3D Printer Fluid Systems: Micro Pump Automation Shift

3D-tulostinnestejärjestelmä on putkisto, jonka avulla kone voi jatkaa tulostamista ilman käyttäjää: jäähdytysnestesilmukat, hartsin syöttölinjat ja pesupiirit, joista jokaista ohjaa mikropumppu. Automaatio toimii vain, kun pumppu on mitoitettu sille nesteelle, jonka se todella näkee. Tämä opas kattaa, mitä on aidosti automatisoitu, mitä pumpun on toimitettava ja missä rajat ovat.

1. Laitteiden pumpuista tulostimen nestejärjestelmiin

3D-tulostimiin nyt asennettuja mikropumppuja ei ole kehitetty 3D-tulostukseen. Ne on kehitetty laitekäyttöön - lakaisurobotit, kahvinkeittimet, vesiautomaatit, lääketieteelliset ja kauneuslaitteet - ja tulostinteollisuus otti ne käyttöön, koska niiden taustalla oleva vaatimus on identtinen: siirrä pieni, toistettava määrä nestettä kapeaa reittiä pitkin hiljaa vuosien ajan ilman kontaminaatiota.

Se, mitä julkaistaan, on pikemminkin sovelluksen siirtomalli kuin yksittäinen alkuperätarina. Saman valmistajan luettelossa on lueteltu peristalttiset pumput lakaisuroboteille, kahvinkeittimen vesijärjestelmät, vesiautomaatit ja nyt 3D-tulostinnestetehtävät. Nimellisparametrit kulkevat pumpun mukana; käyttösuhde, neste ja tarkkuusvaatimus eivät.

Taulukko 1. Dokumentoidut sovellussiirrot saman mikropumppualustan kautta.

Lähteet: valmistajan tuotesivut ja viitteissä luetellut sovellusohjeet.

Kolme asiaa muuttuu, kun pumppu siirtyy tulostimeen. Tehtävästä tulee pikemminkin toistuvaa kuin satunnaista, joten syklin käyttöikä ja putken kuluminen siirtyvät eritelmien etupuolelle. Neste muuttuu aggressiiviseksi tai herkäksi - valopolymeerihartsi, isopropyylialkoholi, jäähdytysneste - joten kostutetut materiaalit ratkaisevat suunnittelun. Ja tilavuudesta tulee pikemminkin asetuspiste kuin toimitus: ylitäyttö on läikkymistä, ja annos, joka kulkeutuu, on epäonnistunut rakenne.

2. Mitä tulostinautomaatio todella automatisoi

Nykyään tuotantotulostimissa kolme toimintoa on aidosti automatisoitu, ja jokainen muuntaa manuaalisen tehtävän nesteenkäsittelyvaatimukseen. 3D-tulostusnestejärjestelmässä jokainen niistä on pumppaustehtävä eri nesteellä, eri tilavuudella tapahtumaa kohden ja erilaisella virhetoleranssilla. Kaikki muu, jota kutsutaan tulostinautomaatioksi, on liikkeenohjausta tai tiedonkäsittelyä, jossa ei ole sujuvaa sisältöä.

2.1 Automaattinen syöttö ja täyttö

Selkein tapaus on hartsin täyttö altaiden fotopolymerointikoneissa. Mikropumppu, johon on yhdistetty valosähköinen tasoanturi ja pieni säädin, nostaa altaaa 50–100 ml:lla aina, kun taso laskee, mikä mahdollistaa yön yli tehtävän rakennuksen valmistumisen ilman käyttäjää. Koska neste pysyy putken sisällä, kovettunutta hartsia ei kerry koskaan pumpun runkoon, ja putki on ainoa vaihdettava osa.

