Guia de vida útil da bomba de água e redução de ruído da impressora 3D

O número de vida útil da bomba de água de uma impressora 3D não significa nada sem seu padrão de funcionamento: 300.000 ciclos equivalem a cerca de 667 horas no padrão de 5 segundos ligado e 3 segundos desligado usado no teste publicado, mas 2.500 horas com 10 segundos ligado e 20 segundos desligado. O ruído depende tanto da montagem e das configurações do acionamento quanto da bomba.

1. O que a classificação de vida útil da bomba realmente mede

Um número de vida útil publicado só é significativo se tiver três coisas associadas: o padrão de funcionamento em que foi testado, o fluido com o qual foi testado e a definição do fim da vida útil.

Os testes publicados nesta família utilizam padrões diferentes. Cinco segundos ligados e três segundos desligados equivalem a 62,5% de funcionamento e 450 ciclos por hora; dez segundos ligado e vinte segundos desligado equivale a 33,3% de funcionamento e 120 ciclos por hora. A mesma classificação de 300.000 ciclos descreve, portanto, cerca de 667 horas de funcionamento no primeiro padrão e cerca de 2.500 horas de serviço no segundo - quase um fator de quatro, apenas nas condições de teste.

Tabela 1. Valores de vida útil publicados para a mesma família de bombas e o padrão de funcionamento de cada uma.

Fontes: página do produto do fabricante, artigo de aplicação e resumo de especificações; números conforme publicados.

Figura 1. Anos de serviço implícitos em cada classificação de ciclo publicada, em comparação com eventos de recarga por dia.

Fonte: aritmética do autor - classificação dividida por eventos diários vezes 365. Nenhuma redução de classificação é aplicada: nenhuma é publicada.

A vida útil de 480.000 ciclos é realista para uma bomba peristáltica?

O número é publicado, mas não se reconcilia com a página do produto do próprio fabricante, que afirma mais de 300.000 ciclos no mesmo padrão de 5 segundos ligado e 3 segundos desligado e relata um teste separado realizado para 600.000 ciclos de entrega. Três números para um padrão significam pelo menos duas medidas de coisas diferentes ou uma está errada. Trate a classificação como uma descrição do teste: pergunte o que encerrou o teste e planeje a substituição do tubo em horas, não em um título de ciclo.

Leia a seguir:Página do produto SC2201RPW.

2. As peças que decidem quanto tempo dura uma bomba

A vida útil é definida por uma peça de desgaste por família: o tubo em uma bomba peristáltica e as engrenagens, rolamentos e escovas do motor em uma bomba de engrenagens.

Em uma bomba peristáltica, o fluido nunca sai do tubo, e o tubo falha ao sofrer um conjunto de compressão permanente, comportamento coberto pelo teste padrão de conjunto de compressão. O fluxo cai antes que a bomba pare e um novo tubo renova o caminho do fluido. A orientação publicada para a tarefa de recarga da impressora é de vários meses a um ano de vida útil do tubo.

Numa bomba de engrenagens, o fluido também é o lubrificante. A especificação publicada proíbe o funcionamento a seco além de 20 segundos, porque as engrenagens se desgastam contra a carcaça sem fluido e abrem as folgas permanentemente, reduzindo o fluxo e a pressão pelo resto da vida útil da bomba. As bombas de engrenagem aqui não são autoescorvantes e uma saída bloqueada não para a bomba: aumenta o vazamento interno, o calor e o desgaste.

Tabela 2. Peças de desgaste, mecanismo de falha e sintoma que aparece primeiro.

Fontes: página do produto do fabricante, artigo sobre recarga de resina e resumo de especificações; comportamento do conjunto de compressão de acordo com ASTM D395.

Leia a seguir:Bomba peristáltica vs bomba de engrenagem.

3. Ruído: o que um valor em dB faz e o que não diz

Um valor de ruído é comparável apenas quando quatro condições o acompanham: distância, montagem, ponderação de frequência e nível de fundo. Nenhuma das figuras publicadas aqui indica todos os quatro.

A página da bomba de 3 V é mais transparente: abaixo de 60 dB a 30 cm, medida em 5 V DC com a bomba em uma esponja de 5 cm para absorver ruídos de vibração. Essa é uma medição de bancada com isolamento de vibração, e não o que você obtém com a bomba aparafusada a uma estrutura rígida. A bomba de 24 V é publicada em 60 dB medidos a 50 cm de distância, sem condição de montagem declarada.

