Leitfaden zur Lebensdauer und Geräuschreduzierung der 3D-Drucker-Wasserpumpe

Die Lebensdauer einer 3D-Drucker-Wasserpumpe bedeutet ohne ihr Betriebsmuster nichts: 300.000 Zyklen entsprechen etwa 667 Stunden bei dem im veröffentlichten Test verwendeten Muster von 5 Sekunden an und 3 Sekunden aus, aber 2.500 Stunden bei 10 Sekunden an und 20 Sekunden aus. Geräusche hängen sowohl von der Montage und den Antriebseinstellungen als auch von der Pumpe ab.

1. Was die Lebensdauerbewertung einer Pumpe tatsächlich misst

Eine veröffentlichte Lebensdauerzahl ist nur dann aussagekräftig, wenn drei Dinge damit verbunden sind: das Betriebsmuster, bei dem sie getestet wurde, die Flüssigkeit, mit der sie getestet wurde, und die Definition des Endes der Lebensdauer.

Die veröffentlichten Tests dieser Familie verwenden unterschiedliche Muster. Fünf Sekunden an und drei Sekunden aus ergeben eine Einschaltdauer von 62,5 Prozent und 450 Zyklen pro Stunde; Zehn Sekunden an und zwanzig Sekunden aus ergeben eine Einschaltdauer von 33,3 Prozent und 120 Zyklen pro Stunde. Die gleiche 300.000-Zyklen-Bewertung beschreibt daher etwa 667 Betriebsstunden im ersten Muster und etwa 2.500 Kalenderstunden im zweiten Muster – fast ein Faktor vier, allein aufgrund der Testbedingungen.

Tabelle 1. Veröffentlichte Lebensdauerzahlen für dieselbe Pumpenfamilie und das jeweilige Betriebsmuster.

Quellen: Produktseite des Herstellers, Anwendungsartikel und Spezifikationszusammenfassung; Zahlen wie veröffentlicht.

Abbildung 1. Die von jeder veröffentlichten Zyklusbewertung implizierten Dienstjahre im Vergleich zu Nachfüllereignissen pro Tag.

Quelle: Arithmetik des Autors – Bewertung dividiert durch tägliche Ereignisse mal 365. Es wird keine Herabstufung angewendet: keine wird veröffentlicht.

Ist eine Lebensdauer von 480.000 Zyklen für eine Schlauchpumpe realistisch?

Die Zahl wird veröffentlicht, stimmt aber nicht mit der Produktseite des Herstellers überein, die mehr als 300.000 Zyklen bei demselben 5-Sekunden-Ein-/3-Sekunden-Aus-Muster angibt und einen separaten Test mit 600.000 Auslieferungszyklen meldet. Drei Zahlen für ein Muster bedeuten, dass mindestens zwei unterschiedliche Dinge messen, oder eine ist falsch. Behandeln Sie die Bewertung als Testbeschreibung: Fragen Sie, was den Test beendet hat, und planen Sie den Austausch der Röhren nach Stunden, nicht als Zyklusüberschrift.

Lesen Sie weiter:SC2201RPW Produktseite.

2. Die Teile, die darüber entscheiden, wie lange eine Pumpe hält

Die Lebensdauer wird durch ein Verschleißteil pro Familie bestimmt: das Rohr einer Schlauchpumpe und die Zahnräder, Lager und Motorbürsten einer Zahnradpumpe.

Bei einer peristaltischen Pumpe verlässt die Flüssigkeit niemals den Schlauch und der Schlauch versagt, indem er einen permanenten Druckverformungsrest erfährt, das Verhalten, das durch standardmäßige Druckverformungsresttests abgedeckt wird. Der Durchfluss nimmt ab, bevor die Pumpe stoppt, und ein neuer Schlauch erneuert den Flüssigkeitsweg. Die veröffentlichte Richtlinie für die Nachfüllpflicht von Druckern geht von mehreren Monaten bis zu einem Jahr Lebensdauer der Röhren aus.

