubah penghitungan aliran.

Sumber: panas spesifik dan konduktivitas termal air dari referensi air yang disebutkan; 1:1 berdasarkan massa glikol sekitar 3140 J/(kg.K), dan glikol murni sekitar setengah panas spesifik air, dari referensi glikol yang dikutip; angka -37 C untuk campuran propilen glikol 50 persen volume dengan sistem bertekanan dari referensi antibeku yang disebutkan.

Campuran logam: perangkap korosi di setiap putaran printer

Lingkaran printer biasanya mencampur logam tanpa ada yang memutuskan untuk melakukannya: blok dingin aluminium, radiator tembaga atau kuningan, perlengkapan kuningan, dan penjepit tahan karat. Jika dua logam berbeda berbagi cairan konduktif, pasangan tersebut membentuk sel galvanik dan logam yang kurang mulia akan terkorosi. Ini adalah masalah yang sama yang membuat cairan pendingin otomotif mengandung inhibitor korosi, karena sistem pendingin kendaraan mengandung aluminium, besi cor, tembaga, kuningan, dan solder pada saat yang bersamaan.

Dua aturan mengikuti. Pertahankan loop ke satu kelompok logam jika Anda bisa, dan selalu jalankan cairan pendingin yang terhambat daripada air biasa. Inhibitor yang digunakan dalam sistem air termasuk natrium nitrit dan natrium molibdat. Tambahkan juga biosida: cahaya dan kehangatan menumbuhkan alga dalam lingkaran yang tidak diberi perlakuan, dan biofilm kemudian menghalangi pelat dingin dan memasukkan partikel ke dalam pompa.

Kondensasi: perangkap pelat dingin dalam ruang berpemanas

Semakin dingin cairan pendingin, semakin banyak panas yang dapat diserapnya, sehingga mendinginkan reservoir sangatlah menggoda. Di ruangan yang dipanaskan, ini adalah kesalahan. Suhu udara dalam ruangan di kelas printer ini mendekati 60-70 C, dan pada pelat dingin yang berada jauh di bawah titik embun ruangan, air mengembun dari udara langsung ke blok, perlengkapan, dan apa pun di bawahnya.

Jaga agar cairan pendingin tetap berada di atas titik embun ruang, isolasi blok dingin dan salurannya, atau pisahkan loop menjadi sirkuit primer yang tertutup rapat dan sirkuit pendingin sekunder. Jangan pernah mengarahkan loop di atas catu daya atau pengontrol.

Baca selanjutnya:Mengatasi penyumbatan, gelembung dan kebocoran dari parameter pompa mikro.

Pemilihan pipa pendingin: tubing, bore dan fitting

Pilih pipa dengan urutan sebagai berikut: bahan yang tahan terhadap mekanisme pompa, bahan kimia yang tahan terhadap cairan pendingin, lalu lubang dan panjang yang diminta perhitungan aliran Anda. Segala sesuatu yang lain adalah detail.

Bahan: apa yang dapat ditoleransi oleh roller dan cairan pendingin

Tabel 7. Bahan tabung untuk loop pendingin printer, dinilai berdasarkan kriteria yang benar-benar menentukan pilihan.

Sumber: kisaran kekerasan silikon dan kekuatan tariknya yang rendah serta ketahanan aus yang buruk dari referensi silikon yang dikutip; Kekerasan EPDM, jangkauan layanan dan peringatan aspal dari referensi EPDM yang dikutip; Koefisien gesekan PTFE dan stabilitas termal dari referensi PTFE yang dikutip; kondisi pengujian lubang 45 Shore A dan 2,5 mm dari ringkasan spesifikasi pabrikan. Baris tanpa angka yang dikutip adalah praktik teknik untuk kelas mesin ini.

Bore, panjang dan radius tikungan

Bor tersebut berasal dari perhitungan aliran Anda, bukan dari duri yang Anda miliki. Pabrikan menguji kelompok pompa ini dengan lubang 2,5 mm, yang merupakan titik referensi yang masuk akal: pompa ini menjaga loop dalam pita laminar pada 20-50 mL/menit dan menjaga penurunan tekanan cukup rendah untuk pompa dengan nilai lebih dari 30 kPa.

Usahakan pengisapan tetap pendek, lurus, dan selebar saluran masuk pompa, karena gesekan dan udara yang terperangkap paling merugikan sebelum pompa. Pertahankan volume loop total tetap kecil, karena ini menentukan berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mengeluarkan cairan dan berapa banyak biaya cairan pendingin untuk servis. Dan hormati radius tikungan: tabung yang tertekuk adalah katup yang tertutup tanpa peringatan, jadi rutekan dengan kurva yang lebar dan dukung jangka panjang sehingga tabung tidak bisa roboh karena hisapan.

