Помпа за водно охлаждане на 3D принтер: SC2201RPW и перисталтични помпи

Течното охлаждане решава проблемите с топлината, които въздушният вентилатор не може да достигне вътре в 3D принтер, а помпата решава дали този контур остава тих и надежден. Зъбната помпа SC2201RPW циркулира охлаждаща течност с 20-50 ml/min под 60 dB за единична верига с ниска мощност, докато 24 V перисталтична SC2301CPW доставя 100 ml/min и повече, когато топлинният товар е по-голям. Оразмерете потока от топлината, след това изберете охлаждащата течност и тръбите.

Защо един 3D принтер се нуждае от система за водно охлаждане

Системата за водно охлаждане за 3D печат печели своето място, когато източникът на топлина е затворен, концентриран или непрекъснат, защото въздухът може да пренася топлина само във въздуха около себе си, докато течността пренася тази топлина към радиатор, който можете да поставите навсякъде върху машината.

Топлинното пълзене е най-ясният случай. Вътре в запечатана камера при 45-55 C вентилаторът на студения край на горещия конец рециркулира топъл въздух вместо студен въздух, нишката се омекотява над зоната на топене и дюзата запушва средния печат.

Топлината в камерата е вторият случай и това не е само проблем с качеството на печат. Публикуваното ръководство за принтери с нажежаема жичка описва камери, поддържани при около 60-70 C, и посочва, че принтерът, поставен в камера, трябва да има електроника с активно охлаждане, за да се намали рискът от пожар.

Концентрираните източници са трети. Диодният лазерен модул преобразува само част от входната си мощност в оптичен изход, така че останалата част остава като топлина, която трябва да бъде отведена от малък пакет, а стъпковите двигатели с техните драйвери добавят по няколко вата към рамката и въздуха в камерата.

Докладите на производителя показват промяната в термините на принтера: преместването на hotend към течно охлаждане стабилизира температурата му от колебания от около 5 C до около 1 C или по-малко и вдигна процентите на успешен печат от приблизително 70 процента до повече от 90 процента.

Защо въздушното охлаждане не разполага с място за главата

Водата носи около четири пъти по-голяма специфична топлина от въздуха на единица маса - около 4,2 J/(gK) срещу приблизително 1,0 J/(gK) - така че същото топлинно натоварване се нуждае от много по-малък масов поток на течност, отколкото на въздух. Това съотношение, а не вентилаторът, е това, което прави течната верига привлекателна, след като топлината е уловена вътре в заграждението.

Второто предимство е маршрутизирането. Вентилаторът може да отхвърли топлината само във въздуха, в който се намира, който е същият въздух, в който частта печата. Контур с външен радиатор може да отхвърли тази топлина извън камерата, така че охлаждането и температурата в камерата спират да се борят помежду си.

За кои източници на топлина течното охлаждане всъщност подхожда

Таблица 1. Източници на топлина в 3D принтер, къде отива всеки от тях и дали охлаждащата верига е правилният отговор.

Източници: указания на производителя за флуидна система (камера 45-55 C, данни за полето за охлаждане на hotend) и цитираната справка за производство на нишки (камери 60-70 C, електроника с активно охлаждане); редовете лазер, двигател и електроника са инженерна практика за този клас машини.

Прочетете следното:Как да изберем флуидна система за 3D принтери.

От какъв поток на охлаждащата течност се нуждае контурът?

Дебитът следва топлинния товар, а не каталога на помпата: необходимият поток е равен на топлинния товар, разделен на плътността, специфичната топлина и повишаването на температурата, което сте готови да приемете. При повишаване на 5 K, 50 mL/min вода носи около 17 W; при повишаване на 10 K същият поток носи около 35 W.

Уравнението на потока в принтерни единици

За вода с близка до стайна температура уравнението се свежда до една константа: необходимият поток в ml/min е около14,4 пъти топлинното натоварване във ватове, разделено на разрешеното покачване в келвин. Константата е реципрочната стойност на плътността, умножена по специфичната топлина, така че принадлежи на охлаждащата течност, а не на помпата.

