Fra blæk med lav viskositet til keramiske pastaer med høj viskositet: Definition af udvælgelsesgrænsen mellem tandhjulspumper og peristaltiske pumper til specielle 3D-printvæsker

Væskehåndteringsgrænsen mellem en tandhjulspumpe og en peristaltisk pumpe sidder, hvor en væske holder op med at strømme under sugning og begynder at kræve tryk for at bevæge sig. Under ca. 1.000 mPa·s er en peristaltisk rørpumpe den sikreste standard. Over ca. 10.000 mPa·s holder en tandhjulspumpe tryk og måler uden pulsering. Ind i mellem afgør væskekompatibilitet - slid, forskydning og partikelstørrelse - hvilken pumpe der overlever arbejdet.

Nøgle takeaways

Viskositetsintervallet for specielle 3D-printvæsker spænder over mere end fem størrelsesordener: keramiske inkjet-blæk sprøjtes ved 10-40 mPa·s, mens offentliggjorte robocasting-pastaer måler fra 2 × 10⁵ mPa·s ved udskrivningsforskydningshastigheder til 2,6 × 10⁷ mPa·s.

En tandhjulspumpe forsegler med selve væsken. Skridningen stiger, efterhånden som viskositeten falder, så tynde blækfarver mister målenøjagtighed, medmindre mellemrummene strammes, differenstrykket holdes lavt, og hårde partikler filtreres fra.

En peristaltisk pumpe forsegler ved at lukke et rør, så tætningen afhænger næsten ikke af viskositeten. Tryk er grænsen: Rørpumper når omkring 3-7 bar, rullehoveder op til 8 bar, og skotype slangepumper omkring 15 bar.

Materialeegnethed adskiller sig tydeligst ved slid og forskydning. Keramiske partikler slider gearspidser og plader, mens den peristaltiske sliddel er et lavprisrør; forskydningsfølsomt blæk foretrækker røret med lav forskydning.

Denne valgvejledning anbefaler peristaltiske pumper til lavviskositet, forskydningsfølsomme eller sterile væsker og tandhjulspumper til højviskositet, højtryks- eller pulsfri måling.

Hvilket viskositetsområde dækker hver pumpetype egentlig?

Gearpumper dækker det bredeste viskositetsområde - Viking Pump har modeller med justerbar frigang fra 1 til 440.000 cSt - mens peristaltiske slangepumper dækker tynde til moderat viskøse væsker, og forstærkede slangepumper strækker sig ind i stive, faststoffyldte medier ved lavere tryk.

Det anvendelige område er snævrere, end begge datablade antyder, fordi to spørgsmål gælder på én gang: hvad væsken gør ved pumpen (slid, korrosion, slangetræthed), og hvad pumpen gør ved væsken (forskydning, pulsering, forurening). For en speciel 3D-printvæske ser denne kortlægning ud som tabel 1.

Hvor væskehåndteringsgrænsen kommer fra

De to pumpefamilier bruger modsatte tætningsstrategier. En tandhjulspumpe danner tre dynamiske tætninger inde i pumpehovedet og er afhængig af en væskefilm inde i mellemrummene for at adskille højtryksudløbet fra lavtryksindløbet. En peristaltisk pumpe lader aldrig væsken nå en tætning: ruller eller sko komprimerer røret fladt, og væsken bevæger sig inde i en lukket lomme.

Den enkelte forskel forklarer hele grænsen. Viskositet dominerer gearpumpens adfærd og påvirker knap peristaltisk tætning; afgangstrykket indstilles af pumpehovedet i det første tilfælde og af røret i det andet.

Hvorfor mister tandhjulspumper målenøjagtighed i blæk med lav viskositet?

En tandhjulspumpe forsegler en væskefilm inde i sine egne spillerum. Når væsken er tynd, siver mere af den tilbage fra udløb til indløb - slip - så det leverede volumen falder under den teoretiske forskydning, og fejlen ændrer sig med differenstryk og gearslid.

Micropump beskriver tre dynamiske tætningsområder i en tandhjulspumpe: tandhjulsspidserne mod hulrumsvæggen, indgrebspunktet for de to tandhjul og de sammenkoblende overflader, hvor tandhjulene møder kroppen og endehætten. Frigange er uundgåelige, fordi delene skal bevæge sig, så en brøkdel af væsken genbruges altid internt.

Slip er ikke et fast tal. Det bliver værre, efterhånden som differenstrykket stiger, som viskositeten falder, og som gearene slides. Derfor kan to identiske pumper levere forskellige volumener på to forskellige blæk, og derfor bøjer flow-versus-tryk-kurven for en tandhjulspumpe, når trykket stiger.