Materiaalien suulakepuristuksessa 3D-tulostuksen automatisoitu syöttö tarkoittaa filamentin tai pellettien syöttöä nesteen sijaan. Tämä tehtävä ei kuulu mikronestepumpun piiriin - suulakepuristussyöttö tarvitsee eri perheen - joten pidä ne kaksi erillään aina, kun ilmaus "lisäainevalmistuksen syöttöpumppu" esiintyy spesifikaatiossa, koska kirjallisuudessa se tarkoittaa melkein aina ekstruusiosyöttöjärjestelmää, ei nesteen annostelupumppua.

2.2 Automaattinen puhdistus ja jälkikäsittely

Siivousautomaatio on pidemmällä kuin useimmat insinöörit olettavat. Hartsipesuasema sekoittaa osia 7-15 litrassa liuotinta magneettikytketyllä juoksupyörällä, sen määrä on 120 tulosta per isopropyylialkoholin täyttö 10 minuutin oletuspesulla ja nostaa osat pois liuottimesta ilmakuivumaan. Myös kemiallisten osien poisto on automatisoitu: jälkiasennettava laitteistolaajennus aktivoi rakennusalustan vapauttaen valmiit osat UV-säteilyä estävään säiliöön ja aloittaa seuraavan työn ilman valvontaa.

Laajuudella on tässä väliä: puhdistuksen tekevä sekoitus tulee juoksupyörästä, ei pumpusta nopeudella 20-50 ml/min. Mikropumpun panos on nestelogistiikka säiliön ympärillä: liuottimen siirtäminen sisään ja ulos, haihtuvan aineen lisääminen ja kierrätys suodattimen läpi liuottimen käyttöiän pidentämiseksi. Isopropyylialkoholin leimahduspiste on 11,7 astetta avoimessa kupissa, joten työ kuuluu ilmanvaihtoon, sidottuun malliin riippumatta siitä, kuinka hyvä pumppu on.

2.3 Vakiolämpötilajäähdytys

Lämpöautomaatio on vaativin tehtävä ja selkein fysiikka. Veden ominaislämpökapasiteetti on 4 184 J/(kg·K) 20 asteessa, mikä on noin neljä kertaa ilman massaa suurempi, joten pieni nestevirta kuljettaa paljon enemmän lämpöä kuin sama massa ilma. Suljettu piiri, jossa on patteri kotelon ulkopuolella, voi siksi pitää hotendin tasaisessa lämpötilassa lämmitetyssä kammiossa, jossa tuulettimet kierrättäisivät vain lämmintä ilmaa.

Mitoitusaritmetiikka kannattaa tehdä ensin: poistunut lämpö vastaa massavirtausta kertaa 4 184 kertaa sallittu lämpötilan nousu. Nopeudella 20–50 ml/min, mikä on noin 14–70 W 10–20 K nousussa, mikä sopii yhdelle hotend-silmukalle ja sulkee pois kammion, ohjaimen tai lämmitetyn kerroksen jäähdytyksen samassa pumpussa. Kuva 1 esittää laskelman koko virtausalueella, jonka pieni pumppu voi saavuttaa.

Kuva 1. Vesisilmukan poistama lämpö virtausnopeutta vastaan ​​sallitulla lämpötilan nousulla 10 K ja 20 K; varjostettu nauha on kompaktin mikropumpun 20-50 ml/min.

Lähde: tekijän laskelma veden ominaislämpökapasiteetista, 4 184 J/(kg·K) 20 asteessa ; tiheydeksi 1000 kg/m³.

3. Pumppu on silmukan sydän: viisi muuttujaa

Käytännössä pumppu asettaa sen, mitä silmukka voi tehdä, ja lähes jokainen nestejärjestelmän vika johtuu pienestä määrästä mitattavissa olevia parametreja. Valmistajan vianetsintäohjeet vähentävät kentän viiteen: iskutilavuus kierrosta kohti, käyttöpaine, viskositeetti lämpötilassa, imutila ja käyttösuhde.

Taulukko 2. Viisi muuttujaa useimpien 3D-tulostimen nestejärjestelmän vikojen takana.

