Pompe péristaltique pour imprimante 3D : Guide d'alimentation en micro-liquides silencieux

Une pompe péristaltique convient à une imprimante 3D lorsque le travail consiste à manipuler avec précision un faible volume de liquide plutôt qu'à refroidir en masse. Le Skoocom SC2201RPW se déplace de 20 à 50 ml/min à 3, 5 ou 8 V CC, mesure moins de 60 dB à 30 cm et a effectué 600 000 cycles de livraison lors de tests en usine. Elle convient à l'alimentation en liquide de refroidissement en boucle unique, au transfert de résine-solvant et au dosage de pigments - et ce n'est pas la bonne pompe pour le refroidissement de la hotend ou de la chambre à haut débit.

1. Pourquoi les imprimantes 3D de bureau ont besoin d’un approvisionnement en liquide silencieux et précis

Les imprimantes de bureau FDM et résine fonctionnent de plus en plus dans les chambres à coucher, les bureaux partagés et les laboratoires d'enseignement, de sorte que la signature acoustique de chaque sous-système compte autant que son débit. Une pompe à eau silencieuse est désormais un composant du système plutôt qu'un accessoire, et spécifier une pompe péristaltique d'imprimante 3D uniquement en fonction du débit laisse les exigences acoustiques indéfinies. Une pompe montée à l'intérieur d'une enceinte est entendue deux fois : directement dans l'air, et encore une fois sous forme de vibrations transmises par la structure à travers le cadre et les panneaux.

Deux problèmes de fluide déterminent la sélection de la pompe. Dans l'impression FDM, une imprimante qui fonctionne à l'intérieur d'une chambre chauffée à environ 45-55 degrés peut perdre sa marge thermique à l'extrémité froide de la hotend : le filament se ramollit au-dessus de la zone de fusion et se bloque en cours d'impression, le mode de défaillance communément appelé fluage thermique. Dans l'impression sur résine, l'échec équivalent est une cuve qui se vide pendant la nuit, produisant une ligne de couche visible ou un film marqué au fond de la cuve. Les deux problèmes sont résolus en déplaçant une petite quantité de liquide de manière fiable, et non en déplaçant une grande quantité rapidement.

La deuxième exigence est la précision. Une boucle de refroidissement a besoin d’un débit constant et reproductible ; une ligne de dosage a besoin d’un volume reproductible. Les pompes péristaltiques gèrent les deux car ce sont des machines volumétriques : le débit est réglé par l'alésage du tube et la vitesse du rotor plutôt que par la contre-pression du système, et le liquide n'entre en contact qu'avec l'intérieur du tube. C'est pourquoi une pompe d'alimentation en micro-liquide peut être scellée à l'intérieur d'un boîtier d'imprimante sans aucun chemin de maintenance dans le fluide.

2. Spécifications vérifiées du SC2201RPW

Le dimensionnement d'une pompe péristaltique d'imprimante 3D commence par la boucle, pas par un numéro de titre. Chaque figure ci-dessous est tirée de la page produit SC2201RPW et du rapport de test en usine publié par le fabricant. Lorsqu'un nombre n'a de sens qu'avec sa condition de test, la condition est indiquée dans la même ligne, car un débit ou un niveau de bruit indiqué sans sa condition ne peut pas être utilisé pour des décisions techniques.

Tableau 1. Résumé des spécifications du SC2201RPW avec conditions de test.

Source : page produit Skoocom SC2201RPW et rapport de test de performances en usine.

3. Que signifie réellement « en dessous de 60 dB » à l'intérieur d'un boîtier d'imprimante

Pour un système de refroidissement d'impression 3D, le bruit publié est inférieur à 60 dB mesuré à 30 cm, à 5 V DC, avec une éponge de 5 cm placée sous la pompe pour absorber les vibrations. Ces trois conditions comptent plus que le nombre lui-même, et un acheteur doit les lire attentivement avant d'écrire la valeur dans une spécification de produit.

Aucune pondération fréquentielle n’est indiquée.Les données acoustiques des machines sont normalement exprimées en niveau de pression acoustique pondéré A, dB(A), qui atténue les sons basse fréquence produits par une pompe péristaltique lorsque chaque rouleau engage le tube. Un simple chiffre en dB n’est pas comparable aux chiffres en dB(A) d’autres fournisseurs.

