3D spausdintuvų skysčių sistemos: „Micro Pump Automation Shift“.

3D spausdintuvo skysčio sistema yra vandentiekis, leidžiantis mašinai spausdinti be operatoriaus: aušinimo skysčio kilpos, dervos padavimo linijos ir plovimo grandinės, kurias varo mikro siurblys. Automatika veikia tik tada, kai siurblys yra pritaikytas skysčiui, kurį jis iš tikrųjų mato. Šiame vadove aprašoma, kas iš tikrųjų buvo automatizuota, ką siurblys turi tiekti ir kur yra ribos.

1. Nuo prietaisų siurblių iki spausdintuvo skysčių sistemų

Mikro siurbliai, dabar montuojami 3D spausdintuvuose, nebuvo sukurti 3D spausdinimui. Jie buvo sukurti naudoti prietaisams – šlavimo robotams, kavos aparatams, vandens balionėliams, medicinos ir grožio prietaisams – ir spausdintuvų pramonė juos priėmė, nes pagrindinis reikalavimas yra identiškas: pernešti nedidelį, pakartojamą skysčio tūrį siauru keliu, tyliai, ilgus metus be užteršimo.

Tai, kas paskelbta, yra programos perdavimo modelis, o ne viena kilmės istorija. To paties gamintojo kataloge pateikiami peristaltiniai siurbliai, skirti šlavimo robotams, kavos aparatų vandens sistemoms, vandens balionėliams ir dabar 3D spausdintuvų skysčiams. Vardiniai parametrai keliauja kartu su siurbliu; darbo ciklas, skystis ir tikslumo reikalavimas ne.

1 lentelė. Dokumentais patvirtintas programų perkėlimas per tą pačią mikro siurblio platformą.

Šaltiniai: gamintojo produktų puslapiai ir naudojimo pastabos, išvardytos nuorodose.

Kai siurblys pereina į spausdintuvą, pasikeičia trys dalykai. Veikimas pasikartoja, o ne retkarčiais, todėl ciklo trukmė ir vamzdžių susidėvėjimas pereina į specifikacijos priekį. Skystis tampa agresyvus arba jautrus – fotopolimerinė derva, izopropilo alkoholis, aušinimo skystis – todėl sušlapusios medžiagos lemia dizainą. Ir tūris tampa nustatyta tašku, o ne pristatymu: per didelis papildymas yra išsiliejimas, o dozė, kuri nukrypsta, yra nesėkmingas surinkimas.

2. Ką iš tikrųjų automatizuoja spausdintuvo automatika

Šiandien gamybos spausdintuvuose yra tikrai automatizuotos trys funkcijos, ir kiekviena rankiniu būdu atliekamą užduotį paverčia skysčių tvarkymo reikalavimu. 3D spausdinimo skysčio sistemoje kiekvienas iš jų siurbia skirtingą skystį, skirtingą kiekvieno įvykio tūrį ir skirtingą klaidų toleranciją. Visa kita, vadinama spausdintuvo automatizavimu, yra judesio valdymas arba duomenų tvarkymas be sklandaus turinio.

2.1 Automatinis padavimas ir papildymas

Aiškiausias atvejis yra dervos užpildymas kubilo fotopolimerizacijos mašinose. Mikro siurblys, sujungtas su fotoelektriniu lygio jutikliu ir mažu valdikliu, padidina baką 50–100 ml, kai tik lygis nukrenta, o tai leidžia baigti statyti per naktį be operatoriaus. Kadangi skystis lieka vamzdžio viduje, sukietėjusi derva niekada nesikaupia siurblio korpuse, o vamzdis yra vienintelė dalis, kurią reikia pakeisti.