Bei einer Zahnradpumpe ist die Flüssigkeit auch das Schmiermittel. Die veröffentlichte Spezifikation verbietet einen Trockenlauf über 20 Sekunden hinaus, da die Zahnräder ohne Flüssigkeit am Gehäuse verschleißen und Spielräume dauerhaft freigeben, wodurch Durchfluss und Druck für den Rest der Lebensdauer der Pumpe reduziert werden. Zahnradpumpen sind hier nicht selbstansaugend, und ein verstopfter Auslass stoppt die Pumpe nicht: Dies führt zu interner Leckage, Hitze und Verschleiß.

Tabelle 2. Verschleißteile, Fehlermechanismus und das zuerst auftretende Symptom.

Quellen: Produktseite des Herstellers, Artikel zum Nachfüllen von Harz und Zusammenfassung der Spezifikationen; Druckverformungsrestverhalten gemäß ASTM D395.

Lesen Sie weiter:Peristaltische vs. Zahnradpumpe.

3. Lärm: Was Ihnen ein dB-Wert sagt und was nicht

Eine Rauschzahl ist nur dann vergleichbar, wenn vier Bedingungen erfüllt sind: Entfernung, Montage, Frequenzbewertung und Hintergrundpegel. Keine der hier veröffentlichten Zahlen gibt alle vier an.

Die Seite der 3-V-Pumpe ist transparenter: unter 60 dB bei 30 cm, gemessen bei 5 V Gleichstrom, wobei die Pumpe auf einem 5-cm-Schwamm steht, um Vibrationsgeräusche zu absorbieren. Dabei handelt es sich um eine schwingungsisolierte Tischmessung, nicht um das, was man erhält, wenn die Pumpe an einen starren Rahmen geschraubt ist. Die 24-V-Pumpe wird mit 60 dB gemessen in 50 cm Entfernung veröffentlicht, ohne Angabe der Montagebedingungen.

Bei einer kleinen Quelle im Freifeld sinkt der Schalldruck bei jeder Verdoppelung des Abstands um etwa 6 dB, sodass 60 dB bei 30 cm etwa 54 dB bei 60 cm und 48 dB bei 120 cm entsprechen (Abbildung 2). Ein bei 50 cm angegebener Wert ist daher ein laxerer Messpunkt als einer bei 30 cm und keiner ist mit einem Messwert eines Dritten vergleichbar, es sei denn, die Gewichtung stimmt überein: A-bewertete Pegel sind die Konvention, die Instrumente, die sie erzeugen, sind in IEC 61672-1 spezifiziert, und ein formal ermittelter Schallleistungswert folgt stattdessen ISO 3744.

Zum Vergleich: Die Arbeitsplatzgrenzwerte in den USA liegen bei 85 dBA als 8-Stunden-Aktionsgrenzwert und bei 90 dBA als zulässigem Expositionsgrenzwert. Eine Pumpe, die unter 60 dB gemessen wird, liegt also deutlich innerhalb der beiden Grenzwerte; Die nützliche Frage ist nicht die Sicherheit, sondern ob es ruhig genug ist, um daneben zu sitzen.

Abbildung 2. Die beiden veröffentlichten Ansprüche aufgetragen gegen die Entfernung unter Verwendung der 6-dB-pro-Verdopplungsregel für eine kleine Quelle im Freifeld.

Quelle: Berechnung des Autors anhand der veröffentlichten Angaben (unter 60 dB bei 30 cm; 60 dB bei 50 cm). Ein echtes Gehäuse reflektiert Schall, daher sollten Sie die Kurven als Trend und nicht als Vorhersage betrachten.

Lesen Sie weiter:Geräuschlösung für Mikro-Gleichstrompumpen.

4. Peristaltischer Pumpenantrieb: PWM-Einstellungen, die Geräusch und Lebensdauer verändern

Ein PWM-Antrieb bestimmt die Geschwindigkeit über seinen Arbeitszyklus und den Klang des Antriebs über seine Frequenz. Die Empfehlung des Herstellers lautet, bei 20 kHz zu beginnen und für den stillen Betrieb 20 bis 25 kHz zu verwenden; Der Spitzenwirkungsgrad von 60 bis 80 Prozent wird für Membranpumpen angegeben. Messen Sie ihn daher erneut an einer Peristaltik- oder Zahnradpumpe.

