Peristaltische Pumpe für 3D-Drucker: Leitfaden zur leisen Mikroflüssigkeitsversorgung

Eine peristaltische Pumpe eignet sich für einen 3D-Drucker, wenn es um die präzise Handhabung kleiner Flüssigkeitsmengen und nicht um die Kühlung großer Mengen geht. Der Skoocom SC2201RPW bewegt sich mit 20–50 ml/min bei 3, 5 oder 8 V Gleichstrom, misst weniger als 60 dB bei 30 cm und hat im Werkstest 600.000 Förderzyklen absolviert. Sie eignet sich für die Kühlmittelzuführung in einem Kreislauf, den Harz-Lösungsmittel-Transfer und die Pigmentdosierung – und ist die falsche Pumpe für Hotend- oder Kammerkühlung mit hohem Durchfluss.

1. Warum Desktop-3D-Drucker eine leise und präzise Flüssigkeitszufuhr benötigen

Desktop-FDM- und Harzdrucker werden zunehmend in Schlafzimmern, Gemeinschaftsbüros und Lehrlaboren betrieben, sodass die akustische Signatur jedes Subsystems genauso wichtig ist wie seine Durchflussrate. Eine leise Wasserpumpe ist mittlerweile eine Systemkomponente und kein Zubehör mehr, und wenn man eine Peristaltikpumpe für 3D-Drucker allein anhand der Durchflussrate spezifiziert, bleiben die akustischen Anforderungen unbestimmt. Eine in einem Gehäuse montierte Pumpe ist zweimal zu hören: direkt durch die Luft und erneut als Körperschallschwingung durch den Rahmen und die Platten.

Zwei Flüssigkeitsprobleme bestimmen die Pumpenauswahl. Beim FDM-Druck kann ein Drucker, der in einer beheizten Kammer bei etwa 45–55 Grad betrieben wird, am kalten Ende des Hotends seinen Wärmespielraum verlieren: Das Filament wird über der Schmelzzone weich und verklemmt sich mitten im Druck, der Fehlermodus, der gemeinhin als Hitzekriechen bezeichnet wird. Beim Harzdruck ist der entsprechende Fehler ein Tank, der über Nacht zur Neige geht und eine sichtbare Schichtlinie oder einen markierten Film am Boden des Tanks erzeugt. Beide Probleme lassen sich lösen, indem man eine kleine Flüssigkeitsmenge zuverlässig bewegt und nicht, indem man eine große Menge schnell bewegt.

Die zweite Anforderung ist Präzision. Ein Kühlkreislauf benötigt einen stetigen, wiederholbaren Fluss; Eine Dosierlinie benötigt ein wiederholbares Volumen. Peristaltische Pumpen bewältigen beides, da es sich um Verdrängermaschinen handelt: Der Durchfluss wird durch die Rohrbohrung und die Rotorgeschwindigkeit und nicht durch den Systemgegendruck bestimmt, und die Flüssigkeit kommt nur mit der Innenseite des Rohrs in Kontakt. Aus diesem Grund kann eine Mikro-Flüssigkeitsversorgungspumpe in einem Druckergehäuse versiegelt werden, ohne dass Wartungswege in die Flüssigkeit eindringen.

2. SC2201RPW verifizierte Spezifikationen

Die Dimensionierung einer 3D-Drucker-Peristaltikpumpe beginnt mit der Schleife, nicht mit einer Schlagzeile. Alle folgenden Abbildungen stammen von der SC2201RPW-Produktseite und dem vom Hersteller veröffentlichten Werkstestbericht. Wenn eine Zahl nur zusammen mit ihrer Testbedingung aussagekräftig ist, wird die Bedingung in derselben Zeile angegeben, da eine angegebene Durchflussrate oder ein Geräuschpegel ohne ihre Bedingung nicht für technische Entscheidungen verwendet werden können.

Tabelle 1. Zusammenfassung der SC2201RPW-Spezifikationen mit Testbedingungen.

Quelle: Skoocom SC2201RPW-Produktseite und Werksleistungstestbericht.