Medžiagų ekstruzijos atveju 3D spausdinimo automatinis padavimas reiškia gijų arba granulių tiekimą, o ne skysčio tiekimą. Ši pareiga nepatenka į mikroskysčių siurblio taikymo sritį – ekstruzijos pašarams reikia skirtingos šeimos – taigi, kai specifikacijoje atsiranda frazė „priedų gamybos tiekimo siurblys“, laikykite juos atskirai, nes literatūroje tai beveik visada reiškia ekstruzijos tiekimo sistemą, o ne skysčio dozavimo siurblį.

2.2 Automatinis valymas ir tolesnis apdorojimas

Valymo automatika yra toliau, nei mano dauguma inžinierių. Dervos plovimo stotis sumaišo dalis 7–15 l tirpiklio su magnetiniu ratu, nurodyta 120 atspaudų vienam izopropilo alkoholio papildymui su 10 minučių numatytuoju plovimu ir pakelia dalis nuo tirpiklio, kad išdžiūtų. Cheminių dalių pašalinimas taip pat buvo automatizuotas: modifikuojamas techninės įrangos plėtinys suaktyvina kūrimo platformą, kad baigtos dalys būtų išleistos į UV spindulius blokuojančią talpyklą ir be priežiūros pradedamas kitas darbas.

Čia svarbu taikymo sritis: maišymas, kuris atlieka valymą, gaunamas iš sparnuotės, o ne iš siurblio 20–50 ml/min greičiu. Mikro siurblio indėlis yra skysčių logistika aplink baką: tirpiklio perkėlimas į vidų ir išleidimas, išgaruojančių medžiagų papildymas ir recirkuliacija per filtrą, siekiant pailginti tirpiklio tarnavimo laiką. Izopropilo alkoholio pliūpsnio temperatūra atvirame puodelyje yra 11,7 laipsnio, todėl darbas priklauso nuo ventiliacijos, surištos konstrukcijos, nepaisant to, koks geras siurblys.

2.3 Pastovios temperatūros aušinimas

Šiluminė automatika yra pati reikliausia pareiga, kurios fizika yra aiškiausia. Vandens savitoji šiluminė talpa 20 laipsnių temperatūroje yra 4184 J/(kg·K), maždaug keturis kartus didesnė už oro masę, todėl nedidelis skysčio srautas perneša daug daugiau šilumos nei tos pačios masės oro. Todėl uždara kilpa su radiatoriumi už korpuso gali išlaikyti pastovią karšto oro temperatūrą šildomoje kameroje, kur ventiliatoriai recirkuliuotų tik šiltą orą.

Pirmiausia verta atlikti dydžių aritmetiką: pašalinta šiluma lygi masės srautui, 4184 karto didesniam už leistiną temperatūros kilimą. Esant 20–50 ml/min greičiui, tai yra maždaug nuo 14 iki 70 W per 10–20 K kilimą, o tai tinka vienai „hotend“ kilpai ir neleidžia aušinti kameros, vairuotojo ar šildomos lovos tame pačiame siurblyje. 1 paveiksle pavaizduotas skaičiavimas visame srauto diapazone, kurį gali pasiekti kompaktiškas siurblys.

1 paveikslas. Vandens kilpa pašalinama šiluma prieš srautą, esant 10 K ir 20 K leistinai temperatūrai; tamsesnė juosta yra 20–50 ml/min kompaktiško mikro siurblio diapazonas.

Šaltinis: autoriaus skaičiavimas pagal vandens savitąją šiluminę talpą, 4,184 J/(kg·K) esant 20 laipsnių ; tankis laikomas 1000 kg/m³.

3. Siurblys yra ciklo šerdis: penki kintamieji

Praktiškai siurblys nustato, ką gali padaryti kilpa, ir beveik kiekvienas skysčio sistemos gedimas atsiranda dėl nedidelio išmatuojamų parametrų skaičiaus. Gamintojo trikčių šalinimo instrukcijos sumažina lauką iki penkių: poslinkis per apsisukimą, darbinis slėgis, klampumas esant temperatūrai, siurbimo būklė ir darbo ciklas.