Lähde: valmistajan nestejärjestelmän vianmääritysopas (katso viitteet).

Lista on diagnostinen: kun silmukka ajautuu, nopein korjaus on tunnistaa, mikä parametri on siirretty, ja nollata se pumpun vaihtamisen sijaan. Yhtäkkiä pitempään vievä täyttö on yleensä osittain tukossa oleva tulosiivilä tai puristussarjan saanut putki, ei viallinen moottori.

4. Pumppuperheen valinta: viskositeetti ratkaisee

Tulostinnesteiden mikropumppusovellukset jakautuvat kahteen työperheeseen. Peristalttinen tai putkipumppu puristaa joustavan putken niin, että vain putki koskettaa nestettä; hammaspyöräpumppu vangitsee nestettä pyörivien elementtien ja kotelon väliin. Viskositeetti on muuttuja, joka päättää niiden välillä.

Taulukko 3. Pumppuperheen valinta nesteen viskositeetin mukaan, vikatila kunkin nauhan takana.

Lähde: valmistajan valintaohjeet matalaviskoosisille musteille korkeaviskoosisiin keraamisiin tahnoihin.

Kaksi pätevyyttä merkitsee enemmän kuin itse taulukko. Ensinnäkin viskositeetti on ilmoitettava sillä leikkausnopeudella, jonka pumppu todellisuudessa tuottaa, ja käyttölämpötilassa, koska useimmat näistä nesteistä eivät ole newtonilaisia; väärällä leikkausnopeudella otettu luku voi siirtää nestettä kahdessa rivissä. Toiseksi keskimääräinen virtaus ja hetkellinen virtaus eroavat toisistaan. Hammaspyöräpumppu seuraa laskettua tilavuutta tarkasti ja mittaa pulssivapaasti; peristalttinen pumppu tuottaa saman keskimääräisen virtauksen pulssilla, jonka jokainen rulla vapauttaa. Täyttölinjalle pulssilla ei ole merkitystä; pigmentin annostelussa sekoituspäähän se valitsee puhtaan sekoituksen ja raidallisen sekoituksen välillä.

5. Silmukan mitoitus: kuinka kauan täyttö todella kestää

Virtausnopeus lakkaa olemasta abstraktia, kun se muunnetaan koneajaksi. Alla oleva taulukko näyttää, mitä täyttö- tai kiertokierto maksaa 50 ja 100 ml/min - käytännöllinen ero kompaktin pöytäkoneen pumpun ja seuraavan luokan välillä.

Taulukko 4. Täyttö- ja kiertoaika virtausnopeuden funktiona suurkokotulostintehtävissä.

Lähde: valmistajan nesteen toimitusohjeet; ajat ovat tilavuuslaskelmia ilmoitetulla virtauksella.

Virtauksen kaksinkertaistaminen puolittaa jokaisen rivin ajan. Suurien tulostimien rivi, joka toistuu koko päivän, ja jokainen täyttö, joka kestää 10 minuuttia 20 minuutin sijaan, palauttaa koneen ajan aikatauluun. Tämä, ei päävirtausluku, on taloudellinen argumentti suuremmalle pumpulle - ja syy, miksi pöytäkoneluokan pumppua ei pitäisi venyttää käyttötarkoitukseen, johon sitä ei koskaan arvioitu.

Kuva 2. Aika siirtää tietty tilavuus virtausnopeutta vastaan; varjostettu nauha on kompaktin mikropumpun 20-50 ml/min.

Lähde: tekijän tilavuuslaskelma esitetystä virtausnopeudesta; 50 ja 100 ml/min arvot vastaavat taulukkoa 4.

6. Mitä automaatiopäivitys muuttaa koneessa

Automaatiopäivityksessä tulostimien sisäiset nesteratkaisut tulevat osaksi konespesifikaatioita, joihin on liitetty tunnistus, kirjaus ja huoltoväli.