La distance de mesure est de 30 cm et non de 1 m.Le niveau de pression acoustique diminue avec la distance, de sorte qu'un chiffre pris à bout de bras sera toujours meilleur que la même pompe mesurée à la distance de référence de 1 m utilisée par des méthodes d'ingénierie telles que ISO 3744 et ISO 11202.

Le test a utilisé une isolation contre les vibrations.L'éponge de 5 cm fait partie du dispositif de mesure, ce qui confirme que le montage est une variable de bruit de premier ordre pour cette pompe, et non un détail.

Pour le contexte, l'OSHA considère 85 dBA comme le niveau auquel un travailleur doit élever la voix pour être entendu à environ 3 pieds de distance. Une lecture inférieure à 60 dB se situe donc bien en dehors de toute préoccupation liée au bruit sur le lieu de travail. La conclusion utile n'est pas que la pompe est silencieuse dans l'absolu, mais que cette affirmation doit être testée à nouveau dans l'installation réelle : montez la pompe sur des amortisseurs en élastomère, éloignez-la des grands panneaux plats qui émettent du son et mesurez les dB(A) à 1 m dans la machine assemblée.

Si un fonctionnement silencieux est une exigence de conception et qu'une pompe à eau silencieuse doit être comparée entre fournisseurs, demandez un chiffre : niveau de pression acoustique pondéré A à 1 m, mesuré sur la pompe nue et à nouveau sur le support amorti. Deux chiffres comparables valent plus que quatre chiffres incomparables.

4. Trois applications auxquelles le SC2201RPW s'adapte - et trois applications auxquelles il ne convient pas

L’application adaptée à une pompe péristaltique d’imprimante 3D est déterminée par le débit, la pression et la chimie. Les sections ci-dessous séparent les tâches pour lesquelles le SC2201RPW est un choix judicieux de celles qui nécessitent une pompe différente.

4.1 Alimentation en liquide de refroidissement du hotend en boucle unique

Dans un système de refroidissement d’impression 3D, la boucle élimine la chaleur à un taux défini par le débit massique et l’augmentation de la température. Pour l'eau, la capacité thermique spécifique est de 4 184 J/(kg·K) à 20 degrés, donc l'arithmétique est directe : Q=débit massique × 4 184 × augmentation de la température.

Tableau 2. Capacité de transport de chaleur de la plage de débit SC2201RPW pour l'eau.

Calculé à partir de Q=débit massique × cp × ΔT en utilisant cp=4,184 J/(kg·K) (NIST).

Le SC2201RPW transporte donc environ 14 à 70 W en fonction de l'augmentation de température que la boucle peut tolérer. Cela est utilisable pour l'extrémité froide d'un seul hotend, où seule la chaleur conduite jusqu'à la coupure thermique doit être éliminée, et les conseils d'application de Skoocom placent une seule boucle hotend à 20-50 ml/min - exactement la bande couverte par cette pompe.

Il n’est pas utilisable pour quoi que ce soit avec une charge thermique plus importante. Une machine à double hotend, une chambre chauffée, des pilotes pas à pas ou un lit chauffant nécessitent un débit d'un ordre de grandeur supérieur, et un plafond de pression de 6 psi (41 kPa) laisse peu de place pour un long tube, un raccord à déconnexion rapide restrictif ou un bloc d'eau à plaques et ailettes. Pour ces tâches, le SC2301CPW à débit plus élevé est la pièce appropriée.

4.2 Manipulation résine-solvant pour les flux de travail SLA et DLP

C’est l’application qui est le plus souvent mal décrite. Une station de lavage de résine ne nettoie pas les pièces en faisant circuler un filet de solvant ; il agite les pièces dans un grand volume. Le Formlabs Form Wash, par exemple, utilise une turbine à couplage magnétique, contient 7 à 15 L de solvant et est spécifié à 120 impressions par recharge d'alcool isopropylique avec un lavage par défaut de 10 minutes. Une pompe se déplaçant à une vitesse de 20 à 50 ml/min ne peut pas produire cette agitation, et aucune affirmation contraire ne doit apparaître sous forme imprimée.