Producenter svarer med clearance-strategi snarere end en enkelt specifikation. Viking Pump tilbyder justerbare spillerum, der dækker 1 til 440.000 cSt, så én pumpefamilie kan bygges tæt til tynde væsker eller løs til tunge pastaer. Micropump bruger en trykbelastet sugesko, der lukker, når differenstrykket stiger, og holder gearets levetid næsten nul.

Der følger tre regler for blæk med lav viskositet. Hold differenstrykket lavt, fordi slip er trykdrevet. Filtrer hårde partikler ned til 5 µm, fordi slid åbner mellemrum og øger slip permanent. Og foder pumpen fra et oversvømmet indløb: Tandhjulspumper er ikke selvansugende og bør aldrig løbe tørre. Hvor disse regler ikke kan overholdes, er en peristaltisk pumpe det mere stabile doseringsvalg, fordi dens forskudte volumen er indstillet af røret snarere end af en spillerum.

Hvorfor holder peristaltiske pumper op med at arbejde med højviskositetspasta?

Fordi røret er trykbeholderen. En peristaltisk pumpe opbygger tryk ved at klemme en slange eller et rør, så det udledningstryk, den kan nå, er begrænset af det pågældende rørs styrke og udmattelseslevetid, ikke af væsken.

De to peristaltiske klasser har forskellige lofter. Præcisionsrørpumper er bygget til lavt tryk og dosering: Verderflex Ds500 leverer op til 30 L/t ved et maksimalt udledningstryk på 7 bar, og Microdos OEM-serien er vurderet til 3 bar. Forstærkede slangepumper går længere - Verderflex Dura når 55.000 L/t og op til 16 bar, med ±1 % målenøjagtighed og et sugeløft på 9,5 m. Pumpehoveddesignet sætter resten: rullehoveder understøtter tryk op til 8 bar, mens skohoveder spreder belastningen over et større område og foretrækkes til højere tryk, op til omkring 15 bar, og til mere tyktflydende væsker.

Pumpning af tyktflydende materiale belaster også sugefasen. En peristaltisk pumpe suger væske, når den komprimerede slange springer tilbage; en pasta med en flydespænding modstår den genopretning og kan kavitere i stedet for at fylde tuben. Højviskositet kræver derfor en oversvømmet eller tryksat tilførsel i stedet for sugeløft, selvom pumpen let selvanser i tynde væsker.

Den sidste grænse er selve røret. Peristaltiske slanger svigter på grund af udmattelse af deres forstærkningslag, og flowet falder, efterhånden som røret ældes. AxFlows valgvejledning er at overdimensionere pumpen og køre den langsommere, hvilket øger slangens levetid på bekostning af et større pumpehoved. Når dysen har brug for mere tryk, end røret kan holde, er der ingen peristaltisk mulighed: Pastaekstrudering flyttes til en positiv forskydningsekstruder, der forsynes af en stødstang eller et stempel, hvor drejningsmoment frem for rørstyrke genererer trykket.

Hvordan afgør væskekompatibiliteten mellem de to pumpetyper?

Slid- og forskydningsfølsomhed trækker i modsatte retninger. Hårde keramiske partikler ødelægger tandhjulspumper med tæt frigang, men bærer kun et peristaltisk rør; forskydningsfølsomt blæk overlever en peristaltisk pumpe, men kan blive beskadiget inde i en tandhjulspumpes spillerum.

Keramisk pulver er hårdt, og derfor anbefaler Micropump filtrering så fin som 5 µm, hvor partiklerne er hårde: disse partikler fremskynder slidet inde i en tandhjulspumpe. En robocasting blæk er formuleret med mere end 40 vol% keramisk pulver, med partikelstørrelser langt over denne filterklassificering, så en præcisions gearpumpe kan ikke beskyttes i den opgave uden at skifte blækket. Hvor tandhjulspumper bruges i keramik i dag, cirkulerer de fint blæk i pigmentskala til printhovederne på digitale fliseprintere, og leverandører specificerer slidbestandige pumpematerialer netop af den grund.

Forskydning er den anden akse. Peristaltiske pumper beskrives af deres leverandører som lav forskydning, fordi væske presses gennem et rør i stedet for at blive tvunget gennem snævre mellemrum - et krav til forskydningsfølsomme polymerer, geler og cellefyldte bio-blæk. En tandhjulspumpe udsætter væske for høj forskydning ved gearspidserne og i nettet, hvilket er acceptabelt for pigmenteret blæk og pasta, men risikabelt for forskydningsfølsomme systemer.