Lisää anturi, älä vain pumppua.Täyttösilmukka tarvitsee tasoanturin ja ohjaimen ennen kuin pumppu on hyödyllinen; automaatio ilman palautetta on ajastimella toimiva pumppu.

Kirjaa viisi arvoa sykliä kohden.Kirjaa ylös neste, lämpötila, komentoarvo, mitattu virtaus ja moottorin virta. Drift näkyy silloin trendinä eikä epäonnistuneena rakennuksena, ja loki tekee takuukeskusteluista tosiasioihin.

Tarkista virtakisko ennen pumppua.Alle 160 mA:n 5 V pumppupiirustus ja 200 mA:n 24 V pumppu ovat molemmat helppokäyttöisiä, mutta pöytätulostin jakaa 24 V:tä, joten 5 V:n laite tarvitsee oman virtalähteen tai buck-muuntimen.

Päätä kostutetut materiaalit ajoissa.Fotopolymeerihartsi, isopropyylialkoholi ja jäähdytysneste hyökkäävät kukin eri elastomeereihin. Valitse putket ja sisäosat yhteensopivuustaulukosta, älä saatavuudesta.

Suunnittelu kulutustavaraa varten.Putkipumpussa putki on kuluva osa ja vaihto kestää minuutteja; hammaspyöräpumpussa kulutusosa on pumpun sisällä. Joka tapauksessa huoltoväli kuuluu koneen eritelmiin.

Aseta huoltokalenteri, älä vikavastausta.Toimiva malli: putken, liitososien ja siivilä tarkastetaan viikoittain; kuukausittainen kalibroinnin ja tasoanturin tarkastus; neljännesvuosittain siivilä vaihto; ja kulutustavaroiden muutos noin 500 tunnin kohdalla tai kahdessa kolmasosassa lasketusta käyttöiästä sen mukaan, kumpi tulee ensin.

Suodata tarkoituksella.Inline-suodatin pidentää liuottimen ja jäähdytysnesteen käyttöikää, mutta lisää paineen laskua. Kokoa se pumpun painekattoa vasten, ei silmukan nimellispainetta vasten.

7. Missä automaatio ei kannata

Rehellinen nestejärjestelmän päivitys alkaa tunnistamalla tehtävät, jotka eivät sitä tarvitse. Pumpun, säiliön ja tasoanturin lisääminen koneeseen, joka ei koskaan käy tarpeeksi kauan tarvitsemaan niitä, luo vikatiloja ja puhdistustöitä poistamatta niitä.

Pöytäkoneen hartsisäiliö, jossa on tarpeeksi hartsia rakentamiseen, ei tarvitse kiertoa.Kerrosten välinen täyttö ja täyttö puolivälissä ovat tehtäviä, jotka mitataan kymmenissä tai satoissa millilitroissa, ei jatkuvana silmukana. Jos altaassa ei ole nälkää, pumppu ratkaisee ongelman, jota koneessa ei ole.

Ilmajäähdytys on edelleen oikea useimmille pöytäkoneille.Nestejäähdytys ansaitsee paikkansa, kun kone käy lämmitetyssä kammiossa tai kun hotendiä painetaan tarpeeksi lujasti, jotta tuulettimet kierrättävät vain lämmintä ilmaa.

Manuaalinen täyttö on laillista alhaisella teholla.Muutaman tunnin viikossa tulostavaa konetta palvelee paremmin yksinkertainen säiliö kuin automaattinen silmukka, joka seisoo tyhjäkäynnillä ja laskee pigmenttiä.

Älä koskaan automatisoi hotendin voitelua.Filamenttireitillä oleva voiteluaine ei ole vakiohuolto, ja se saattaa saastuttaa sulatteen ja epävakauttaa suulakepuristuksen. Jos kone tarvitsee automaattisen voitelun, voitele sen sijaan lineaarikiskot ja johdinruuvit.