PWM schaltet die Versorgungsspannung mit einer festen Frequenz ein und aus und variiert die Einschaltzeit; Der Motor mittelt die Impulse, so dass die effektive Spannung und Leistung mit der Einschaltdauer ansteigen. Bei einer Einschaltdauer von 50 Prozent beträgt die effektive Spannung etwa die Hälfte der Versorgungsspannung, Einschaltdauer und Geschwindigkeit sind ungefähr proportional und der Durchfluss folgt der Geschwindigkeit, da es sich bei einer peristaltischen Pumpe um eine Verdrängerpumpe handelt. Unterhalb eines Betriebsschwellenwerts startet die Pumpe nicht – eine tote Zone, die leicht mit einem Fehler verwechselt werden kann.

Die Frequenz entscheidet darüber, was Sie hören. Zu niedrig, und der Antrieb jault, pulsiert und liefert ein ungleichmäßiges Drehmoment; zu hoch, und Schaltverluste erhitzen den Treiber und den Motorkern über etwa 30 bis 40 kHz. Der Kupferverlust ist das Stromquadrat mal dem Widerstand, und der Widerstand steigt um etwa 0,4 Prozent pro Grad Celsius, sodass eine langsamere Pumpe nicht automatisch eine kühlere ist.

Die elektrische Seite ist bei einer Flüssigkeitssteuerungslösung für den 3D-Druck genauso wichtig wie die Steuerungsseite. Eine Drucker-MCU liefert ungefähr 25 bis 40 mA pro Pin, während kleine Pumpen 100 bis 500 mA verbrauchen, sodass eine MOSFET-Stufe nicht optional ist. Da es sich bei einem Pumpenmotor um einen Induktor handelt, benötigt die Stufe außerdem eine Flyback-Diode, eine Abzweigsicherung und eine für den Einschaltstrom dimensionierte Auslegung. PWM steuert die durchschnittliche Leistung, nicht den Spitzenstrom, und begrenzt einen blockierten Motor nicht.

Funktioniert die PWM-Geschwindigkeitsregelung bei Schlauch- und Zahnradpumpen auf die gleiche Weise?

Das Prinzip ist identisch: Bei beiden Familien handelt es sich um Verdrängerpumpen, sodass der Durchfluss proportional zur Wellengeschwindigkeit ist und der Arbeitszyklus einen Durchflusssollwert liefert. Die Belastung ist unterschiedlich. Der Strom einer Zahnradpumpe steigt mit zunehmendem Druck und Viskosität stark an, und die interne Leckage nimmt mit zunehmender Flüssigkeitsverdünnung zu. Die Last einer Peristaltikpumpe wird durch den Druck eingestellt, dem der Schlauch entgegenwirkt. Dieser Druck steigt, wenn der Schlauch einen Druckverformungsrest erfährt. Beide sollten standardmäßig nicht im Vollbetrieb laufen: Die Effizienzspitze liegt unterhalb der Höchstgeschwindigkeit.

Tabelle 3. Symptome, Ursachen des PWM-Laufwerks und die Einstellung, die jedes Problem behebt.

Quellen: Hersteller-PWM-Anwendungsleitfaden und Leitfaden zur Spannungs- und Stromanpassung des Drucker-Mainboards.

Lesen Sie weiter:Wie sich PWM auf Mikropumpen auswirkt.

5. Geräuschreduzierung der Zahnradpumpe

Getriebegeräusche sind tonal und nehmen mit der Geschwindigkeit und dem Druck zu. Daher beginnt die Geräuschreduzierung bei Zahnradpumpen mit der Verlangsamung der Pumpe und der Beseitigung der hydraulischen Bedingungen, die sie verstärken, und nicht mit Schaum. Zahnradpumpen verdrängen Flüssigkeit durch das Ineinandergreifen von Zahnrädern in einem engen Hohlraum, und in der Fachliteratur wird darauf hingewiesen, dass Einheiten, die höheren Drücken und Geschwindigkeiten ausgesetzt sind, tendenziell laut sind und besondere Vorsichtsmaßnahmen erfordern.