Para uma fonte pequena em campo livre, a pressão sonora cai cerca de 6 dB cada vez que a distância dobra, então 60 dB a 30 cm corresponde a aproximadamente 54 dB a 60 cm e 48 dB a 120 cm (Figura 2). Um valor citado em 50 cm é, portanto, um ponto de medição mais flexível do que um em 30 cm, e nenhum deles pode ser comparado com uma leitura de terceiros, a menos que a ponderação corresponda: os níveis ponderados A são a convenção, os instrumentos que os produzem são especificados na IEC 61672-1, e um valor de potência sonora formalmente determinado segue a ISO 3744.

Para contextualizar, os limites ocupacionais dos EUA são 85 dBA como nível de ação de 8 horas e 90 dBA como limite de exposição permitido, portanto, uma bomba medida abaixo de 60 dB está bem dentro de ambos; a questão útil não é a segurança, mas se é silencioso o suficiente para sentar ao lado dele.

Figura 2. As duas reivindicações publicadas são plotadas em relação à distância, usando a regra de 6 dB por duplicação para uma fonte pequena em campo livre.

Fonte: cálculo do autor a partir das afirmações publicadas (abaixo de 60 dB a 30 cm; 60 dB a 50 cm). Um recinto real reflete o som, portanto leia as curvas como uma tendência, não como uma previsão.

Leia a seguir:Solução de ruído de bomba Micro DC.

4. Acionamento da bomba peristáltica: configurações PWM que alteram o ruído e a vida útil

Um inversor PWM define a velocidade por meio de seu ciclo de trabalho e define o som do inversor por meio de sua frequência. A orientação do fabricante é começar em 20 kHz e usar 20 a 25 kHz para operação silenciosa; seu pico de eficiência de 60 a 80 por cento é publicado para bombas de diafragma, portanto, meça-o novamente em uma bomba peristáltica ou de engrenagens.

O PWM liga e desliga a tensão de alimentação em uma frequência fixa e varia o tempo de ativação; o motor calcula a média dos pulsos, de modo que a tensão e a potência efetivas aumentam com o serviço. Com serviço de 50 por cento, a tensão efetiva é cerca de metade da alimentação, o serviço e a velocidade são aproximadamente proporcionais e o fluxo segue a velocidade porque uma bomba peristáltica tem deslocamento positivo. Abaixo de um limite de serviço a bomba não arranca - uma zona morta facilmente confundida com uma falha.

A frequência decide o que você ouve. Muito baixo, a unidade geme, pulsa e fornece torque irregular; muito alto e as perdas de comutação aquecem o driver e o núcleo do motor além de aproximadamente 30 a 40 kHz. A perda de cobre é a corrente ao quadrado vezes a resistência, e a resistência aumenta cerca de 0,4% por grau C, portanto, uma bomba mais lenta não é automaticamente uma bomba mais fria.

O lado elétrico é tão importante quanto o lado do controle em uma solução de controle de fluidos de impressão 3D. O MCU de uma impressora fornece cerca de 25 a 40 mA por pino, enquanto bombas pequenas consomem de 100 a 500 mA, portanto, um estágio MOSFET não é opcional. Como o motor da bomba é um indutor, o estágio também precisa de um diodo flyback, um fusível de ramificação e um projeto dimensionado para inrush. O PWM controla a potência média, não a corrente de pico, e não limita um motor parado.

O controle de velocidade PWM funciona da mesma maneira em bombas peristálticas e de engrenagens?

O princípio é idêntico: ambas as famílias são de deslocamento positivo, portanto o fluxo é proporcional à velocidade do eixo e o ciclo de trabalho fornece um ponto de ajuste de fluxo. A carga é diferente. A corrente de uma bomba de engrenagens aumenta acentuadamente com a pressão e a viscosidade, e seu vazamento interno aumenta à medida que o fluido fica mais fino; a carga de uma bomba peristáltica é definida pela pressão contra a qual o tubo oclui, que aumenta à medida que o tubo sofre um conjunto de compressão. Nenhum dos dois deve funcionar em plena carga por padrão: o pico de eficiência fica abaixo da velocidade máxima.

Tabela 3. Sintomas da unidade PWM, causas e a configuração que corrige cada um deles.

Fontes: guia de aplicação PWM do fabricante e guia de correspondência de tensão e corrente da placa principal da impressora.

Leia a seguir:Como o PWM afeta as microbombas.