Käsittele suoritusvaatimuksia ilman testimenetelmää markkinointina.Lämpötilan vakautta tai onnistumisastetta koskevat väitteet ovat käyttökelpoisia vain, jos niissä on menetelmä, näytteen koko ja päivämäärä - jos eivät, jätä ne eritelmien ulkopuolelle.

8. Näkymät: älykkäät, integroidut nestejärjestelmät

Kulkusuunta määräytyy vähemmän pumpputekniikalla kuin standardityöllä, joka kuroutuu kiinni lisäainevalmistukseen tuotantoprosessina. ISO/ASTM 52900 määrittelee lisäainevalmistuksen ja 3D-tulostuksen sanaston ja ISO/ASTM 52920:2023 vaatimukset teollisille lisäaineiden valmistusprosesseille ja tuotantolaitoksille. NIST kehystää muutoksen kapeasti: kun additiivinen valmistus siirtyy tuotantoon, mittaustieteestä ja -standardeista tulee kriittisiä.

Tulostimien nestejärjestelmistä seuraa kaksi seurausta.

Älykäs pikemminkin kuin ajoitettu.Kun silmukka on instrumentoitu tasoanturilla, virtausmittauksella ja moottorin virran valvonnalla, ohjausjärjestelmä voi havaita tukkeutuneen siivilä tai puristuvan putken ennen kuin rakenne epäonnistuu. Rakennuspalikat ovat jo olemassa; Useimmilta koneilta puuttuu päätös tallentaa ne koontikohtaisesti sen sijaan, että niitä käsitettäisiin palvelun diagnostiikkana.

Integroitu yhden pumpun sijaan.Erikoispainojärjestelmässä kaksi perhettä yhdistetään usein mieluummin kuin valitaan seuraavista: peristalttinen pumppu siirtää nestettä säiliöstä, koska se käsittelee imua, kiintoaineita ja kontaminaatiota, kun taas hammaspyöräpumppu annostelee viskoosia materiaalia päähän paineen alaisena. Nestejärjestelmästä tulee arkkitehtuuri, ei komponentti.

Huomaa, mitä tästä näkymästä on tarkoituksella jätetty pois: markkinakokoisen ennusteen. Kasvuprosentteja on vaikea todentaa, ne määrittelevät harvoin niiden laajuuden eivätkä kerro insinöörille mitään siitä, mikä pumppu määrittää. Mitattavissa oleva trendi on kapeampi ja hyödyllisempi - tulostimia rakennetaan toimimaan ilman valvontaa, ja valvomaton tulostus vaatii nestemäisiä tehtäviä, jotka on instrumentoitu, mitattu ja huollettava.

Keskeiset takeawayt

Tulostimien mikropumppusovellukset tulivat laitetoiminnasta - lakaisurobotit, kahvinkeittimet, vesiautomaatit - ja parametrit siirtyivät siististi, kun taas käyttöjakso-, neste- ja tarkkuusvaatimukset eivät.

Kolme tulostimen toimintoa ovat nykyään aidosti nesteautomaattisia: syöttö ja täyttö, puhdistus ja liuottimen käsittely sekä vakiolämpötilainen jäähdytys.

Viisi muuttujaa selittää useimmat nestejärjestelmän viat: siirtymä kierrosta kohti, käyttöpaine, viskositeetti lämpötilassa, imutila ja käyttösuhde.

Viskositeetti valitsee pumppuperheen. Noin alle 1 000 mPa·sa:n putkipumppu on turvallisempi valinta; sen yläpuolella hammaspyöräpumppu tiivistää ja mittaa paremmin. Ilmoita viskositeetti todellisella leikkausnopeudella ja lämpötilalla.

1 litran täyttö kestää 20 minuuttia nopeudella 50 ml/min ja 10 minuuttia nopeudella 100 ml/min. Tämä ero, ei päävirtausluku, on taloudellinen argumentti suuremman pumpun puolesta.

