Od tinti niske viskoznosti do keramičkih pasta visoke viskoznosti: definiranje granice odabira između zupčastih pumpi i peristaltičkih pumpi za posebne tekućine za 3D ispis

Granica za rukovanje tekućinom između zupčaste pumpe i peristaltičke pumpe nalazi se na mjestu gdje tekućina prestaje teći pod usisavanjem i počinje trebati pritisak za kretanje. Ispod otprilike 1000 mPa·s, peristaltička cijevna pumpa je sigurnija zadana vrijednost. Iznad otprilike 10 000 mPa·s, zupčasta pumpa održava tlak i mjeri bez pulsiranja. Između toga, kompatibilnost tekućine - abrazija, smicanje i veličina čestica - odlučuje koja će pumpa preživjeti rad.

Ključni podaci za van

Raspon viskoznosti specijalnih tekućina za 3D ispis obuhvaća više od pet redova veličine: keramičke inkjet tinte se ispuštaju pri 10-40 mPa·s, dok objavljene robocasting paste mjere od 2 × 10⁵ mPa·s pri brzinama smicanja ispisa do 2,6 × 10⁷ mPa·s.

Zupčasta pumpa brtvi sa samom tekućinom. Proklizavanje raste kako viskoznost pada, tako da tanke tinte gube točnost mjerenja osim ako se zazori ne povećaju, diferencijalni tlak ne održava niskim i tvrde čestice se filtriraju.

Peristaltička pumpa brtvi začepljenjem cijevi, tako da brtvljenje jedva ovisi o viskoznosti. Tlak je granica: cijevne pumpe dosežu oko 3–7 bara, glave s valjcima do 8 bara, a crevne pumpe s papučama oko 15 bara.

Prikladnost materijala najjasnije se razlikuje od abrazije i smicanja. Keramičke čestice troše vrhove zupčanika i ploče, dok je peristaltički trošni dio jeftina cijev; tinte osjetljive na smicanje preferiraju put cijevi s malim smicanjem.

Ovaj vodič za odabir preporučuje peristaltičke pumpe za niske viskoznosti, osjetljive na smicanje ili sterilne tekućine i zupčaste pumpe za mjerenje visoke viskoznosti, visokog tlaka ili bez pulsa.

Koji raspon viskoznosti zapravo pokriva svaki tip pumpe?

Zupčaste pumpe pokrivaju najširi raspon viskoznosti - Viking Pump nudi modele s podesivim zazorom od 1 do 440 000 cSt - dok peristaltičke cijevne pumpe pokrivaju rijetke do umjereno viskozne tekućine, a pumpe s ojačanim crijevom protežu se u krute medije pune krutih tvari pri nižem tlaku.

Upotrebljivi raspon je uži nego što sugerira bilo koja podatkovna tablica, jer se dva pitanja primjenjuju odjednom: što tekućina čini pumpi (trošenje, korozija, zamor cijevi) i što pumpa čini tekućini (smicanje, pulsiranje, kontaminacija). Za specijalnu tekućinu za 3D ispis, to mapiranje izgleda kao Tablica 1.

Odakle dolazi granica rukovanja tekućinom

Dvije obitelji pumpi koriste suprotne strategije brtvljenja. Zupčasta pumpa formira tri dinamičke brtve unutar glave pumpe i oslanja se na film tekućine unutar zazora za odvajanje visokotlačnog izlaza od niskotlačnog ulaza. Peristaltička pumpa nikada ne dopušta tekućini da dopre do brtve: valjci ili papuče stisnu cijev ravno i tekućina putuje unutar zatvorenog džepa.

Ta jedina razlika objašnjava cijelu granicu. Viskoznost dominira ponašanjem zupčaste pumpe i jedva utječe na peristaltičko brtvljenje; tlak pražnjenja u prvom slučaju postavlja glava pumpe, au drugom cijev.

Zašto zupčaste pumpe gube točnost mjerenja u nisko viskoznim bojama?