3. Was „unter 60 dB“ in einem Druckergehäuse eigentlich bedeutet

Für ein 3D-Druck-Kühlsystem liegt der veröffentlichte Geräuschwert unter 60 dB, gemessen bei 30 cm, bei 5 V Gleichstrom, wobei ein 5 cm langer Schwamm unter die Pumpe gelegt wird, um Vibrationen zu absorbieren. Diese drei Bedingungen sind wichtiger als die Zahl selbst, und ein Käufer sollte sie sorgfältig lesen, bevor er den Wert in eine Produktspezifikation schreibt.

Es wird keine Häufigkeitsgewichtung angegeben.Akustische Daten für Maschinen werden normalerweise als A-bewerteter Schalldruckpegel dB(A) angegeben, der die niederfrequenten Töne, die eine Peristaltikpumpe erzeugt, wenn jede Rolle mit dem Schlauch in Kontakt kommt, abschwächt. Ein einfacher dB-Wert ist nicht mit dB(A)-Werten anderer Anbieter vergleichbar.

Der Messabstand beträgt 30 cm, nicht 1 m.Der Schalldruckpegel nimmt mit zunehmender Entfernung ab, daher sieht ein Wert aus einer Entfernung von einem Arm immer besser aus als dieselbe Pumpe, gemessen in einem Referenzabstand von 1 m, den technische Methoden wie ISO 3744 und ISO 11202 verwenden.

Der Test verwendete Vibrationsisolierung.Der 5-cm-Schwamm ist Teil des Messaufbaus, was bestätigt, dass es sich bei der Montage um eine Geräuschvariable erster Ordnung und nicht um ein Detail handelt.

Zum Vergleich: Die OSHA betrachtet 85 dBA als den Pegel, bei dem ein Arbeitnehmer seine Stimme erheben muss, um aus einer Entfernung von etwa einem Meter gehört zu werden. Ein Wert unter 60 dB liegt daher weit außerhalb aller Lärmbedenken am Arbeitsplatz. Die nützliche Schlussfolgerung ist nicht, dass die Pumpe in absoluten Zahlen leise ist, sondern dass die Behauptung in der realen Installation erneut überprüft werden muss: Montieren Sie die Pumpe auf Elastomerdämpfern, halten Sie sie von großen flachen Platten fern, die Schall abstrahlen, und messen Sie dB(A) in 1 m Entfernung in der zusammengebauten Maschine.

Wenn ein geräuscharmer Betrieb eine Designanforderung ist und eine leise Wasserpumpe von verschiedenen Anbietern verglichen werden muss, fragen Sie nach einer Zahl: A-bewerteter Schalldruckpegel in 1 m Entfernung, gemessen an der bloßen Pumpe und erneut an der gedämpften Halterung. Zwei vergleichbare Figuren sind mehr wert als vier unvergleichliche.

4. Für drei Anwendungen passt der SC2201RPW – und für drei nicht

Die Anwendungseignung einer 3D-Drucker-Peristaltikpumpe wird durch Durchflussrate, Druck und Chemie bestimmt. In den folgenden Abschnitten werden die Aufgaben, bei denen die SC2201RPW eine gute Wahl ist, von denen unterschieden, bei denen eine andere Pumpe erforderlich ist.

4.1 Single-Loop-Hotend-Kühlmittelzufuhr

In einem 3D-Druck-Kühlsystem führt der Kreislauf Wärme mit einer Geschwindigkeit ab, die durch den Massenfluss und den Temperaturanstieg bestimmt wird. Für Wasser beträgt die spezifische Wärmekapazität 4.184 J/(kg·K) bei 20 Grad, daher ist die Arithmetik direkt: Q=Massenstrom × 4.184 × Temperaturanstieg.

Tabelle 2. Wärmetransportkapazität des SC2201RPW-Durchflussbereichs für Wasser.

Berechnet aus Q=Massenstrom × cp × ΔT unter Verwendung von cp=4,184 J/(kg·K) (NIST).

Der SC2201RPW leistet daher etwa 14 bis 70 W, je nachdem, wie viel Temperaturanstieg der Regelkreis verträgt. Dies ist für das kalte Ende eines einzelnen Hotends verwendbar, bei dem nur die über die Wärmeunterbrechung geleitete Wärme abgeführt werden muss, und die Anwendungsrichtlinien von Skoocom sehen einen einzelnen Hotend-Kreislauf bei 20–50 ml/min vor – genau den Bereich, den diese Pumpe abdeckt.