Die Montage ist der zweite Hebel: Der veröffentlichte Geräuschwert für die 3-V-Pumpe wurde mit der Pumpe auf einem 5-cm-Schwamm gemessen, um Vibrationsgeräusche zu absorbieren. Ändert ein Schwamm die Zahl, entscheidet die Klammer, was der Bediener hört. Die starre Metall-auf-Metall-Montage verwandelt die Pumpe in einen vom Rahmen angetriebenen Lautsprecher; Elastomerpolster, eine schwimmende Halterung und eine flexible Schlauchschlaufe unterbrechen diesen Weg.

Die Fehlerliste des Herstellers ist kurz und praktisch, und Tabelle 4 ordnet jeder Ursache ihre Gegenmaßnahme zu. Bei drei der fünf Probleme handelt es sich eher um Wartungsprobleme als um Konstruktionsfehler, wobei Rotor- und Wellentoleranzen als größte Einzelursache genannt werden.

Tabelle 4. Veröffentlichte Lärmursachen und entsprechende Gegenmaßnahmen.

Quellen: Hinweis zur Geräuschbehebung des Herstellers und Analyse der Druckerpumpe; Verhalten der Zahnradpumpe gemäß der allgemeinen Zahnradpumpenreferenz.

Lesen Sie weiter:Verstopfungen, Blasen und Undichtigkeiten.

6. Wartung, die die Lebensdauer der Wasserpumpe des 3D-Druckers verlängert

Ein Kalender übertrifft eine Fehlerantwort. Die veröffentlichten Leitlinien werden wöchentlich, monatlich und vierteljährlich veröffentlicht, wobei das Verbrauchsmaterial nach etwa 500 Stunden oder zwei Dritteln der berechneten Lebensdauer gewechselt wird, je nachdem, was zuerst eintritt. Tabelle 5 gibt jedes Intervall und den Fehler an, den es beseitigt.

Umwelt zuerst: Der veröffentlichte Umgebungsbereich liegt zwischen 5 und 45 °C. Dauerbetrieb erhöht die Motortemperatur und kann die Lebensdauer der Bürste verkürzen. Planen Sie daher die Luftzirkulation um den Motor herum. Ausrichtung: Die Endkappe des Motors hält die Bürsten, die Platine und die Anschlüsse. Verlegen Sie die Schläuche daher mit einer Tropfschlaufe und positionieren Sie die Pumpe so, dass kein auslaufendes Anschlussstück hineinlaufen kann.

Dann instrumentieren Sie den Loop. Durch die Protokollierung von Durchfluss, Druck und Arbeitszyklus pro Bau wird die Wartung zum Trend: Sinkender Durchfluss bei konstanter Leistung ist ein Rohrkompressionsrest oder ein verstopfendes Sieb, und steigender Strom bei konstantem Durchfluss ist ein Lager- oder Bürstenproblem.

Tabelle 5. Ein Wartungskalender für Druckerpumpen und die Fehler, die jedes Intervall beseitigt.

Quelle: Wartungsanleitung des Herstellers für Flüssigkeitssysteme, erweitert um den Umgebungsbereich, Endkappenhinweise und Protokollierungsempfehlungen.

Lesen Sie weiter:Sortiment peristaltischer Pumpen.

7. Was Sie vor der Angabe überprüfen müssen

Fünf veröffentlichte Ansprüche in dieser Familie stimmen nicht überein. Jedes Problem sollte schriftlich gelöst werden, bevor eine Pumpe in die Stückliste aufgenommen wird.