Perlengkapan, klem, dan pemutusan cepat

Setiap pemasangan menambah penurunan tekanan dan jalur kebocoran, jadi hitunglah sebelum memilih pompa. Perlengkapan berduri dengan penjepit sesuai dengan tabung silikon lembut; alat kelengkapan push-to-connect sesuai dengan tabung kaku dan lebih cepat diservis, dengan biaya segel yang pada akhirnya perlu diganti.

Pasang filter saluran masuk kasar di bagian hulu pompa. Alasannya adalah karena pompa roda gigi: partikel merusak jaring roda gigi, dan jaring yang aus membuka celah yang mengatur aliran pompa. Pada pompa peristaltik, filter melindungi tabung dari abrasi.

Baca selanjutnya:Pompa peristaltik printer 3D: panduan suplai cairan mikro yang senyap.

Instalasi dan commissioning

Pasang pompa di bawah reservoir, jaga agar aliran hisap tetap pendek, letakkan reservoir di titik tertinggi dengan saluran pembuangan di blok dingin, dan jaga setiap bagian listrik di atas fluida. Keempat aturan tersebut mencegah sebagian besar kesalahan di bagian 8.

Gambar 3. Lingkaran cairan pendingin printer sesuai urutan pergerakan cairan, dengan empat aturan pemasangan yang paling penting.

Sumber: diagram penulis. Urutan komponen mengikuti praktik pendinginan cairan loop tertutup standar; aturan priming mencerminkan catatan yang dipublikasikan bahwa SC2201RPW tidak melakukan self-priming.

Dasar.Catat suhu sekitar, suhu cairan pendingin dalam reservoir, suhu pelat dingin pada kondisi tunak, laju aliran dari dosis tertentu ke dalam silinder pengukur, dan arus pompa.

Gunung dan banjir.Letakkan reservoir pada atau di atas saluran masuk pompa sehingga pompa roda gigi dapat bekerja secara gravitasi, isolasi pompa dari rangka, dan pasang filter saluran masuk. Pompa peristaltik dapat bekerja dengan sendirinya, namun tetap biarkan saluran masuknya tergenang agar aliran stabil.

Rute dan pendarahan.Isi loop, lalu jalankan pompa dengan kecepatan rendah dengan fitting tertinggi terbuka hingga aliran balik bebas gelembung. Miringkan mesin untuk memindahkan udara yang terperangkap menuju titik pembuangan.

Lindungi listrik.Lampirkan driver ke peringkat IP yang sesuai dengan lokasinya, menggunakan klasifikasi enclosure IEC 60529, simpan entri kabel di bawah loop, dan letakkan baki tetesan di bawah sambungan. Jangan pernah mengarahkan pipa di atas catu daya.

Atur drivenya.Pindahkan pita PWM ke 20-25 kHz, atur perintah minimum di atas zona mati, dan konfirmasikan peringkat MOSFET, sekering cabang, dan dioda flyback jika pompa berbagi port kipas.

Verifikasi dan catat.Ulangi garis dasar setelah 24 jam pencetakan, lalu pada interval pemeliharaan. Suatu perubahan yang tidak dapat bertahan pada hari yang panas bukanlah suatu konfigurasi yang menetap.

Tabel 8. Catatan komisioning dan pemeliharaan untuk loop cairan pendingin printer.

Sumber: pemeriksaan dosis dan arus 40 jam dengan kriteria 5 persen dan 20 persen, dan item pemeriksaan tabung mingguan, ikuti panduan pemeliharaan sistem cairan yang dipublikasikan; baris pelat dingin adalah praktik teknik untuk kelas mesin ini.

Baca selanjutnya:3.0V atau 24V? Bisakah mainboard printer 3D Anda menggerakkan pompa ini?.

Memecahkan masalah loop cairan pendingin

Sebagian besar kesalahan loop pendingin muncul sebagai suhu yang tidak stabil, dan penyebabnya biasanya adalah aliran, udara, atau bahan kimia, bukan pompa itu sendiri. Bandingkan dengan catatan komisioning sebelum mengganti perangkat keras apa pun.

Tabel 9. Matriks pemecahan masalah untuk loop cairan pendingin printer.

Sumber: dosis dan kriteria terkini mengikuti panduan pemeliharaan yang dipublikasikan; baris pengunci udara, radiator, dan kondensasi merupakan praktik teknik untuk kelas mesin ini.