Für alles mit größerer thermischer Belastung ist es nicht geeignet. Eine Dual-Hotend-Maschine, eine beheizte Kammer, Schrittmotortreiber oder ein beheiztes Bett benötigen eine Größenordnung mehr Durchfluss, und eine Druckobergrenze von 6 psi (41 kPa) bietet wenig Platz für eine lange Rohrstrecke, eine restriktive Schnellkupplung oder einen Platten-und-Rippen-Wasserblock. Für diese Aufgaben ist der SC2301CPW mit höherem Durchfluss das richtige Teil.

4.2 Umgang mit Harz und Lösungsmittel für SLA- und DLP-Arbeitsabläufe

Dies ist die Anwendung, die am häufigsten falsch beschrieben wird. Eine Harzwaschstation reinigt Teile nicht durch Zirkulieren eines Tropfens Lösungsmittel; es bewegt Teile in einem großen Volumen. Der Formlabs Form Wash verwendet beispielsweise ein magnetisch gekoppeltes Laufrad, fasst 7–15 l Lösungsmittel und ist auf 120 Drucke pro Isopropylalkohol-Nachfüllung mit einem 10-minütigen Standardwaschgang ausgelegt. Eine Pumpe, die sich mit einer Geschwindigkeit von 20–50 ml/min bewegt, kann diese Bewegung nicht erzeugen, und in gedruckter Form sollte keine gegenteilige Behauptung auftauchen.

Was eine Schlauchpumpe mit geringem Durchfluss in einem Harz-Arbeitsablauf wirklich gut macht, ist die Flüssigkeitslogistik rund um den Tank:

Überweisen.Dekantieren von verbrauchtem Lösungsmittel aus dem Waschbehälter und frischem Lösungsmittel hinein, wobei die Pumpe selbstansaugend ist und keine Dichtung im Flüssigkeitspfad vorhanden ist, die lecken könnte.

Nachfüllen.Das Ersetzen des durch Verdunstung verlorenen Volumens zwischen den Wäschen - 50 ml dauert bei 50 ml/min etwa 60 Sekunden und bei 20 ml/min etwa 150 Sekunden.

Filterung und Umwälzung.Das Lösungsmittel wird durch einen Inline-Filter geleitet, um seine Lebensdauer zu verlängern, was von Natur aus eine Aufgabe mit geringem Durchfluss ist.

Isopropylalkohol hat einen Flammpunkt von 11,7 Grad im offenen Becher (13 Grad im geschlossenen Becher) und einen Explosionsbereich von 2–12,7 Vol.-% in der Luft, sodass er bei Raumtemperatur entzündlich ist. Eine peristaltische Pumpe hilft, da das einzige benetzte Teil der Schlauch ist, die Belüftung, die Verklebung und die Eignung der Baugruppe bleiben jedoch in der Verantwortung des Integrators. Silikon ist hochgradig inert, aber wesentlich durchlässiger für Gase als andere Kautschuke, was wichtig ist, wenn Lösungsmittelverlust ein Problem darstellt.

4.3 Pigment- und Additivdosierung für Mehrfarbendrucker

Die Dosierung ist für diese Pumpe am besten geeignet. Bei 20–50 ml/min liefert der SC2201RPW 0,33 bis 0,83 ml pro Sekunde. Dies ist eine praktische Rate für die Zugabe von Pigmenten, Harzen oder Additiven zu einem Mischkopf in abgemessenen Schritten und nicht durch Schwerkraftzufuhr. Da die Flüssigkeit im Schlauch verbleibt, wird durch den Austausch des Schlauchs auch das Risiko einer Kreuzkontamination zwischen den Farben beseitigt, und es kann sich kein ausgehärtetes Harz im Pumpenkörper ansammeln.

Für eine auf diese Weise verwendete Mikro-Flüssigkeitsversorgungspumpe gelten zwei Grenzen. Die 2,5-mm-Rohrbohrung begrenzt hochviskose Pigmentdispersionen und die Wirksamkeit der peristaltischen Pumpe nimmt mit steigender Viskosität ab, sodass eine stark beladene Paste eine größere Bohrung oder einen anderen Pumpentyp benötigt. Auch pigmentierte Flüssigkeiten, die sich absetzen, benötigen entweder eine kurze Verweilzeit in der Leitung oder einen Rezirkulationsweg, da das Rohr die Feststoffe nicht in Suspension hält.