Ce qu'une pompe péristaltique à faible débit fait vraiment bien dans un flux de travail de résine, c'est la logistique des fluides autour du réservoir :

Transfert.Décanter le solvant usagé hors du seau de lavage et le solvant frais dedans, avec la pompe auto-amorçante et sans joint dans le chemin du fluide pour éviter les fuites.

Faire le plein.Le remplacement du volume perdu par évaporation entre les lavages de - 50 ml prend environ 60 secondes à 50 ml/min et environ 150 secondes à 20 ml/min.

Filtrage et recirculation.Faire passer le solvant à travers un filtre en ligne pour prolonger sa durée de vie, ce qui est par nature une tâche à faible débit.

L'alcool isopropylique a un point d'éclair de 11,7 degrés dans une coupelle ouverte (coupe fermée de 13 degrés) et une plage d'explosion de 2 à 12,7 % en volume dans l'air, il est donc inflammable à température ambiante. Une pompe péristaltique est utile car la seule partie en contact avec le fluide est le tube, mais la ventilation, le collage et l'adéquation de l'assemblage restent de la responsabilité de l'intégrateur. Le silicone est hautement inerte, mais considérablement plus perméable aux gaz que les autres caoutchoucs, ce qui est important lorsque la perte de solvant est un problème.

4.3 Dosage de pigments et d'additifs pour imprimantes multicolores

Le dosage est la meilleure solution pour cette pompe. À 20-50 ml/min, le SC2201RPW délivre 0,33 à 0,83 ml par seconde, ce qui est un débit pratique pour ajouter un pigment, une résine ou un additif à une tête de mélange par incréments mesurés plutôt que par alimentation par gravité. Étant donné que le fluide reste à l'intérieur du tube, le remplacement du tube élimine également tout risque de contamination croisée entre les couleurs, et aucune résine durcie ne peut s'accumuler à l'intérieur du corps de la pompe.

Deux limites s'appliquent à une micropompe d'alimentation en liquide utilisée de cette manière. L'alésage du tube de 2,5 mm limite les dispersions de pigments très visqueux et l'efficacité de la pompe péristaltique diminue à mesure que la viscosité augmente. Une pâte fortement chargée nécessite donc un alésage plus grand ou un type de pompe différent. Les fluides pigmentés qui se déposent nécessitent également soit un court temps de séjour dans la conduite, soit un chemin de recirculation, car le tube ne maintient pas les solides en suspension.

4.4 Là où le SC2201RPW n'a pas sa place

"Micro lubrification de la tête de l'extrudeuse."L'introduction de lubrifiant dans le chemin du filament ne constitue pas un entretien FDM standard et risque de contaminer la matière fondue et de déstabiliser l'extrusion. Si une imprimante a réellement besoin d'une lubrification automatisée, les points d'usure sont les rails linéaires et les vis mères, et le fluide ne doit jamais pénétrer dans la hotend.

Lit chauffant, driver ou chambre de refroidissement.Le débit est d’un ordre de grandeur trop faible.

Toute boucle nécessitant plus de 41 kPa environ.Six psi de pression de décharge constituent le plafond ; vérifier la perte de charge réelle de la boucle assemblée avant de s'engager.

5. Des évaluations de cycle aux heures de service

Les inventaires cycliques ne sont pas utiles en eux-mêmes, car un cycle n’a pas de longueur fixe. Les chiffres d'endurance du SC2201RPW ont été mesurés sur un modèle d'exécution de 5 secondes et de 3 secondes d'arrêt, donc un cycle dure 8 secondes. La conversion des chiffres publiés en heures de pompage les rend comparables aux valeurs horaires utilisées pour la plupart des pompes industrielles et expose un chiffre qui ne doit pas être répété.

Tableau 3. Nombres de cycles publiés convertis en heures de pompage.

Calculé à partir du nombre de cycles et du cycle de service de 5 s marche/3 s éteint indiqué dans le rapport de test en usine.

Le chiffre de 480 000 cycles apparaît dans plusieurs articles du fabricant, mais pas sur la page produit, et il est inférieur aux 600 000 cycles obtenus par le test en usine. Il sous-estime l’endurance documentée et ne peut être attribué à un rapport de test. Publiez la valeur nominale vérifiée de 300 000 cycles avec son cycle de service, citez le test de 600 000 cycles comme maximum enregistré et ne répétez pas 480 000 cycles sans le rapport sous-jacent.