2 lentelė. Penki kintamieji, lemiantys daugumą 3D spausdintuvo skysčio sistemos gedimų.

Šaltinis: gamintojo skysčių sistemos trikčių šalinimo instrukcijos (žr. nuorodas).

Sąrašas yra diagnostinis: kai kilpa pasislenka, greičiausias taisymas yra nustatyti, kuris parametras buvo perkeltas, ir jį iš naujo nustatyti, o ne pakeisti siurblį. Papildymas, kuris staiga užtrunka ilgiau, paprastai yra iš dalies užsikimšęs įleidimo koštuvas arba vamzdis, kuriame buvo suspaustas rinkinys, o ne sugedęs variklis.

4. Siurblio šeimos pasirinkimas: klampumas lemia

Spausdintuvų skysčių mikro siurbliai skirstomi į dvi darbo šeimas. Peristaltinis arba vamzdinis siurblys suspaudžia lankstų vamzdelį taip, kad tik vamzdis liestųsi su skysčiu; krumpliaračio siurblys sulaiko skystį tarp besisukančių elementų ir korpuso. Klampumas yra kintamasis, kuris nusprendžia tarp jų.

3 lentelė. Siurblių šeimos pasirinkimas pagal skysčio klampumą su gedimo režimu už kiekvienos juostos.

Šaltinis: mažo klampumo rašalo ir didelio klampumo keraminių pastų gamintojo pasirinkimo gairės.

Dvi kvalifikacijos svarbesnės nei pati lentelė. Pirma, klampumas turi būti nurodytas šlyties greičiui, kurį iš tikrųjų sukuria siurblys, ir darbinę temperatūrą, nes dauguma šių skysčių nėra Niutono; figūra, paimta netinkamu šlyties greičiu, gali perkelti skystį per dvi eilutes. Antra, skiriasi vidutinis srautas ir momentinis srautas. Pavarų siurblys atidžiai seka apskaičiuotą tūrį ir be impulsų matuoja; peristaltinis siurblys tiekia tą patį vidutinį srautą impulsu, kurį atleidžia kiekvienas volelis. Papildymo linijai pulsas nesvarbus; dozuojant pigmentą į maišymo galvutę, jis pasirenka tarp švaraus mišinio ar dryžuoto.

5. Kilpos dydžio nustatymas: kiek iš tikrųjų užtrunka papildymas

Srauto greitis nustoja būti abstraktus, kai jis konvertuojamas į mašinos laiką. Žemiau esančioje lentelėje parodyta, kiek kainuoja papildymo arba cirkuliacijos ciklas esant 50 ir 100 ml/min – tai praktinis skirtumas tarp kompaktiško darbalaukio siurblio ir aukštesnės klasės.

4 lentelė. Papildymo ir cirkuliacijos trukmė, palyginti su srauto greičiu, atliekant didelio formato spausdintuvo užduotis.

Šaltinis: gamintojo skysčio pristatymo gairės; laikai yra tūriniai skaičiavimai esant nurodytam srautui.

Srauto padvigubinimas sutrumpina kiekvienos eilutės laiką. Visoje didelių spausdintuvų eilutėje, kuri kartojasi visą dieną, o kiekvienas papildymas, kuris užtrunka 10 minučių, o ne 20, grąžina įrenginio laiką į tvarkaraštį. Tai, o ne pagrindinis srauto skaičius, yra ekonominis argumentas dėl didesnio siurblio – ir priežastis, dėl kurios stalinio kompiuterio klasės siurblys neturėtų būti ištemptas į paskirtį, kuriai jis niekada nebuvo įvertintas.

2 pav. Laikas, per kurį tam tikras tūris perkeliamas prieš srautą; tamsesnė juosta yra 20–50 ml/min kompaktiško mikro siurblio diapazonas.

Šaltinis: autoriaus tūrinis skaičiavimas pagal parodytą srautą; 50 ir 100 ml/min vertės pateikia 4 lentelę.