Zupčasta pumpa brtvi na filmu tekućine unutar vlastitih zazora. Kada je tekućina rijetka, više je curi natrag od izlaza do ulaza - klizanje - tako da isporučeni volumen pada ispod teorijskog pomaka, a pogreška se mijenja s diferencijalnim tlakom i trošenjem zupčanika.

Micropump opisuje tri dinamička brtvena područja u zupčanoj pumpi: vrhovi zupčanika na zidu šupljine, točka zahvata dvaju zupčanika i spojne površine gdje se zupčanici susreću s tijelom i završnom kapom. Zazori su neizbježni jer se dijelovi moraju pomicati, tako da se dio tekućine uvijek interno reciklira.

Slip nije fiksni broj. Postaje sve gore kako se diferencijalni tlak povećava, kako se viskoznost smanjuje i kako se zupčanici troše. Zbog toga dvije identične pumpe mogu isporučiti različite količine na dvije različite tinte i zašto se krivulja protoka prema tlaku kod zupčaste pumpe savija kako tlak raste.

Proizvođači odgovaraju strategijom rasprodaje, a ne jednom specifikacijom. Viking pumpa nudi podesive razmake koji pokrivaju 1 do 440 000 cSt, tako da se jedna obitelj pumpi može napraviti čvrsto za rijetke tekućine ili labavo za teške paste. Mikropumpa koristi usisnu papučicu pod pritiskom koja se zatvara kako diferencijalni tlak raste, održavajući proklizavanje gotovo nultim tijekom vijeka zupčanika.

Za tintu niske viskoznosti vrijede tri pravila. Održavajte nizak diferencijalni tlak jer klizanje uzrokuje pritisak. Filtrirajte tvrde čestice do 5 µm, jer trošenje otvara zazore i trajno povećava klizanje. I napajajte pumpu iz poplavljenog ulaza: zupčaste pumpe nisu samousisne i nikada ne smiju raditi na suho. Tamo gdje se ta pravila ne mogu ispuniti, peristaltička pumpa je stabilniji izbor za mjerenje, jer je njen istisnuti volumen postavljen cijevi, a ne zazorom.

Zašto peristaltičke pumpe prestaju raditi s pastom visoke viskoznosti?

Budući da je cijev tlačna posuda. Peristaltička pumpa stvara tlak stiskanjem crijeva ili cijevi, tako da je tlak pražnjenja koji može postići ograničen čvrstoćom i vijekom trajanja te cijevi, a ne tekućinom.

Dvije peristaltičke klase imaju različite gornje granice. Precizne cijevne pumpe napravljene su za niski tlak i doziranje: Verderflex Ds500 isporučuje do 30 L/h pri maksimalnom ispusnom tlaku od 7 bara, a Microdos OEM raspon je ocijenjen na 3 bara. Pumpe s ojačanim crijevom idu dalje - Verderflex Dura doseže 55.000 L/h i do 16 bara, s ±1% točnosti mjerenja i usisnom visinom od 9,5 m. Dizajn s glavom pumpe određuje ostalo: glave s valjcima podržavaju tlakove do 8 bara, dok glave s papučama raspoređuju opterećenje na veće područje i preferiraju se za više tlakove, do oko 15 bara, i za viskoznije tekućine.

Pumpanje viskoznog materijala također opterećuje fazu usisavanja. Peristaltička pumpa uvlači tekućinu kada se stisnuto crijevo vrati; pasta s granicom tečenja otporna je na oporavak i može kavitirati umjesto da ispuni cijev. Rad s visokom viskoznošću stoga zahtijeva natopljeni dovod ili dovod pod tlakom, a ne usisnu visinu, iako se pumpa lako usisava u rijetkim tekućinama.

Posljednje ograničenje je sama cijev. Peristaltička crijeva otkazuju zbog zamora njihovog sloja za pojačanje, a protok opada kako cijev stari. Smjernice za odabir AxFlowa su da se crpka poveća i da radi sporije, što produljuje vijek trajanja cijevi po cijenu veće visine pumpe. Kada mlaznica treba veći pritisak nego što cijev može izdržati, ne primjenjuje se nikakva peristaltička opcija: ekstruzija paste se pomiče u ekstruder s pozitivnim pomakom koji se napaja ramom ili klipom, gdje okretni moment, a ne snaga cijevi stvara pritisak.