Гликолът променя тази константа. Смес 1:1 по маса от гликол и вода има специфична топлина от около 3140 J/(kg.K), приблизително три четвърти от водата, така че се нуждае от около 25 процента повече поток за същото повишаване на температурата. Това е цената на защитата от замръзване и си струва да се плати само когато машината трябва да оцелее под нулата.

Таблица 2. Дебит на охлаждащата течност, необходим за понасяне на даден топлинен товар при три повишаване на температурата, за вода при 25 C.

Източник: изчисление на автора от Q=P / (rho xcx dT) с rho=997 kg/m3 и c=4180 J/(kg.K), което дава Q в mL/min=14.4 x P / dT. Използвайте 17,9 x P / dT за смес вода-гликол 1:1. Стойностите са закръглени.

Защо повече поток не означава автоматично по-добро охлаждане

При 50 mL/min през 2,5 mm отвор охлаждащата течност се движи с около 0,17 m/s, а числото на Рейнолдс е приблизително 420 при 20 C и 650 при 40 C - добре вътре в ламинарната лента, която завършва близо до 2300. В този режим коефициентът на филма при студената плоча се определя от геометрията на канала и проводимостта на флуида, а не от това колко силно натиска помпата, така че удвояването на потока купува по-малко повишаване на температурата на флуида, но не намалява наполовина термичното съпротивление на блока.

Падането на налягането се държи по същия начин. В зависимостта на Hagen-Poiseuille за кръгла тръба, съпротивлението на потока е обратно пропорционално на четвъртата степен на радиуса, така че отворът има много повече значение от дължината. 2,5 mm отвор, работещ на 600 mm при 50 mL/min, струва само около 0,3 kPa триене на права тръба; преполовяването на отвора умножава това по шестнадесет.

В истински цикъл фитингите доминират така или иначе. Микроканалите на студената плоча, бързите разединители, колената и филтрите представляват много по-голямо съпротивление, отколкото стената на тръбата, поради което публикуваните 40-150 kPa на SC2301CPW имат значение, след като веригата носи няколко фитинга и студена плоча с фина стъпка, докато рейтингът на SC2201RPW от повече от 30 kPa е удобен за къса, проста верига.

Резервоарът е топлинна маса, а не топлинният път

Резервоарът абсорбира преходни процеси, а не натоварване в стационарно състояние. Един литър вода приема около 4,2 kJ за всеки келвин, който затопля, така че импулс от 100 W с продължителност на минута - 6 kJ - повишава еднолитров резервоар с около 1,4 K, докато резервоар от 100 ml би се повишил с около 14 K. Оразмерете резервоара като буфер и използвайте радиаторна площ и поток за митото, което никога не спира.

Прочетете следното:Техническият компромис зад дебита, налягането и шума.

SC2201RPW: тиха помпа за водно охлаждане на 3D принтер

SC2201RPW е зъбна помпа с постоянен ток с мощност 20-50 mL/min, повече от 30 kPa и под 60 dB при 30 cm на 3, 6 или 12 V, което я прави тиха водна помпа за единична охлаждаща верига с ниска мощност, а не за радиаторна верига с голям поток.

Какво казва публикуваната спецификация

Таблица 3. Параметри на SC2201RPW и какво променя всеки един от тях в охлаждащата верига на 3D принтер.

Източник: страница със спецификация на производителя за SC2201RPW; топлопренесената колона е изчислението на автора от таблица 2.

Защо 20-50 ml/min е правилният размер за една верига

Единична верига горещ край студен край е товар с ниска мощност. При 50 mL/min и повишаване на 10 K SC2201RPW вече пренася около 35 W топлина, което е повече от едно отхвърляне на топлинно прекъсване при нормална работа – инженерна оценка за този клас машина, а не публикувана цифра – и къс цикъл с референтния отвор на производителя се нуждае от доста под 30 kPa, за да работи.

Ниският поток тук е характеристика, а не компромис. Пускането на тази тиха водна помпа при 20-50 ml/min поддържа шума, топлината на двигателя и всяка износваща се повърхност ниска, защото всички те се повишават със скорост, докато топлината, която трябва да премести един контур с ниска мощност, не се движи. По-бавният контур е правилната инженерна професия за това задължение и затова рейтинг под 60 dB и диапазон на потока 20-50 mL/min принадлежат към една и съща помпа.