Le tube est le consommable, pas le moteur. Le caoutchouc de silicone a une faible résistance à la traction et à l'usure, et chaque cycle serre la même courte section de tube. Le fabricant s'attend à ce que les tubes en silicone durent des milliers d'heures en service de liquide de refroidissement, mais seulement des mois à un an en service de résine. Remplacez donc le tube lorsqu'il est mou ou plat et concevez la pompe dans la machine de manière à ce que le tube soit accessible.

6. SC2201RPW comparé au SC2301CPW

Deux pompes péristaltiques de la gamme Skoocom sont systématiquement envisagées pour une même imprimante 3D, et elles ne sont pas interchangeables. Le choix est décidé selon que la machine a besoin d'un petit volume mesuré ou d'un débit continu.

Tableau 4. Comparaison orientée application des deux pompes péristaltiques Skoocom.

Sources : page produit Skoocom SC2201RPW ; Article produit Skoocom SC2301CPW.

La règle de décision est simple. Si la pompe doit maintenir une température, déplacer un litre ou alimenter une deuxième hotend, choisissez le 24 V SC2301CPW. S'il doit placer un petit volume de liquide répétable à un endroit précis, choisissez le SC2201RPW, et acceptez qu'il tire ses 0,8 W d'un rail 5 V plutôt que de l'alimentation principale 24 V de l'imprimante.

7. Liste de contrôle d'intégration pour les constructeurs d'imprimantes

Vérifiez la tension par rapport à la fiche technique, pas au titre de la page.Sur ce modèle, la page du fournisseur indique une plage de tension différente de celle de la fiche technique. Confirmez 3/5/8 V ou 3/6/12 V par écrit avant de concevoir l'alimentation.

Planifiez le rail d'alimentation.Une pompe de 5 V consommant moins de 160 mA est simple à piloter, mais la plupart des imprimantes de bureau distribuent du 24 V. Prévoyez soit une alimentation 5 V dédiée, soit un petit convertisseur abaisseur, et gardez la pompe hors de tout rail partagé avec le chauffage.

Montage sur amortisseurs.Le test de bruit en usine a utilisé une éponge de 5 cm, ce qui indique directement que l'isolation modifie le résultat. Utilisez des supports en élastomère et évitez les grands panneaux non soutenus.

Gardez la boucle courte.Avec 6 psi disponibles, la longueur du tube, le nombre de raccords et la restriction du bloc d'eau comptent tous. Mesurez la chute de pression de la boucle assemblée ou testez-la au banc.

Choisissez le fluide délibérément.Eau distillée avec un biocide ou un liquide de refroidissement spécialement conçu. Évitez les fluides abrasifs et agressifs et vérifiez tout solvant contre le composé du tube plutôt que contre le corps de la pompe.

Exploitez l’auto-amorçage.La pompe s'amorce et tolère les petites bulles, ce qui simplifie le remplissage et la purge d'une nouvelle boucle. Ne le faites pas sécher pendant de longues périodes.

Tube de rechange d'origine.C'est le seul consommable, son changement prend quelques minutes et une imprimante hors service pour un tube est une imprimante dont le client se souvient.

Points clés à retenir

La SC2201RPW est une pompe péristaltique pour imprimante 3D évaluée à 20-50 ml/min, 3/5/8 V CC, inférieure à 160 mA, avec une pression de décharge d'au moins 6 psi (environ 41 kPa) et un corps de 55,9 mm de long.

Son facteur de bruit, inférieur à 60 dB, a été mesuré à 30 cm sur une éponge de 5 cm sans pondération fréquentielle indiquée. Testez-le à nouveau en dB(A) à 1 m dans la machine finie avant d'utiliser le nombre dans une spécification.

Une capacité de débit de 20 à 50 ml/min correspond à environ 14 à 70 W de transport de chaleur pour l'eau, ce qui convient à une seule boucle hotend et à rien de plus grand.

Les stations de lavage de résine agitent 7 à 15 L de solvant ; cette pompe gère le transfert de solvant, l'appoint et la filtration, pas l'agitation.

Le dosage de pigments et d'additifs constitue l'application la plus importante, à raison de 0,33 à 0,83 ml par seconde, sans contamination croisée car seul le tube est mouillé.