4.4 Wohin der SC2201RPW nicht gehört

„Mikroschmierung des Extruderkopfes.“Das Einbringen von Schmiermittel in den Filamentweg gehört nicht zur standardmäßigen FDM-Wartung und birgt das Risiko einer Kontamination der Schmelze und einer Destabilisierung der Extrusion. Wenn ein Drucker wirklich eine automatische Schmierung benötigt, sind die Verschleißpunkte die Linearschienen und Leitspindeln, und die Flüssigkeit sollte niemals in das Hotend gelangen.

Beheizte Bett-, Treiber- oder Kammerkühlung.Der Durchfluss ist um eine Größenordnung zu gering.

Jede Schleife, die mehr als etwa 41 kPa benötigt.Der Austrittsdruck beträgt 6 psi als Obergrenze; Überprüfen Sie vor der Inbetriebnahme den tatsächlichen Druckabfall des zusammengebauten Kreislaufs.

5. Von der Fahrradbewertung bis zu den Betriebsstunden

Zykluszählungen allein sind nicht hilfreich, da ein Zyklus keine feste Länge hat. Die Ausdauerwerte des SC2201RPW wurden bei einem 5-Sekunden-Lauf und einem 3-Sekunden-Stoppmuster gemessen, sodass ein Zyklus 8 Sekunden dauert. Die Umrechnung der veröffentlichten Zahlen in Betriebsstunden macht sie mit den stundenbasierten Nennwerten vergleichbar, die für die meisten Industriepumpen verwendet werden, und zeigt eine Zahl, die nicht wiederholt werden sollte.

Tabelle 3. Veröffentlichte Zyklusbewertungen, umgerechnet in Pump-Einschaltstunden.

Berechnet aus der Anzahl der Zyklen und dem im Werksprüfbericht angegebenen Arbeitszyklus von 5 s Ein/3 s Aus.

Der Wert von 480.000 Zyklen erscheint in mehreren Artikeln des Herstellers, jedoch nicht auf der Produktseite, und liegt unter den 600.000 Zyklen, die im Werkstest erreicht wurden. Es unterschätzt die dokumentierte Haltbarkeit und kann nicht auf einen Testbericht zurückgeführt werden. Veröffentlichen Sie die verifizierte 300.000-Zyklen-Bewertung mit ihrem Arbeitszyklus, geben Sie den 600.000-Zyklen-Test als aufgezeichnetes Maximum an und wiederholen Sie 480.000 Zyklen nicht ohne den zugrunde liegenden Bericht.

Der Schlauch ist das Verbrauchsmaterial, nicht der Motor. Silikonkautschuk hat eine geringe Zugfestigkeit und eine geringe Verschleißfestigkeit, und bei jedem Zyklus wird der gleiche kurze Schlauchabschnitt zusammengedrückt. Der Hersteller rechnet damit, dass Silikonschläuche im Kühlmittelbetrieb tausende Stunden in Anspruch nehmen, im Harzbetrieb dagegen nur Monate bis ein Jahr. Tauschen Sie daher den Schlauch aus, wenn er sich weich oder platt anfühlt, und bauen Sie die Pumpe so in die Maschine ein, dass der Schlauch erreichbar ist.

6. SC2201RPW im Vergleich zum SC2301CPW

Zwei peristaltische Pumpen der Skoocom-Reihe werden routinemäßig für denselben 3D-Drucker in Betracht gezogen und sind nicht austauschbar. Die Wahl wird dadurch entschieden, ob die Maschine ein kleines abgemessenes Volumen oder einen kontinuierlichen Durchfluss benötigt.

Tabelle 4. Anwendungsorientierter Vergleich der beiden Skoocom-Schlauchpumpen.

Quellen: Skoocom SC2201RPW Produktseite; Skoocom SC2301CPW Produktartikel.

Die Entscheidungsregel ist einfach. Wenn die Pumpe eine Temperatur halten, einen Liter bewegen oder ein zweites Hotend versorgen muss, wählen Sie die 24 V SC2301CPW. Wenn eine kleine, wiederholbare Flüssigkeitsmenge an einer bestimmten Stelle platziert werden muss, wählen Sie den SC2201RPW und akzeptieren Sie, dass er seine 0,8 W von einer 5-V-Schiene und nicht von der 24-V-Hauptversorgung des Druckers bezieht.