Управлението е лесно, защото потокът проследява скоростта на двигателя. Резервен PWM изход осигурява повтарящ се поток, а публикуваните насоки са да се премести превключващата лента до 20-25 kHz и да се поддържа минималната команда над мъртвата зона, където иначе помпата би бръмчила и затопляла намотката си, без да движи течността.

Фигура 1. Топлина, пренасяна от воден контур при три повишаване на температурата, с отбелязани публикувани диапазони на дебита на двете помпи.

Източник: изчисление на автора от Q=P / (rho xcx dT) за вода при 25 C, нанесено спрямо публикуваните от производителя диапазони на потока за SC2201RPW (20-50 mL/min) и SC2301CPW (100 mL/min и повече). Изчисление, не измерване.

Прочетете следното:SC2201RPW микро зъбна помпа за зареждане със смола.

Охлаждане на перисталтична помпа: изолация на течности и висок поток

SC2301CPW е 24 V перисталтична помпа с мощност 100 mL/min и повече, 40-150 kPa, 60 dB или по-малко при 50 cm и 200 mA или по-малко. Помпата е тази, която определя кога контурът трябва да носи повече топлина, да понася въздушни мехурчета или да държи електрониката напълно извън пътя на флуида.

Какво казва публикуваната спецификация

Таблица 4. Параметри на SC2301CPW и какво променя всеки от тях в контур на охлаждащата течност на 3D принтер.

Източник: резюме на спецификацията на производителя за SC2301CPW; топлопренесената колона е изчислението на автора от таблица 2.

Едно внимание относно стойностите на шума. Двете помпи не се публикуват на едно и също разстояние: под 60 dB на 30 cm за SC2201RPW, срещу 60 dB или по-малко на 50 cm за SC2301CPW. Звуковото налягане пада с около 6 dB всеки път, когато разстоянието се удвои, така че 60 dB на 50 cm е приблизително 64 dB на 30 cm в свободно поле. На съпоставима база двете цифри са близки, така че по-тихото изглеждащо число е по-скоро измерено разстояние, отколкото разлика в дизайна.

Фигура 2. Диапазони на потока на охлаждащата течност за двете помпи срещу потока, от който се нуждаят обикновените контури на принтера.

Източници: публикувани от производителя диапазони на потока за SC2201RPW (20-50 mL/min) и SC2301CPW (100 mL/min и повече); лентите на веригата са получени от Таблица 2 при повишаване на температурата с 10 K. Изчисление, не измерване.

SC2201RPW или SC2301CPW: коя помпа за кой контур

Таблица 5. SC2201RPW и SC2301CPW един до друг, с топлината, която всеки може да пренесе във воден контур.

Източници: страници със спецификации на производителя за двата модела; топлинно пренесеният ред е изчислението на автора от Q=14.4 x P / dT.

„Охлаждане с голям поток на зъбна помпа“: какво всъщност означава думата за търсене

Купувачите, които търсят охлаждане с голям поток на зъбна помпа, обикновено описват работата, а не хардуера. В тази фамилия зъбната помпа е измервателното устройство: SC2201RPW движи 20-50 ml/min, което е помпа с нисък дебит според всеки стандарт за охлаждане. Охлаждането с висок поток се обслужва от перисталтичния SC2301CPW при 100 mL/min и повече или от центробежна помпа, когато контурът се нуждае от литри в минута при ниско налягане.

Разграничението има значение, защото потокът и налягането се разменят един срещу друг, вместо да се добавят. И двете помпи са обемни, така че задържат потока, докато съпротивлението на системата нараства, но техният абсолютен поток се определя от обема и скоростта, а не от това колко силно се задвижва моторът. Ако една верига трябва да се движи повече от около 70 W при повишаване на 10 K, перисталтичната помпа от 100 mL/min е началната точка; под около 35 W тихата зъбна помпа покрива работата.

Прочетете следното:Перисталтична помпа срещу зъбна помпа за 3D принтери.