Publiez 300 000 cycles vérifiés avec le cycle de service de 5 s marche/3 s d'arrêt, ou le résultat du test de 600 000 cycles. Le chiffre de 480 000 cycles circulant dans certains matériaux ne repose sur aucun rapport de test.

En tant que pompe à eau silencieuse et pompe d'alimentation en micro-liquide, elle fonctionne bien en dessous des seuils de bruit sur le lieu de travail, mais le chiffre acoustique doit être re-mesuré dans le système de refroidissement d'impression 3D assemblé avant d'être proposé à un client.

Questions fréquemment posées

Qu’est-ce que le refroidissement par eau pour les imprimantes 3D ?

Il s'agit d'une boucle fermée qui évacue la chaleur d'un composant - le plus souvent l'extrémité froide d'un hotend - à travers un liquide, puis rejette cette chaleur vers un radiateur ou un réservoir à l'extérieur de l'enceinte. L'eau transporte environ quatre fois la chaleur spécifique de l'air en masse, de sorte qu'un petit débit de liquide transporte beaucoup plus de chaleur que la même masse d'air. C'est pourquoi le refroidissement liquide peut maintenir la température de la buse plus stable qu'un ventilateur dans une chambre scellée.

Les imprimantes 3D nécessitent-elles du liquide de refroidissement ?

Non. La plupart des imprimantes de bureau sont refroidies par air et ne nécessitent aucun liquide. Le liquide de refroidissement devient nécessaire lorsqu'une machine fonctionne à l'intérieur d'une chambre chauffée, lorsqu'une hotend est poussée à des débits élevés ou lorsque le boîtier est suffisamment hermétique pour que le refroidissement par ventilateur ne fasse recirculer que l'air chaud. Dans ces cas-là, la boucle est un choix de conception pour la stabilité thermique, et non un consommable.

Dans quelle mesure la pompe péristaltique SC2201RPW est-elle réellement silencieuse ?

Le fabricant a mesuré en dessous de 60 dB à 30 cm sous 5 V DC avec la pompe reposant sur une éponge de 5 cm. C'est plus silencieux qu'une conversation normale et bien en dessous du niveau de 85 dBA auquel commencent les programmes de bruit sur le lieu de travail. La valeur étant non pondérée et prise à 30 cm au lieu de 1 m, demandez au fournisseur une lecture pondérée A à 1 m, avec et sans isolation vibratoire, avant de la comparer avec une autre pompe.

Une pompe de 20 à 50 ml/min peut-elle refroidir seule une hotend ?

Pour un seul hotend, c'est possible, car le bloc d'eau n'a qu'à évacuer la chaleur conduite jusqu'à la coupure thermique. À 50 ml/min et une augmentation de température de 10 K, cela représente environ 35 W de capacité de transport, et les conseils d'application de Skoocom placent une seule boucle hotend à 20-50 ml/min. Il ne peut pas refroidir deux hotends, une chambre, des pilotes ou un lit ; ceux-ci ont besoin du SC2301CPW à débit plus élevé.

Combien de temps le SC2201RPW dure-t-il avant de nécessiter une réparation ?

La pompe a effectué plus de 300 000 cycles lors du test de durée de vie standard et jusqu'à 600 000 cycles lors d'un test étendu, à la fois avec un cycle de fonctionnement de 5 secondes et un modèle d'arrêt de 3 secondes. Cela représente respectivement environ 667 heures et 1 333 heures de pompage. Le tube, et non le moteur, détermine le moment où l'entretien est nécessaire, et le fabricant s'attend à des milliers d'heures du tube en silicone en service de liquide de refroidissement, mais seulement des mois à un an en service de résine.

Quelle est la différence entre le SC2201RPW et le SC2301CPW ?

La SC2201RPW est une pompe compacte 3/5/8 V pour un dosage de 20 à 50 ml/min. La SC2301CPW est une pompe 24 V évaluée à 100 ml/min ou plus avec une pression de 40 à 150 kPa, destinée au refroidissement des hotends, au remplissage automatisé de résine et aux boucles de nettoyage. Choisissez le SC2201RPW lorsqu'un petit volume reproductible doit être placé avec précision ; choisissez le SC2301CPW lorsque la boucle doit maintenir une température ou desservir plusieurs hotends.