Kontamineringskontrol er den tredje. I en peristaltisk pumpe kommer væsken kun i kontakt med røret, så krydskontaminering er elimineret, og en engangsvæskevej bliver mulig - grunden til at peristaltiske pumper dominerer steril væskehåndtering. En tandhjulspumpe udsætter væske for gear, plader og tætninger, så rengøringsvalidering, dødvolumen og materialekompatibilitet bliver alle en del af designet.

Temperaturen indstiller det praktiske vindue. Verderflex vurderer Verderprene-slanger fra +10 grad til +85 grad og platinhærdet silikone fra -20 grader til +80 grad med USP Class VI-godkendelse, og fraråder pumpning af væsker over 85 grader. Gearpumper med fugtede dele, der fås i rustfrit stål, PTFE, Ryton eller PEEK, er ikke begrænset af et rørs elastiske grænse.

Gearpumpe vs peristaltisk pumpe: en direkte sammenligning af pumpetype

På vagt er splittet rent. Peristaltiske pumper vinder på selvansugende, tørløb, lav forskydning og engangsvæskebaner. Gearpumper vinder på tryk, pulsfrit flow og målestabilitet i tykke medier med højt faststofindhold.

I et special-3D-printsystem kombineres de to pumpetyper ofte i stedet for at vælge imellem. En peristaltisk pumpe doserer eller recirkulerer væske fra reservoiret, fordi den håndterer sug, faste stoffer og forurening let, mens en tandhjulspumpe leverer det tryk og det pulsfrie flow, som dysen eller printhovedet har brug for. Grænsespørgsmålet bliver så, hvilken pumpe der ejer målefunktionen.

Hvor væsken er tynd, og doseringstolerancen er moderat, bør den peristaltiske pumpe eje den. Hvor væsken er tyk, slibende eller skal leveres under tryk ind i en lille åbning, bør tandhjulspumpen eje den - og enhver peristaltisk pumpe i kredsløbet skal behandles som en forsyningspumpe.

Hvilke væskeegenskaber udover viskositet flytter grænsen?

Flydespænding, belastning af faste stoffer, partikelstørrelse og form, temperatur, tixotropi og driftscyklus flytter alle den anvendelige grænse - nogle gange i en størrelsesorden i begge retninger.

Hvordan skal jeg indstille væskebanen for hver pumpetype?

Karakteriser væsken ved udskrivningstemperaturen og den forskydningshastighed, pumpen vil se, fastgør driftspunktet, og vælg derefter den pumpe, der opfylder begge dele. Ti trin dækker de fleste specielle 3D-printvæsker.

Mål tilsyneladende viskositet ved mere end én forskydningshastighed ved den temperatur, væsken vil nå i pumpen. Brug en rotationsmetode for ikke-newtonske materialer (ISO 3219-2, ASTM D2196) og en kegle-og-plade højforskydningsmetode, hvor væsken passerer en lille åbning (ASTM D4287). En flowkop (ISO 2431) er kun tilstrækkelig til hurtig kontrol på butiksgulvet af næsten newtonsk blæk.

Konverter enheder, før du sammenligner kataloger. Kinematisk og dynamisk viskositet er forbundet med vægtfylde: cSt × vægtfylde=cP og cP ÷ vægtfylde=cSt.

Fastgør driftspunktet: påkrævet flowhastighed, påkrævet tryk ved dysen eller printhovedet og forholdene omkring reservoiret.

Anvend grænsereglerne i rækkefølge: viskositetsbånd først, derefter slid, forskydning og sterilitet. Tabel 1 er udgangspunktet.

For en peristaltisk pumpe skal du dimensionere over driftspunktet og køre langsommere; rørets levetid øges, når rotorhastigheden falder.

Hvor en peristaltisk pumpe føder en dyse, skal der monteres en pulsationsdæmper; en jævn, konstant strømningshastighed beskytter nedstrøms komponenter.

For en tandhjulspumpe skal du designe et oversvømmet indløb og aldrig køre det tørt. Tilføj en aflastningssti, fordi slip og systemtryk ændres med enhver nedstrøms begrænsning.

Angiv filtrering efter partikelhårdhed - 5 µm for hårde partikler, kun grovere, hvor partiklerne er bløde - og bekræft, at blækkets egne faste stoffer ligger under grænsen.

Vælg røret eller slangeblandingen til kemi, temperatur og regulatoriske krav, og husk det 85 graders praktiske loft.

Kalibrer ved printhovedet i stedet for ved pumpeudløbet, og bekræft igen, efterhånden som røret ældes, fordi det peristaltiske flow falder med rørtræthed.

Hvilken pumpe skal du vælge til din 3D-print væske?

Vælg peristaltisk til tynde, forskydningsfølsomme eller sterile væsker ved moderat tryk, og gear til tyk, slibende eller højtryksdrift. Fem regler løser de fleste sager.