Избор на охлаждаща течност за система за водно охлаждане на 3D принтер

Дестилираната вода с инхибитор на корозия и биоцид е охладителната течност по подразбиране за веригата на принтера. Гликолът се добавя само когато машината трябва да оцелее под нулата, защото той отдава приблизително една четвърт от топлинния капацитет на контура и не купува нищо при стайна температура.

Вода, гликол или предварително смесена охлаждаща течност

Таблица 6. Опции за охлаждаща течност за контур на принтер със свойството, което променя изчислението на потока.

Източници: специфична топлина и топлопроводимост на водата от цитираната водна справка; 1:1 по маса гликол при около 3140 J/(kg.K) и чист гликол при около половината от специфичната топлина на водата, от цитираната справка за гликол; цифрата -37 C за 50 процента обемна смес от пропилей гликол със система под налягане от цитираната справка за антифриз.

Смесени метали: капанът на корозията във всяка верига на принтера

Принтерната верига обикновено смесва метали, без някой да реши: алуминиев студен блок, меден или месингов радиатор, месингови фитинги и неръждаема скоба. Когато два различни метала споделят проводяща течност, двойката образува галванична клетка и по-малко благородният метал корозира. Това е същият проблем, който кара охладителната течност за автомобили да носи инхибитори на корозията, тъй като охладителната система на превозното средство съдържа едновременно алуминий, чугун, мед, месинг и спойка.

Следват две правила. Поддържайте веригата до едно метално семейство, където можете, и винаги пускайте инхибирана охлаждаща течност, а не чиста вода. Инхибиторите, използвани във водните системи, включват натриев нитрит и натриев молибдат. Добавете и биоцид: светлината и топлината растат водорасли в необработена верига, а биофилмът след това блокира студената плоча и подава частици в помпата.

Кондензация: уловител със студена плоча в загрята камера

Колкото по-студена е охлаждащата течност, толкова повече топлина може да абсорбира, така че охлаждането на резервоара е изкушаващо. В затоплена камера е грешка. Въздухът в камерата в този клас принтери е около 60-70 C и срещу студена плоча, държана доста под точката на оросяване на камерата, водата кондензира от въздуха директно върху блока, фитингите и всичко под тях.

Поддържайте охлаждащата течност над точката на оросяване на камерата, изолирайте студения блок и неговите линии или разделете контура на запечатана първична верига и вторична верига на охладителя. Никога не насочвайте веригата над захранването или контролера.

Прочетете следното:Разрешаване на запушвания, мехурчета и течове от параметрите на микропомпата.

Избор на охлаждаща тръба: тръби, отвор и фитинги

Изберете тръби в следния ред: материал, който издържа на механизма на помпата, химически състав, който издържа на охлаждащата течност, след това отвора и дължината, която е поискано от вашето изчисление на потока. Всичко останало са подробности.

Материал: какво понасят ролките и охлаждащата течност

Таблица 7. Тръбни материали за охлаждаща верига на принтер, оценени по критериите, които всъщност решават избора.

Източници: диапазон на твърдост на силикона и неговата ниска якост на опън и слаба устойчивост на износване от цитираната справка за силикон; Твърдост на EPDM, експлоатационен обхват и предупреждение за битум от цитираната справка за EPDM; PTFE коефициент на триене и термична стабилност от цитираната PTFE справка; условията за изпитване на 45 Shore A и 2,5 mm отвор от резюмето на спецификацията на производителя. Редове без цитирана фигура са инженерна практика за този клас машини.

Отвор, дължина и радиус на огъване

Отворът идва от вашето изчисление на потока, а не от шипа, който притежавате. Производителят тества тази фамилия помпи с отвор от 2,5 mm, което е разумна референтна точка: поддържа контура в ламинарната лента при 20-50 ml/min и поддържа спада на налягането достатъчно нисък за помпа с номинално налягане над 30 kPa.

Поддържайте смукателния ход кратък, прав и толкова широк, колкото позволява входът на помпата, защото триенето и задържаният въздух нараняват най-много преди помпата. Поддържайте общия обем на контура малък, тъй като той определя колко време отнема обезвъздушаването и колко охлаждаща течност струва услугата. И спазвайте радиуса на огъване: прегънатата тръба е затворен клапан без предупреждение, така че маршрутизирайте с щедри криви и поддържайте дълги участъци, така че тръбата да не може да се свие при засмукване.