Pumpenfamilie.Auf einigen Seiten werden die gleichen Modellnummern als Zahnradpumpen und auf anderen als Schlauchpumpen bezeichnet. Eine Peristaltikpumpe hat keine benetzten Zahnräder und keine Wellendichtung, daher kann nicht beides stimmen. Die technischen Details – ein 190-mm-Körper, Innenzahnräder, eine gebürstete Endkappe, Undichtigkeit beim Abschalten und keine Selbstansaugung – stimmen mit der Beschreibung des Getriebes überein.

Zyklusanzahl.Das gleiche 5-Sekunden-Ein-/3-Sekunden-Aus-Muster wird mit mehr als 300.000 Zyklen, einer getesteten Lebensdauer von 480.000 Zyklen und einem Test mit bis zu 600.000 Auslieferungszyklen angegeben. Fragen Sie, was die Bewertung ist, was eine Testobergrenze ist und was jeden Test beendet hat.

Spannung eingestellt.Auf einer Seite sind 3 V, 5 V und 8 V aufgeführt; ein anderes listet 3 V, 6 V und 12 V für dasselbe Modell auf. Ein reiner 5-V-Treiber kann keine 6-V-Pumpe bedienen, und der Unterschied verändert den Wandler und das Schienenbudget.

Verbrauchsmaterialstatus.Auf einer Seite heißt es, es gäbe kein zu ersetzendes Schlauch-Verbrauchsmaterial; Auf der Produktseite wird der Flüssigkeitspfad als Silikonschlauch mit einer angegebenen Länge beschrieben. Das Austauschintervall für Röhren ist ein Wartungsaufwand, der sich auf die Betriebskosten auswirkt.

Druck.Dieselbe Pumpe wird mit mehr als 30 kPa und mindestens 6 psi angegeben, was etwa 41 kPa entspricht. Legen Sie eine Einheit und eine Nummer in der Spezifikation fest.

Lesen Sie weiter:Spannungs- und Stromanpassung des Mainboards.

8. Ein Prüfstandstest, der das Problem in zehn Minuten klärt

Die meiste Unsicherheit verschwindet in einer Banksitzung. Lassen Sie das Gerät mit Arbeitsdruck und nicht mit freiem Durchfluss laufen und notieren Sie die drei Zahlen, die den Betriebspunkt definieren: Durchfluss, Druck und Leistung.

Fegen Sie die Pflicht.Messen Sie den Durchfluss bei 40, 60, 80 und 100 Prozent Betriebsdruck und notieren Sie den Betriebsdruck, unterhalb dessen die Pumpe nicht mehr zuverlässig startet: Ihre Totzone.

Wiederholen, wenn es heiß ist.30 Minuten laufen lassen und wiederholen. Der Durchfluss, der bei konstantem Betrieb abnimmt, ist ein Rohr, das einen Druckverformungsrest erfährt, oder eine verdünnte Flüssigkeit.

Messen Sie den Lärm zweimal.Lesen Sie bei 30 cm und bei 1 m die Halterung ab, die Sie versenden möchten. Wenn der Spalt nicht mit Abbildung 2 übereinstimmt, strahlt der Rahmen Geräusche ab, nicht die Pumpe.

Sweepen Sie die Frequenz.Lassen Sie 8 bis 30 kHz bei festem Betrieb laufen, hören Sie zu und überprüfen Sie die Treibertemperatur bei der von Ihnen gewählten Einstellung.

Lesen Sie weiter:Spezifikation der 24-V-Pumpe.

Wichtige Erkenntnisse

Eine Zyklenbewertung bedeutet nichts ohne ihr Betriebsmuster: 300.000 Zyklen sind 667 Stunden bei 5 s an / 3 s aus, aber 2.500 Stunden bei 10 s an / 20 s aus.

In jeder Familie entscheidet ein Verschleißteil über das Leben: der Schlauch einer Schlauchpumpe, die Zahnräder, Lager und Bürsten einer Zahnradpumpe.

Für einen dB-Wert sind Abstand, Montage, Gewichtung und Hintergrundpegel erforderlich.