7. Integrationscheckliste für Druckerhersteller

Überprüfen Sie die Spannung anhand des Datenblatts, nicht anhand des Seitentitels.Für dieses Modell wurde auf der eigenen Seite des Lieferanten ein anderer Spannungsbereich als im Datenblatt angegeben. Bestätigen Sie 3/5/8 V oder 3/6/12 V schriftlich, bevor Sie die Versorgung entwerfen.

Planen Sie die Stromschiene.Eine 5-V-Pumpe, die weniger als 160 mA verbraucht, ist einfach anzusteuern, aber die meisten Desktop-Drucker liefern 24 V. Planen Sie entweder eine dedizierte 5-V-Versorgung oder einen kleinen Abwärtswandler ein und halten Sie die Pumpe von jeder mit der Heizung gemeinsam genutzten Schiene fern.

Auf Dämpfer montieren.Beim werksseitigen Geräuschtest wurde ein 5-cm-Schwamm verwendet, was ein direktes Signal dafür ist, dass die Isolation das Ergebnis verändert. Verwenden Sie Elastomerhalterungen und vermeiden Sie große, nicht unterstützte Platten.

Halten Sie die Schleife kurz.Da 6 psi verfügbar sind, spielen die Rohrlänge, die Anzahl der Anschlüsse und die Beschränkung des Wasserblocks eine Rolle. Messen Sie den Druckabfall des zusammengebauten Kreislaufs oder testen Sie ihn auf dem Prüfstand.

Wählen Sie die Flüssigkeit bewusst aus.Destilliertes Wasser mit einem Biozid oder einem speziell hergestellten Kühlmittel. Vermeiden Sie abrasive und aggressive Flüssigkeiten und prüfen Sie etwaige Lösungsmittel anhand der Rohrverbindung und nicht anhand des Pumpenkörpers.

Nutzen Sie die Selbstansaugung.Die Pumpe bereitet sich selbst vor und toleriert kleine Blasen, was das Befüllen und Entlüften eines neuen Kreislaufs vereinfacht. Lassen Sie es nicht über einen längeren Zeitraum trocken laufen.

Ersatzschlauch auf Lager.Es ist das einzige Verbrauchsmaterial, der Austausch dauert nur wenige Minuten, und ein Drucker, der für eine Tube außer Betrieb ist, ist ein Drucker, an den sich der Kunde erinnert.

Wichtige Erkenntnisse

Die SC2201RPW ist eine peristaltische Pumpe für 3D-Drucker mit einer Nennleistung von 20–50 ml/min, 3/5/8 V Gleichstrom, unter 160 mA, einem Förderdruck von mindestens 6 psi (ca. 41 kPa) und einem Gehäuse von 55,9 mm Länge.

Sein Geräuschpegel, der unter 60 dB liegt, wurde in 30 cm Entfernung auf einem 5 cm dicken Schwamm ohne Angabe der Frequenzbewertung gemessen. Testen Sie es noch einmal als dB(A) bei 1 m in der fertigen Maschine, bevor Sie den Wert in einer Spezifikation verwenden.

Eine Durchflusskapazität von 20–50 ml/min entspricht etwa 14–70 W Wärmetransport für Wasser, was für einen einzelnen Hotend-Kreislauf und nichts Größeres geeignet ist.

Harzwaschstationen rühren 7–15 l Lösungsmittel um; Diese Pumpe übernimmt den Lösungsmitteltransfer, das Nachfüllen und die Filtration, nicht das Rühren.

Die Dosierung von Pigmenten und Additiven ist mit 0,33–0,83 ml pro Sekunde die stärkste Anwendung, ohne Kreuzkontamination, da nur das Röhrchen benetzt wird.

Veröffentlichen Sie 300.000 verifizierte Zyklen mit einem Arbeitszyklus von 5 s ein/3 s aus oder das Testergebnis von 600.000 Zyklen. Der in einigen Materialien kursierenden Zahl von 480.000 Zyklen liegt kein Testbericht zugrunde.

Als leise Wasserpumpe und Mikro-Flüssigkeitsversorgungspumpe läuft sie deutlich unterhalb der Lärmgrenzwerte am Arbeitsplatz, der Schallpegel sollte jedoch im zusammengebauten 3D-Druck-Kühlsystem erneut gemessen werden, bevor es einem Kunden angeboten wird.