6. Ką keičia automatikos atnaujinimas mašinoje

Atnaujinant automatizavimą, vidiniai skysčių sprendimai spausdintuvams tampa įrenginio specifikacijos dalimi su jutikliu, registravimu ir priežiūros intervalu.

Pridėkite jutiklį, o ne tik siurblį.Kad siurblys būtų naudingas, užpildymo kilpai reikalingas lygio jutiklis ir valdiklis; automatika be grįžtamojo ryšio yra siurblys, veikiantis laikmačiu.

Užregistruokite penkias vertes per ciklą.Užrašykite skystį, temperatūrą, komandos reikšmę, išmatuotą srautą ir variklio srovę. Tada „Drift“ atrodo kaip tendencija, o ne nesėkminga konstrukcija, o žurnalas pokalbius apie garantiją paverčia faktiškais.

Prieš siurblį patikrinkite maitinimo bėgelį.5 V siurblys, jungiantis iki 160 mA, ir 24 V siurblys, kurio įtampa yra 200 mA, yra lengvai valdomi, tačiau stalinis spausdintuvas paskirsto 24 V įtampą, todėl 5 V įrenginiui reikia savo maitinimo arba keitiklio.

Iš anksto nuspręskite dėl sudrėkintų medžiagų.Fotopolimerinė derva, izopropilo alkoholis ir aušinimo skystis atakuoja skirtingus elastomerus. Vamzdžius ir vidines dalis rinkitės iš suderinamumo lentelės, o ne pagal prieinamumą.

Vartojimo reikmenų dizainas.Vamzdžio siurblio vamzdis yra susidėvinti dalis, o pakeitimas trunka kelias minutes; ant krumpliaračio siurblio susidėvi dalis yra siurblio viduje. Bet kuriuo atveju techninės priežiūros intervalas priklauso mašinos specifikacijoje.

Nustatykite priežiūros kalendorių, o ne atsaką į gedimą.Tinkamas modelis: kas savaitę tikrinama vamzdis, jungiamosios detalės ir sietelis; kasmėnesinis kalibravimo ir lygio jutiklio patikrinimas; kas ketvirtį sietelio keitimas; ir suvartojamų medžiagų pokytis maždaug po 500 valandų arba du trečdaliai apskaičiuoto naudojimo laiko, atsižvelgiant į tai, kas įvyks anksčiau.

Filtruokite sąmoningai.Vidinis filtras prailgina tirpiklio ir aušinimo skysčio tarnavimo laiką, bet padidina slėgio kritimą. Pritvirtinkite jį prie siurblio slėgio lubų, o ne pagal nominalų kilpos slėgį.

7. Kur automatika neapsimoka

Sąžiningas skysčio sistemos atnaujinimas prasideda nustatant pareigas, kurioms to nereikia. Pridėjus siurblį, rezervuarą ir lygio jutiklį prie mašinos, kuri niekada neveikia pakankamai ilgai, kad jų prireiktų, sukuriami gedimo režimai ir valymo darbai jų nepašalinami.

Staliniam dervos indui, kuriame yra pakankamai dervos, nereikia cirkuliuoti.Papildymas tarp sluoksnių ir vidurinės konstrukcijos užpildymas yra dešimtys iki šimtų mililitrų, o ne nuolatinė kilpa. Jei kubilas nebada, siurblys išsprendžia problemą, kurios mašina neturi.

Oro aušinimas vis dar tinkamas daugeliui stalinių FDM.Skystas aušinimas užsitarnauja savo vietą, kai aparatas veikia šildomoje kameroje arba kai karštas oras stumiamas pakankamai stipriai, kad ventiliatoriai recirkuliuotų tik šiltą orą.

Rankinis papildymas yra teisėtas esant mažam apkrovimui.Aparatui, kuris spausdina keletą valandų per savaitę, geriau naudoti paprastą rezervuarą, o ne automatizuotą kilpą, kuri neveikia ir nusėda pigmentą.