Kako se odlučuje o kompatibilnosti tekućine između dvije vrste pumpi?

Osjetljivost na abraziju i smicanje vuku u suprotnim smjerovima. Tvrde keramičke čestice uništavaju pumpe s malim zazorom, ali samo troše peristaltičku cijev; tinte osjetljive na smicanje prežive peristaltičku pumpu, ali se mogu oštetiti unutar zazora zupčaste pumpe.

Keramički prah je tvrd, zbog čega Micropump savjetuje finu filtraciju od 5 µm gdje god su čestice tvrde: te čestice ubrzavaju trošenje unutar zupčaste pumpe. Robocasting tinta formulirana je s više od 40 vol% keramičkog praha, s veličinom čestica daleko iznad te ocjene filtra, tako da se precizna zupčasta pumpa ne može zaštititi u toj dužnosti bez promjene tinte. Tamo gdje se zupčaste pumpe danas koriste u keramici, one cirkuliraju finu pigmentnu tintu do ispisnih glava digitalnih pisača za pločice, a dobavljači specificiraju materijale za pumpe otporne na abraziju upravo iz tog razloga.

Smicanje je druga os. Peristaltičke pumpe njihovi dobavljači opisuju kao pumpe niskog smicanja, jer se tekućina gura kroz cijev umjesto da se tjera kroz uske zazore - što je zahtjev za polimere, gelove i biotinte pune stanica. Zupčasta pumpa izlaže tekućinu velikom smicanju na vrhovima zupčanika i u mreži, što je prihvatljivo za pigmentirane tinte i paste, ali rizično za sustave osjetljive na smicanje.

Kontrola kontaminacije je treća. U peristaltičkoj pumpi tekućina dolazi u kontakt samo s cijevi, tako da je unakrsna kontaminacija eliminirana i put tekućine za jednokratnu upotrebu postaje moguć - razlog zašto peristaltičke pumpe dominiraju rukovanjem sterilnim tekućinama. Zupčasta pumpa izlaže tekućinu zupčanicima, pločama i brtvama, tako da validacija čišćenja, mrtvi volumen i kompatibilnost materijala postaju dio dizajna.

Temperatura postavlja praktični prozor. Verderflex ocjenjuje Verderprene cijevi od +10 stupnjeva do +85 stupnjeva i platinom stvrdnuti silikon od -20 stupnjeva do +80 stupnjeva s USP odobrenjem klase VI i savjetuje da se ne pumpaju tekućine iznad 85 stupnjeva. Zupčaste pumpe, s mokrim dijelovima dostupnim od nehrđajućeg čelika, PTFE, Ryton ili PEEK, nisu ograničene granicom elastičnosti cijevi.

Zupčasta pumpa naspram peristaltičke pumpe: izravna usporedba tipa pumpe

Na dužnosti, split je čist. Peristaltičke pumpe pobjeđuju na samousisnoj pumpi, radu na suho, malom smicanju i jednokratnoj uporabi tekućine. Zupčaste pumpe pobjeđuju na tlaku, protoku bez pulsa i stabilnosti mjerenja u gustim medijima s visokim udjelom krutine.

U posebnom sustavu 3D ispisa dvije vrste pumpi često se kombiniraju umjesto da se biraju između njih. Peristaltička pumpa dozira ili recirkulira tekućinu iz spremnika, jer se lako nosi s usisom, krutinama i kontaminacijom, dok zupčasta pumpa osigurava tlak i protok bez pulsa koji su potrebni mlaznici ili glavi za ispis. Granično pitanje tada postaje koja crpka posjeduje funkciju mjerenja.

Tamo gdje je tekućina rijetka, a tolerancija mjerenja umjerena, peristaltička pumpa bi to trebala posjedovati. Tamo gdje je tekućina gusta, abrazivna ili se mora isporučiti pod tlakom u mali otvor, zupčasta pumpa bi je trebala posjedovati - a svaka peristaltička pumpa u krugu trebala bi se tretirati kao dovodna pumpa.