Häufig gestellte Fragen

Was ist Wasserkühlung für 3D-Drucker?

Es handelt sich um einen geschlossenen Kreislauf, der Wärme von einer Komponente – meist dem kalten Ende eines Hotends – durch eine Flüssigkeit ableitet und diese Wärme dann an einen Kühler oder Behälter außerhalb des Gehäuses abgibt. Wasser trägt etwa das Vierfache der spezifischen Massenwärme von Luft, sodass ein kleiner Flüssigkeitsstrom weit mehr Wärme transportiert als die gleiche Luftmasse, weshalb eine Flüssigkeitskühlung die Düsentemperatur stabiler halten kann als ein Ventilator in einer geschlossenen Kammer.

Benötigen 3D-Drucker Kühlmittel?

Nein. Die meisten Desktop-Drucker sind luftgekühlt und benötigen überhaupt keine Flüssigkeit. Kühlmittel wird erforderlich, wenn eine Maschine in einer beheizten Kammer läuft, wenn ein Hotend auf hohe Durchflussraten gebracht wird oder wenn das Gehäuse so dicht verschlossen ist, dass die Lüfterkühlung nur warme Luft umwälzt. In diesen Fällen handelt es sich bei der Schleife um eine konstruktive Wahl für die thermische Stabilität und nicht um ein Verbrauchsmaterial.

Wie leise ist die Peristaltikpumpe SC2201RPW wirklich?

Der Hersteller hat unter 60 dB bei 30 cm bei 5 V DC gemessen, wobei die Pumpe auf einem 5 cm dicken Schwamm ruhte. Das ist leiser als ein normales Gespräch und liegt deutlich unter dem 85-dBA-Wert, mit dem Lärmschutzprogramme am Arbeitsplatz beginnen. Da der Wert unbewertet ist und bei 30 cm und nicht bei 1 m gemessen wird, bitten Sie den Lieferanten um einen A-gewichteten Messwert bei 1 m, mit und ohne Schwingungsisolierung, bevor Sie ihn mit einer anderen Pumpe vergleichen.

Kann eine Pumpe mit 20–50 ml/min ein Hotend alleine kühlen?

Bei einem einzelnen Hotend ist dies möglich, da der Wasserblock nur die über den Heat Break geleitete Wärme abführen muss. Bei 50 ml/min und einem Temperaturanstieg von 10 K entspricht das einer Transportkapazität von etwa 35 W, und die Anwendungsrichtlinien von Skoocom beziffern eine einzelne Hotend-Schleife auf 20–50 ml/min. Es kann nicht zwei Hotends, eine Kammer, Treiber oder ein Bett kühlen; Diese benötigen den SC2301CPW mit höherem Durchfluss.

Wie lange hält der SC2201RPW, bevor er gewartet werden muss?

Die Pumpe absolvierte mehr als 300.000 Zyklen im Standard-Lebensdauertest und bis zu 600.000 Zyklen im erweiterten Test, sowohl bei einem 5-Sekunden-Lauf als auch einem 3-Sekunden-Stoppmuster. Das sind rund 667 bzw. 1.333 Pumpstunden. Der Schlauch, nicht der Motor, bestimmt, wann eine Wartung erforderlich ist, und der Hersteller erwartet von Silikonschläuchen im Kühlmittelbetrieb Tausende von Stunden, im Harzbetrieb jedoch nur Monate bis ein Jahr.

Was ist der Unterschied zwischen dem SC2201RPW und dem SC2301CPW?

Die SC2201RPW ist eine kompakte 3/5/8-V-Pumpe für eine Dosierung von 20–50 ml/min. Die SC2301CPW ist eine 24-V-Pumpe mit einer Nennleistung von 100 ml/min oder mehr und einem Druck von 40–150 kPa, die für die Hotend-Kühlung, das automatische Nachfüllen von Harz und Reinigungsschleifen vorgesehen ist. Wählen Sie den SC2201RPW, wenn ein kleines, wiederholbares Volumen präzise platziert werden muss; Wählen Sie den SC2301CPW, wenn der Kreislauf eine Temperatur halten oder mehr als ein Hotend versorgen muss.