Niekada neautomatizuokite hotend tepimo.Tepalas kaitinimo siūlelio kelyje nėra standartinė priežiūra ir gali užteršti lydalą ir destabilizuoti ekstruziją. Jei mašinai reikia automatinio tepimo, sutepkite linijinius bėgius ir švininius varžtus.

Teiginius dėl veiklos rezultatų be bandymo metodo vertinkite kaip rinkodarą.Teiginiai apie temperatūros stabilumą arba sėkmės rodiklius yra tinkami naudoti tik tuo atveju, jei juose nurodytas metodas, imties dydis ir data – jei taip nėra, nepaisykite jų specifikacijose.

8. Perspektyva: intelektualios, integruotos skysčių sistemos

Važiavimo kryptis mažiau nustatoma siurblio inžinerijos, o ne standartinio darbo, kuris vejasi priedų gamybą kaip gamybos procesą. ISO/ASTM 52900 apibrėžia priedų gamybos ir 3D spausdinimo žodyną, o ISO/ASTM 52920:2023 nustato reikalavimus pramoniniams priedų gamybos procesams ir gamybos vietoms. NIST permainą nustato siaurai: kai priedų gamyba pereina į gamybą, matavimo mokslas ir standartai tampa labai svarbūs.

Spausdintuvų skysčių sistemoms kyla dvi pasekmės.

Protingas, o ne laiku.Kai kilpa yra aprūpinta lygio jutikliu, srauto matavimu ir variklio srovės stebėjimu, valdymo sistema gali aptikti užsikimšusį koštuvą arba suspaudžiantį vamzdį prieš sugendant. Statybiniai blokai jau yra; Daugumoje mašinų trūksta sprendimo įrašyti jas kiekvienai versijai, o ne laikyti jas paslaugų diagnostika.

Integruotas, o ne vienas siurblys.Specialioje spausdinimo sistemoje dvi šeimos dažnai derinamos, o ne pasirenkamos tarp: peristaltinis siurblys iš rezervuaro išjudina skystį, nes jis susidoroja su siurbimu, kietosiomis medžiagomis ir užteršimu, o krumpliaratinis siurblys, esant slėgiui, dozuoja klampią medžiagą į galvutę. Skysčių sistema tampa architektūra, o ne komponentu.

Atkreipkite dėmesį, kas šioje perspektyvoje sąmoningai praleista: rinkos dydžio prognozė. Augimo procentus sunku patikrinti, jie retai apibrėžia jų apimtį ir nieko nesako inžinieriui, kurį siurblį nurodyti. Išmatuojama tendencija yra siauresnė ir naudingesnė – spausdintuvai kuriami taip, kad veiktų be priežiūros, o spausdinant be priežiūros reikia sklandžiai įtaisyti, matuoti ir tinkamai aptarnauti.

Raktai išsinešti

Mikro siurbliai spausdintuvuose buvo naudojami naudojant prietaisus – šlavimo robotus, kavos aparatus, vandens balionėlius – ir parametrai buvo perduoti švariai, o ne darbo ciklas, skysčių ir tikslumo reikalavimai.

Šiandien tikrai yra automatizuotos trys spausdintuvo funkcijos: tiekimas ir papildymas, valymas ir tirpiklių tvarkymas bei pastovios temperatūros aušinimas.

Penki kintamieji paaiškina daugumą skysčio sistemos gedimų: poslinkis per apsisukimą, darbinis slėgis, klampumas esant temperatūrai, siurbimo būklė ir darbo ciklas.

Klampumas pasirenka siurblių šeimą. Mažesnis nei 1000 mPa·sa vamzdinis siurblys yra saugesnis pasirinkimas; virš jo krumpliaratinis siurblys sandarina ir matuokliai geriau. Nurodykite klampumą pagal tikrąjį šlyties greitį ir temperatūrą.