5. Redução de ruído da bomba de engrenagens

O ruído da engrenagem é tonal e aumenta com a velocidade e a pressão, portanto, a redução do ruído da bomba de engrenagem começa com a desaceleração da bomba e a remoção das condições hidráulicas que a amplificam, e não com a espuma. As bombas de engrenagens deslocam o fluido engrenando as engrenagens dentro de uma cavidade apertada, e a literatura observa que as unidades empurradas para pressões e velocidades mais altas tendem a ser barulhentas e precisam de precauções especiais.

A montagem é a segunda alavanca: o valor de ruído publicado para a bomba de 3 V foi obtido com a bomba sobre uma esponja de 5 cm para absorver o ruído de vibração. Se uma esponja mudar o número, o colchete decide o que o operador ouve. A montagem rígida de metal com metal transforma a bomba em um alto-falante acionado pela estrutura; almofadas de elastômero, um suporte flutuante e um laço flexível de tubo interrompem esse caminho.

A lista de falhas do fabricante é curta e prática, e a Tabela 4 relaciona cada causa com sua contramedida. Três dos cinco são problemas de manutenção e não falhas de projeto, e a tolerância do rotor e do eixo é apontada como a maior fonte individual.

Tabela 4. Causas de ruído publicadas e contramedidas para cada uma.

Fontes: nota de solução de problemas de ruído do fabricante e análise da bomba da impressora; comportamento da bomba de engrenagens de acordo com a referência geral da bomba de engrenagens.

Leia a seguir:Obstruções, bolhas e vazamentos.

6. Manutenção que prolonga a vida útil da bomba de água da impressora 3D

Um calendário supera uma resposta de falha. As orientações publicadas são publicadas semanalmente, mensalmente e trimestralmente, com a troca do consumível em aproximadamente 500 horas ou dois terços da vida útil calculada, o que ocorrer primeiro; A Tabela 5 fornece cada intervalo e a falha que ele remove.

O ambiente em primeiro lugar: a faixa ambiente publicada é de 5 a 45 graus C, e o trabalho contínuo aumenta a temperatura do motor e pode reduzir a vida útil da escova, portanto planeje o fluxo de ar ao redor do motor. Orientação: a tampa da extremidade do motor segura as escovas, a placa de circuito e as conexões, portanto, direcione a tubulação com um laço de gotejamento e posicione a bomba de forma que uma conexão de drenagem não possa drenar para dentro dela.

Em seguida instrumente o loop. O registro do fluxo, da pressão e do ciclo de trabalho por construção transforma a manutenção em uma tendência: a queda do fluxo em serviço constante é um conjunto de compressão do tubo ou um filtro de entupimento, e o aumento da corrente em fluxo constante é um problema de rolamento ou escova.

Tabela 5. Um calendário de manutenção para bombas de impressora e a falha que cada intervalo remove.

Fonte: orientação de manutenção do sistema de fluido do fabricante, ampliada com a faixa ambiente, notas finais e recomendação de registro.

Leia a seguir:Gama de bombas peristálticas.

7. O que verificar antes de especificar

Cinco reivindicações publicadas nesta família não se reconciliam. Cada um deve ser resolvido por escrito antes que a bomba seja incluída na lista de materiais.

Família bomba.Os mesmos números de modelo são descritos como bombas de engrenagem em algumas páginas e bombas peristálticas em outras. Uma bomba peristáltica não possui engrenagens molhadas nem vedação do eixo, portanto ambas não podem estar corretas. O detalhe técnico - corpo de 190 mm, engrenagens internas, tampa escovada, vazamento no desligamento e sem escorvamento automático - acompanha a descrição da engrenagem.

Contagem de ciclos.O mesmo padrão de 5 segundos ligado e 3 segundos desligado é citado como mais de 300.000 ciclos, como uma vida útil testada de 480.000 ciclos e como um teste realizado em até 600.000 ciclos de entrega. Pergunte qual é a classificação, qual é o teto do teste e o que encerrou cada teste.

Tensão definida.Uma página lista 3 V, 5 V e 8 V; outro lista 3 V, 6 V e 12 V para o mesmo modelo. Um driver somente de 5 V não pode atender uma bomba de 6 V, e a diferença altera o conversor e o orçamento do trilho.

Estado consumível.Uma página informa que não há consumíveis de tubulação para substituir; a página do produto descreve o caminho do fluido como um tubo de silicone com comprimento determinado. O intervalo de substituição do tubo é um custo de manutenção, portanto isso altera o custo de propriedade.

Pressão.A mesma bomba é cotada para mais de 30 kPa e não menos que 6 psi, o que equivale a cerca de 41 kPa. Fixe uma unidade e um número na especificação.

Leia a seguir:Tensão da placa-mãe e correspondência de corrente.