Der PWM-Betrieb legt Geschwindigkeit und Durchfluss fest. Die PWM-Frequenz bestimmt, was Sie hören. Beginnen Sie bei 20 kHz, verwenden Sie 20–25 kHz für den stillen Betrieb und rechnen Sie mit echten Schaltverlusten über 30–40 kHz.

Der Wirkungsgrad erreicht seinen Höhepunkt unterhalb der Höchstgeschwindigkeit. Volllastbetrieb kauft den Kreislauf möglicherweise nicht und zahlt sich in Hitze, Lärm und Verschleiß aus.

Die Wartung ist ein Kalender, keine Reaktion: wöchentliche Kontrollen, monatliche Überprüfung, vierteljährlicher Siebaustausch und ein Austausch der Verbrauchsmaterialien alle etwa 500 Stunden.

Lesen Sie weiter:SC2301CPW 24 V-Pumpe.

Häufig gestellte Fragen

Wie lange hält eine 3D-Drucker-Wasserpumpe?

Es kommt auf das Betriebsmuster und das Verschleißteil an, nicht auf eine einzelne Bewertung. Eine peristaltische Pumpe ist im Nachfüllbetrieb durch ihren Schlauch auf mehrere Monate bis zu einem Jahr beschränkt. Eine Zahnradpumpe wird durch Zahnräder, Lager und Bürsten begrenzt. Konvertieren Sie jede Zyklusleistung mithilfe eines eigenen Betriebsmusters in Stunden, bevor Sie Pumpen vergleichen.

Warum ist meine 3D-Druckerpumpe so laut?

Überprüfen Sie zunächst die billigen Ursachen: In der Liste des Herstellers werden Betrieb ohne Flüssigkeit, Ablagerungen, ein verstopfter Einlass und nicht angepasste Elektronik vor mechanischem Versagen genannt, und Rotortoleranz wird als größte Ursache genannt. Überprüfen Sie dann die Montage: Die veröffentlichte Figur wurde auf einem Schwamm aufgenommen, sodass eine starre Halterung eine leise Pumpe laut klingen lassen kann.

Kann man eine Schlauchpumpe trocken laufen lassen?

Besser als eine Zahnradpumpe, da sich im Flüssigkeitsweg nichts Metallisches befindet und das Rohr das Verschleißteil ist. Zahnradpumpen dieser Klasse verbieten einen Trockenlauf über 20 Sekunden hinaus, da die Zahnräder am Gehäuse verschleißen und dauerhaft Spielräume freigeben. In jedem Fall vor dem Start vorbereiten.

Verlängert ein niedrigerer PWM-Arbeitszyklus die Lebensdauer einer Pumpe?

Normalerweise ja, bis zu einem gewissen Punkt. Unterhalb der Höchstgeschwindigkeit erreicht der Wirkungsgrad seinen Höhepunkt, und bei voller Auslastung kommt es zu Wärme, Lärm und Verschleiß ohne nutzbaren Durchfluss. Daher ist eine niedrigere Auslastung bei gleicher Fördermenge die sanftere Einstellung, außer bei sehr niedriger Auslastung, wo der Motor in seiner toten Zone sitzt und schlecht kühlt.

Soll ich den Schlauch oder die ganze Pumpe ersetzen?

Ersetzen Sie bei einer Peristaltikpumpe den Schlauch: Er ist das Verschleißteil, der Austausch dauert nur wenige Minuten und erneuert den Flüssigkeitsweg. Eine Zahnradpumpe hat kein solches Verbrauchsmaterial, weshalb die Einlassfiltration und Ansaugung bei dieser Konstruktion eine größere Rolle spielt.

Was ist die beste PWM-Frequenz für eine 3D-Druckerpumpe?

Beginnen Sie bei 20 bis 25 kHz, knapp über dem hörbaren Bereich, wodurch die meisten Schaltgeräusche entfernt werden. Überprüfen Sie, anstatt zu vermuten: Wechseln Sie bei festem Betrieb von 8 auf 30 kHz, hören Sie zu und beobachten Sie die Treibertemperatur bei Arbeitsdruck