Фитинги, скоби и бързи връзки

Всеки фитинг добавя спад на налягането и път на теч, така че ги пребройте, преди да изберете помпата. Фитинги с шипове със скоба отговарят на мека силиконова тръба; фитингите с натискане за свързване са подходящи за твърда тръба и са по-бързи за обслужване, на цената на уплътнение, което в крайна сметка трябва да бъде заменено.

Поставете филтър за груби входове преди помпата. Причината е зъбната помпа: частиците износват мрежата на зъбното колело, а износената мрежа отваря хлабините, които определят потока на помпата. При перисталтичната помпа вместо това филтърът предпазва тръбата от абразия.

Прочетете следното:Перисталтична помпа на 3D принтер: тихо ръководство за подаване на микро течност.

Монтаж и пускане в експлоатация

Инсталирайте помпата под резервоара, поддържайте късо засмукване, поставете резервоара в най-високата точка с обезвъздушаване при студения блок и дръжте всяка електрическа част над течността. Тези четири правила предотвратяват повечето грешки в раздел 8.

Фигура 3. Охлаждаща верига на принтера в реда на движение на течността, с четирите най-важни правила за инсталиране.

Източник: схема на автора. Редът на компонентите следва стандартната практика на течно охлаждане в затворен контур; правилото за зареждане отразява публикуваната бележка, че SC2201RPW не е самозасмукващ.

Базово ниво.Запишете температурата на околната среда, температурата на охлаждащата течност в резервоара, температурата на студената плоча в стационарно състояние, скоростта на потока от определена във времето доза в измервателен цилиндър и тока на помпата.

Монтирайте и наводнете.Поставете резервоара на или над входа на помпата, така че зъбна помпа да зарежда чрез гравитация, изолирайте помпата от рамката и монтирайте входния филтър. Перисталтичната помпа се запълва сама, но въпреки това дръжте входа й наводнен за стабилен поток.

Маршрут и кървене.Напълнете контура, след това пуснете помпата при ниска работа с отворен най-висок фитинг, докато връщащият се поток не остане без мехурчета. Наклонете машината, за да преместите уловения въздух към точката на изпускане.

Защитете електричеството.Оградете драйвера с IP рейтинг, който отговаря на местоположението, като използвате класификацията на корпуса IEC 60529, дръжте кабелните входове под примката и поставете тава за събиране на капките под съединенията. Никога не прокарвайте тръби над захранването.

Задайте устройството.Преместете обхвата на ШИМ на 20-25 kHz, задайте минималната команда над мъртвата зона и потвърдете рейтинга на MOSFET, предпазителя на разклонението и диода за обратно движение, ако помпата споделя вентилаторен порт.

Проверете и влезте.Повторете базовата линия след 24 часа печат, след това на интервала за поддръжка. Промяна, която не преживее ден на топлина, не е установена конфигурация.

Таблица 8. Запис за въвеждане в експлоатация и поддръжка за контур на охлаждащата течност на принтера.

Източници: 40-часовата доза и текущата проверка с техните 5 процента и 20 процента критерии и седмичните елементи за инспекция на тръбите следват публикуваните насоки за поддръжка на флуидна система; редът със студена плоча е инженерна практика за този клас машини.

Прочетете следното:3,0 V или 24 V? Може ли дънната платка на вашия 3D принтер действително да управлява тази помпа?.

Отстраняване на неизправност в контур на охлаждащата течност

Повечето неизправности в контура на охлаждащата течност се появяват като температура, която не се стабилизира и причината обикновено е поток, въздух или химия, а не самата помпа. Сравнете със записа за въвеждане в експлоатация, преди да смените хардуера.

Таблица 9. Матрица за отстраняване на неизправности за контур на охлаждащата течност на принтера.

Източници: дозата и текущите критерии следват публикуваните насоки за поддържане; редовете за въздушен шлюз, радиатор и конденз са инженерна практика за този клас машини.