8. Um teste de bancada que resolve tudo em dez minutos

A maior parte da incerteza desaparece em uma sessão de bancada. Opere na pressão de trabalho, não no fluxo livre, e registre os três números que definem o ponto de operação: vazão, pressão e serviço.

Varrer o dever.Meça a vazão em 40, 60, 80 e 100 por cento de serviço na pressão de trabalho e observe o serviço abaixo do qual a bomba não inicia mais de forma confiável: sua zona morta.

Repita quando estiver quente.Corra 30 minutos e repita. O fluxo que cai em serviço constante é um tubo que recebe um conjunto de compressão ou um fluido diluído.

Meça o ruído duas vezes.Leia a 30 cm e a 1 m na montagem que pretende enviar. Se a folga não corresponder à Figura 2, a estrutura está irradiando ruído, não a bomba.

Varra a frequência.Execute de 8 a 30 kHz em regime fixo, ouça e verifique a temperatura do driver na configuração escolhida.

Leia a seguir:Especificação da bomba de 24 V.

Principais conclusões

Uma classificação de ciclo não significa nada sem seu padrão de funcionamento: 300.000 ciclos equivalem a 667 horas com 5 s ligado/3 s desligado, mas 2.500 horas com 10 s ligado/20 s desligado.

Uma peça de desgaste decide a vida de cada família: o tubo de uma bomba peristáltica, as engrenagens, os rolamentos e as escovas de uma bomba de engrenagens.

Uma figura em dB precisa de distância, montagem, ponderação e nível de fundo.

O dever PWM define velocidade e fluxo; A frequência PWM decide o que você ouve. Comece em 20 kHz, use 20-25 kHz para operação silenciosa e espere perdas reais de comutação acima de 30-40 kHz.

Picos de eficiência abaixo da velocidade máxima; o fluxo de compras em serviço total que o circuito pode não usar e compensa com calor, ruído e desgaste.

A manutenção é um calendário, não uma reação: verificações semanais, verificação mensal, substituição trimestral do filtro e troca de consumíveis em cerca de 500 horas.

Leia a seguir:Bomba SC2301CPW 24V.

Perguntas frequentes

Quanto tempo dura uma bomba d’água de impressora 3D?

Depende do padrão de serviço e da peça de desgaste, não de uma única classificação. Uma bomba peristáltica em serviço de recarga é limitada pelo seu tubo, publicado em vários meses a um ano; uma bomba de engrenagens é limitada por engrenagens, rolamentos e escovas. Converta qualquer classificação de ciclo em horas usando seu próprio padrão de funcionamento antes de comparar as bombas.

Por que a bomba da minha impressora 3D está tão barulhenta?

Verifique primeiro as causas baratas: a lista do fabricante coloca o funcionamento sem líquido, incrustações, entrada restrita e componentes eletrônicos incompatíveis à frente da falha mecânica e aponta a tolerância do rotor como a maior fonte. Em seguida, verifique a montagem: a figura publicada foi tirada em uma esponja, então um suporte rígido pode fazer uma bomba silenciosa soar alto.

Você pode operar uma bomba peristáltica a seco?

Melhor do que uma bomba de engrenagens, porque não há nada metálico no caminho do fluido e o tubo é a peça de desgaste. As bombas de engrenagens desta classe proíbem o funcionamento a seco além de 20 segundos, porque as engrenagens se desgastam contra a carcaça e abrem as folgas permanentemente. De qualquer forma, prepare antes de começar.

Um ciclo de trabalho PWM mais baixo faz com que a bomba dure mais?

Geralmente sim, até certo ponto. A eficiência atinge o pico abaixo da velocidade máxima e o serviço total adiciona calor, ruído e desgaste sem fluxo útil, portanto, um serviço mais baixo com o mesmo fluxo fornecido é a configuração mais suave, exceto em serviço muito baixo, onde o motor fica em sua zona morta e esfria mal.

Devo substituir o tubo ou a bomba inteira?

Em uma bomba peristáltica, substitua o tubo: é a peça de desgaste, a substituição leva minutos e renova o caminho do fluido. Uma bomba de engrenagens não possui esse consumível, e é por isso que a filtragem de entrada e a escorva são mais importantes nesse projeto.

Qual é a melhor frequência PWM para uma bomba de impressora 3D?

Comece em 20 a 25 kHz, logo acima da faixa audível, o que elimina a maior parte do ruído de comutação. Verifique em vez de assumir: varra de 8 a 30 kHz em serviço fixo, ouça e observe a temperatura do acionador na pressão de trabalho