Koja svojstva tekućine osim viskoznosti pomiču granicu?

Granica tečenja, opterećenje čvrstim tvarima, veličina i oblik čestica, temperatura, tiksotropija i radni ciklus pomiču upotrebljivu granicu - ponekad za red veličine u bilo kojem smjeru.

Kako bih trebao postaviti putanju tekućine za svaku vrstu pumpe?

Karakterizirajte tekućinu pri temperaturi ispisa i brzini smicanja koju će pumpa vidjeti, odredite radnu točku, a zatim odaberite pumpu koja zadovoljava oboje. Deset koraka pokriva većinu specijalnih tekućina za 3D ispis.

Izmjerite prividnu viskoznost pri više od jedne brzine smicanja, pri temperaturi koju će tekućina postići u pumpi. Upotrijebite rotacijsku metodu za ne-Newtonove materijale (ISO 3219-2, ASTM D2196) i metodu velikog smicanja stošca i ploče gdje tekućina prolazi kroz mali otvor (ASTM D4287). Protočna posuda (ISO 2431) prikladna je samo za brze provjere gotovo newtonskih boja u radnji.

Pretvorite jedinice prije usporedbe kataloga. Kinematička i dinamička viskoznost povezane su specifičnom težinom: cSt × specifična težina=cP, i cP ÷ specifična težina=cSt.

Odredite radnu točku: potrebni protok, potrebni tlak na mlaznici ili glavi za ispis i uvjete oko spremnika.

Primijenite granična pravila redom: prvo viskoznost, zatim abrazija, smicanje i sterilnost. Tablica 1 je polazna točka.

Za peristaltičku pumpu, veličina iznad radne točke i radi sporije; vijek trajanja cijevi se povećava kako brzina rotora pada.

Tamo gdje peristaltička pumpa puni mlaznicu, postavite prigušivač pulsiranja; ravnomjeran, konstantan protok štiti nizvodne komponente.

Za zupčastu pumpu projektirajte potopljeni ulaz i nikada je nemojte raditi na suho. Dodajte put rasterećenja, jer se klizanje i tlak u sustavu mijenjaju s bilo kojim nizvodnim ograničenjem.

Odredite filtraciju prema tvrdoći čestica - 5 µm za tvrde čestice, grublje samo ako su čestice mekane - i potvrdite da je krutina same tinte ispod granice.

Odaberite spoj cijevi ili crijeva za kemiju, temperaturu i regulatorne zahtjeve i zapamtite praktični strop od 85 stupnjeva.

Kalibrirajte na glavi za ispis, a ne na izlazu pumpe, i ponovno provjerite kako cijev stari, jer peristaltički protok opada sa zamorom cijevi.

Koju pumpu odabrati za tekućinu za 3D ispis?

Odaberite peristaltiku za rijetke, osjetljive na smicanje ili sterilne tekućine pri umjerenom tlaku, a opremu za debele, abrazivne ili visokotlačne radnje. Pet pravila rješava većinu slučajeva.

Ispod 1000 mPa·s bez abrazivnih tvari i umjerenog tlaka: peristaltička cijevna pumpa. Mjeri se prema volumenu cijevi, dobro podnosi rijetke tekućine i zadržava tekućinu unutar cijevi.

Ispod 1000 mPa·s, ali tekućina se mora ubrizgati u glavu za ispis pod tlakom: zupčasta pumpa s malim zazorom s filtracijom od 5 µm, niskim diferencijalnim tlakom i gravimetrijskom kalibracijom.

Između 1.000 i 10.000 mPa·s s mekim ili otopljenim čvrstim tvarima: zupčasta pumpa, jer viskoznost sada zatvara zazore, a protok bez pulsa poboljšava taloženje.

Iznad 10 000 mPa·s s tvrdim keramičkim česticama: pumpa s zupčanicima samo ako konstrukcija tolerira trošenje i natopljeni dovod; inače ram-feed ekstruder s pozitivnim pomakom, budući da su cijevne pumpe izvan njihovog raspona tlaka.