Under 1.000 mPa·s uden slibende faste stoffer og moderat tryk: peristaltisk rørpumpe. Det måler efter rørvolumen, tolererer tynde væsker godt og holder væsken inde i røret.

Under 1.000 mPa·s, men væsken skal sprøjtes ind i et printhoved ved tryk: tandhjulspumpe med tæt frigang med 5 µm filtrering, lavt differenstryk og gravimetrisk kalibrering.

Mellem 1.000 og 10.000 mPa·s med bløde eller opløste faste stoffer: tandhjulspumpe, fordi viskositeten nu forsegler mellemrummene, og pulsfri flow forbedrer aflejringen.

Over 10.000 mPa·s med hårde keramiske partikler: tandhjulspumpe kun, hvis designet tolererer slid og en oversvømmet tilførsel; ellers en cylindrisk fortrængningsekstruder, da rørpumper er uden for deres trykområde.

Steril, engangsbrug eller krydskontaminering-kritisk: peristaltisk pumpe med USP klasse VI slange, ved enhver viskositet inde i rørets trykklassificering.

Hvis du specificerer væskebanen for pastaekstrudering eller materialeudsprøjtning, kan vores ingeniører gennemgå pumpevalget, fremføringsarrangementet og printhovedets grænseflade i forhold til dine væskedata. Del rheologikurven og pligtpunktet gennem vores3D print serviceside elleranmode om et tilbud, og vi vil bekræfte, hvilken pumpetype der skal eje målefunktionen.

Ofte stillede spørgsmål

Kan en peristaltisk pumpe håndtere keramisk pasta?

Inden for grænser. Slangepumper flytter stive medier fyldt med faste stoffer, men kun ved det tryk, slangen kan holde - Mellemklasse Verderflex Dura-modeller når 12 bar og passerer partikler op til 2,5 mm. En præcisionsrørpumpe er en anden sag: robocastingpasta med høj faststofindhold kræver mere tryk, end røret kan levere, så pastaekstrudering bruger normalt en stød- eller stempelfremføring.

Kan en tandhjulspumpe håndtere blæk med lav viskositet?

Ja, men nøjagtigheden afhænger af designet. Skridningen stiger, når viskositeten falder, så angiv snævre afstande, hold differenstrykket lavt og filtrer hårde partikler til 5 µm. Forvent at kalibrere ved printhovedet i stedet for at stole på den teoretiske forskydningsfigur.

Hvilken viskositet er for høj til en peristaltisk pumpe?

Der er ikke et enkelt tal, fordi den reelle grænse er tryk frem for viskositet. En rørpumpe vurderet til 3-7 bar holder op med at være praktisk, når væsken har brug for mere tryk for at bevæge sig, end røret kan holde. Stiv keramisk pasta i 10⁵ mPa·s-klassen er ud over rørpumper, og slangepumper håndterer den kun ved reduceret flow.

Hvilken pumpe er bedre til slibende keramiske slam?

En peristaltisk slange- eller slangepumpe, fordi den eneste sliddel er slangen eller slangen og den udskiftes rutinemæssigt - der skal ikke holdes fri. Gearpumper kan køre slibende væsker, men slid åbner frirum og øger permanent slip, hvorfor 5 µm filtrering anbefales for hårde partikler.

Hvordan måler jeg viskositet til pumpevalg?

Brug et rotationsrheometer eller viskosimeter til ikke-Newtonske væsker (ISO 3219-2, ASTM D2196), en kegle-og-plade højforskydningsmetode, hvor væsken passerer en lille åbning (ASTM D4287), og en flowkop (ISO 2431) kun til hurtige sammenligninger af nær-Newtonske blæk. Rapportér altid temperatur og forskydningshastighed ved siden af ​​værdien.

Skader gearpumper forskydningsfølsomme væsker?

Det kan de. Væske, der passerer gennem mellemrummene og gearnettet, oplever høj forskydning, hvorfor peristaltiske pumper anbefales til forskydningsfølsomme produkter såsom geler, polymerer og cellekulturer. For pigmenteret blæk og keramiske pastaer er den forskydning ikke et problem.

Bundlinjen

Grænsen mellem tandhjulspumper og peristaltiske pumper er en trykgrænse udtrykt i viskositetstermer: peristaltiske pumper tætner mekanisk, men kan ikke udvikle højt tryk, mens tandhjulspumper udvikler tryk, men tætner kun så godt som væsken tillader det. Tilpas viskositet, slid og forskydning til disse begrænsninger, og bekræft derefter med en kalibreringskørsel ved printhovedet.