Puhdistussekoitus tulee siipipyörästä 7-15 litran säiliössä, ei 20-50 ml/min pumpusta. Mikropumput hoitavat liuotinlogistiikan säiliön ympärillä.

Usein kysytyt kysymykset

Mikä on 3D-tulostimen nestejärjestelmä?

Se on sarja pumppuja, putkia, säiliöitä, antureita ja suodattimia, jotka siirtävät nestettä tulostimen sisällä: jäähdytysnestettä hotend-silmukan ympäri, hartsi altaaseen ja liuotin pesusäiliöön ja sieltä pois. Pumppu määrittää sen, mitä muu järjestelmä voi tehdä, koska se määrittää suurimman virtauksen ja paineen, joka voi voittaa silmukan vastuksen.

Onko 3D-tulostusnestejärjestelmä sama kuin nestemäinen 3D-tulostus?

Ei, ja nämä kaksi sekoittuvat jatkuvasti hakutuloksissa. Nestemäisessä 3D-tulostuksessa käytetään nestemäistä materiaalia rakennusmateriaalina tai tukikylpynä, ja 3D-tulostettu fluidiikka tarkoittaa mikrofluidilaitteiden tulostamista. Tulostinnestejärjestelmä on koneen sisäinen putkisto - merkitys, jolla on merkitystä määritettäessä pumppua.

Kuinka paljon virtausta automatisoitu hartsin täyttö tarvitsee?

Se riippuu tapahtumakohtaisesta äänenvoimakkuudesta, ei tulostusnopeudesta. Altaan täyttö 0,25 litraa kestää noin 5 minuuttia nopeudella 50 ml/min ja 2,5 minuuttia nopeudella 100 ml/min; 1 litran puolivälin täyttö kestää 20 ja 10 minuuttia. 20-50 ml/min pumppu sopii pöytäkoneille kymmeniin millilitraisiin täyttöihin, kun taas suurikokoiset koneet oikeuttavat 100 ml/min luokan.

Voiko yksi pumppu hoitaa sekä jäähdytyksen että hartsinsyötön?

Ei pitäisi. Jäähdytys on jatkuvaa suljetun silmukan toimintaa jäähdytysnesteellä, jonka on pysyttävä puhtaana, kun taas hartsin syöttö on jaksottaista annostelua kovettuvalla nesteellä. Yhden pumpun jakaminen vaarantaa ristikontaminaation ja vaarantaa sekä virtauksen että materiaalit, joten pidä erilliset pumput ja erilliset nestereitit jopa saman perheen sisällä.

Tarvitsenko 3D-tulostushartsikiertojärjestelmän pöytähartsitulostimeen?

Yleensä ei. Pöytäaltaissa on tarpeeksi hartsia rakentamista varten, joten käytännöllinen automaatio on tasontunnistin automaattisella täytöllä. Kierrätys on tärkeä suurikokoisissa tai lietepohjaisissa järjestelmissä, joissa kiinteä aine laskeutuu, ja se on aito vaatimus keraamisissa ja täytepigmenttiprosesseissa tavallisen fotopolymeeripainatuksen sijaan.

Kuinka valitsen peristalttisen ja hammaspyörämikropumpun välillä?

Aloita viskositeetilla käyttölämpötilassa. Alle noin 1 000 mPa·s ohuita nesteitä liukuu vaihteiden välyksen yli, joten putkipumppu on turvallisempi valinta; Sen lisäksi neste itse tiivistää välykset ja hammaspyöräpumppu mittaa tarkemmin ja ilman pulsaatiota. Tarkista sitten hankaavat kiinteät aineet: peristalttinen pumppu sietää niitä matalassa paineessa, koska putki on halpa kulutusosa, kun taas karkaistu hammaspyöräpumppu on valinta korkeapainekäyttöön.