Sterilna, za jednokratnu upotrebu ili kritična za unakrsnu kontaminaciju: peristaltička pumpa s USP cijevima klase VI, pri bilo kojoj viskoznosti unutar nazivnog tlaka cijevi.

Ako specificirate putanju tekućine za ekstruziju paste ili mlazanje materijala, naši inženjeri mogu pregledati izbor pumpe, raspored dovoda i sučelje ispisne glave prema vašim podacima o tekućini. Podijelite reološku krivulju i radnu točku kroz našUsluga 3D printanjastranicu ilizatražite ponudu, a mi ćemo potvrditi koja vrsta crpke treba imati funkciju mjerenja.

Često postavljana pitanja

Može li peristaltička pumpa podnijeti keramičku pastu?

U granicama. Cijevne pumpe pokreću krute medije pune krutih tvari, ali samo pod tlakom koji crijevo može izdržati - modeli Verderflex Dura srednje klase dostižu 12 bara i propuštaju čestice do 2,5 mm. Precizna cijevna pumpa je drugačiji slučaj: robocasting pasta s visokim postotkom čvrste tvari treba više pritiska nego što cijev može isporučiti, tako da ekstruzija paste obično koristi ram ili klip.

Može li zupčasta pumpa podnijeti tintu niske viskoznosti?

Da, ali točnost ovisi o dizajnu. Proklizavanje se povećava kako viskoznost pada, stoga odredite male razmake, održavajte niski diferencijalni tlak i filtrirajte tvrde čestice do 5 µm. Očekujte kalibraciju na glavi za ispis radije nego vjerujte teoretskom broju pomaka.

Koja je viskoznost previsoka za peristaltičku pumpu?

Ne postoji jedinstveni broj, jer je stvarna granica tlak, a ne viskoznost. Cijevna pumpa s tlakom od 3–7 bara prestaje biti praktična kada tekućini za kretanje treba veći pritisak nego što cijev može držati. Čvrsta keramička pasta u klasi od 10⁵ mPa·s je izvan cijevnih pumpi, a cijevne pumpe to podnose samo pri smanjenom protoku.

Koja je pumpa bolja za abrazivne keramičke kaše?

Pumpa s peristaltičkim crijevom ili cijevi, jer je crijevo ili cijev jedini trošni dio i mijenja se rutinski - ne mora se držati zazor. Zupčaste pumpe mogu pokretati abrazivne tekućine, ali trošenje otvara zazore i trajno povećava klizanje, zbog čega se preporučuje filtracija od 5 µm za tvrde čestice.

Kako mogu izmjeriti viskoznost za odabir pumpe?

Upotrijebite rotacijski reometar ili viskozimetar za ne-Newtonove tekućine (ISO 3219-2, ASTM D2196), metodu visokog smicanja stošca i ploče gdje tekućina prolazi kroz mali otvor (ASTM D4287) i protočnu posudu (ISO 2431) samo za brze usporedbe skoro newtonskih boja. Uvijek navedite temperaturu i brzinu smicanja uz vrijednost.

Oštećuju li zupčaste pumpe tekućine osjetljive na smicanje?

Oni mogu. Tekućina koja prolazi kroz zazore i mrežu zupčanika podliježe visokom smicanju, zbog čega se peristaltičke pumpe preporučuju za proizvode osjetljive na smicanje kao što su gelovi, polimeri i stanične kulture. Za pigmentirane tinte i keramičke paste to smicanje nije problem.

Zaključak

Granica između zupčastih pumpi i peristaltičkih pumpi je granica tlaka izražena viskoznošću: peristaltičke pumpe mehanički brtve, ali ne mogu razviti visoki tlak, dok zupčaste pumpe razvijaju pritisak, ali brtve samo onoliko koliko to dozvoljava tekućina. Uskladite viskoznost, abraziju i smicanje s tim ograničenjima, a zatim provjerite kalibracijom na glavi za ispis.