1 l papildymas trunka 20 minučių 50 ml/min greičiu ir 10 minučių 100 ml/min. Šis skirtumas, o ne pagrindinis srauto skaičius, yra ekonominis argumentas dėl didesnio siurblio.

Valymo maišymas gaunamas iš sparnuotės 7–15 l talpos bake, o ne iš 20–50 ml/min siurblio. Mikro siurbliai tvarko tirpiklių logistiką aplink baką.

Dažnai užduodami klausimai

Kas yra 3D spausdintuvo skysčio sistema?

Tai siurblių, vamzdelių, rezervuarų, jutiklių ir filtrų rinkinys, perkeliantis skystį spausdintuvo viduje: aušinimo skystis aplink karšto variklio kilpą, derva į baką ir tirpiklis į plovimo baką ir iš jo. Siurblys nustato, ką gali padaryti likusi sistemos dalis, nes jis nustato didžiausią srautą ir slėgį, kad įveiktų kilpos pasipriešinimą.

Ar 3D spausdinimo skysčio sistema yra tokia pati kaip skystasis 3D spausdinimas?

Ne, ir jie abu nuolat painiojami paieškos rezultatuose. Skystas 3D spausdinimas naudoja skystą medžiagą kaip statybinę medžiagą arba kaip pagalbinę vonią, o 3D spausdinti skysčiai reiškia mikrofluidinių įrenginių spausdinimą. Spausdintuvo skysčio sistema yra vidinė mašinos santechnika – reikšmė, kuri yra svarbi, kai nurodote siurblį.

Kokio srauto reikia automatiniam dervos užpildymui?

Tai priklauso nuo įvykio apimties, o ne nuo spausdinimo greičio. 0,25 l kubilo papildymas trunka apie 5 minutes, kai greitis 50 ml/min., ir 2,5 minutės, kai greitis 100 ml/min. 1 l vidurinės konstrukcijos užpildymas užtrunka 20 ir 10 minučių. 20–50 ml/min. pompa tinka darbalaukio papildymui dešimtimis mililitrų, o didelio formato aparatai pateisina 100 ml/min. klasę.

Ar vienas siurblys gali valdyti ir aušinimą, ir dervos padavimą?

Taip neturėtų. Aušinimas yra nuolatinis uždaro ciklo darbas su aušinimo skysčiu, kuris turi išlikti švarus, o dervos padavimas yra periodiškas dozavimas su kietėjančiu skysčiu. Bendrinant vieną siurblį kyla kryžminio užteršimo pavojus ir pažeidžiamas srautas bei medžiagos, todėl laikykite atskirus siurblius ir atskirus skysčių kelius net vienoje šeimoje.

Ar man reikia 3D spausdinimo dervos cirkuliacijos sistemos staliniame dervos spausdintuve?

Paprastai ne. Stalinėse talpyklose yra pakankamai dervos, kad būtų galima pagaminti, todėl praktiška automatika yra lygio jutimas su automatiniu papildymu. Cirkuliacija yra svarbi didelio formato arba srutų pagrindu veikiančiose sistemose, kuriose nusėda kietos medžiagos, ir tai yra tikras reikalavimas keramikos ir užpildyto pigmento procesuose, o ne įprastoje fotopolimerinėje spaudoje.

Kaip pasirinkti peristaltinį ir krumpliaratinį mikrosiurblį?

Pradėkite nuo klampumo darbinėje temperatūroje. Esant maždaug 1 000 mPa·s, ploni skysčiai praslysta pro pavarų tarpus, todėl vamzdinis siurblys yra saugesnis pasirinkimas; virš to pats skystis užsandarina tarpus, o krumpliaratinis siurblys skaito tiksliau ir be pulsavimo. Tada patikrinkite abrazyvines kietąsias medžiagas: peristaltinis siurblys toleruoja jas esant žemam slėgiui, nes vamzdis yra pigi susidėvinti dalis, o sukietintas krumpliaratinis siurblys yra pasirinkimas dirbant aukštu slėgiu.