De tintas de baixa viscosidade a pastas cerâmicas de alta viscosidade: definindo o limite de seleção entre bombas de engrenagens e bombas peristálticas para fluidos especiais de impressão 3D

O limite de manuseio de fluido entre uma bomba de engrenagem e uma bomba peristáltica fica onde um fluido para de fluir sob sucção e começa a precisar de pressão para se mover. Abaixo de aproximadamente 1.000 mPa·s, uma bomba de tubo peristáltico é o padrão mais seguro. Acima de aproximadamente 10.000 mPa·s, uma bomba de engrenagens mantém a pressão e mede sem pulsação. Nesse meio tempo, a compatibilidade do fluido – abrasão, cisalhamento e tamanho das partículas – decide qual bomba sobrevive à tarefa.

Principais conclusões

A faixa de viscosidade dos fluidos especiais de impressão 3D abrange mais de cinco ordens de grandeza: as tintas cerâmicas para jato de tinta são injetadas a 10-40 mPa·s, enquanto as pastas de robocasting publicadas medem de 2 × 10⁵ mPa·s em taxas de cisalhamento de impressão a 2,6 × 10⁷ mPa·s.

Uma bomba de engrenagens veda com o próprio fluido. O deslizamento aumenta à medida que a viscosidade diminui, de modo que as tintas finas perdem a precisão da dosagem, a menos que as folgas sejam apertadas, a pressão diferencial seja mantida baixa e as partículas duras sejam filtradas.

Uma bomba peristáltica veda ocluindo um tubo, de modo que a vedação depende pouco da viscosidade. A pressão é o limite: as bombas tubulares atingem cerca de 3–7 bar, as cabeças dos rolos até 8 bar e as bombas de mangueira tipo sapata cerca de 15 bar.

A adequação do material separa-se mais claramente por abrasão e cisalhamento. As partículas cerâmicas desgastam as pontas e placas das engrenagens, enquanto a peça de desgaste peristáltica é um tubo de baixo custo; tintas sensíveis ao cisalhamento preferem o caminho do tubo de baixo cisalhamento.

Este guia de seleção recomenda bombas peristálticas para fluidos de baixa viscosidade, sensíveis ao cisalhamento ou estéreis, e bombas de engrenagem para serviços de medição de alta viscosidade, alta pressão ou sem pulso.

Que faixa de viscosidade cada tipo de bomba realmente cobre?

As bombas de engrenagens cobrem a mais ampla faixa de viscosidade - a Viking Pump avalia modelos com folga ajustável de 1 a 440.000 cSt - enquanto as bombas de tubo peristáltico cobrem fluidos finos a moderadamente viscosos, e as bombas de mangueira reforçadas se estendem em meios rígidos e carregados de sólidos a pressão mais baixa.

A faixa utilizável é mais estreita do que qualquer folha de dados sugere, porque duas questões se aplicam ao mesmo tempo: o que o fluido faz à bomba (desgaste, corrosão, fadiga do tubo) e o que a bomba faz ao fluido (cisalhamento, pulsação, contaminação). Para um fluido especial de impressão 3D, esse mapeamento se parece com a Tabela 1.

De onde vem o limite de manuseio de fluidos

As duas famílias de bombas utilizam estratégias de vedação opostas. Uma bomba de engrenagens forma três vedações dinâmicas dentro da cabeça da bomba e depende de uma película fluida dentro das folgas para separar a saída de alta pressão da entrada de baixa pressão. Uma bomba peristáltica nunca permite que o fluido alcance uma vedação: rolos ou sapatas comprimem o tubo e o fluido viaja dentro de uma bolsa fechada.

Essa única diferença explica toda a fronteira. A viscosidade domina o comportamento da bomba de engrenagem e quase não afeta a vedação peristáltica; a pressão de descarga é definida pela cabeça da bomba no primeiro caso e pelo tubo no segundo.

Por que as bombas de engrenagens perdem a precisão da dosagem em tintas de baixa viscosidade?

Uma bomba de engrenagens veda uma película fluida dentro de suas próprias folgas. Quando o fluido é fino, uma maior parte dele vaza da saída para a entrada - deslizamento - de modo que o volume fornecido cai abaixo do deslocamento teórico e o erro muda com a pressão diferencial e o desgaste da engrenagem.

A microbomba descreve três áreas de vedação dinâmica em uma bomba de engrenagens: as pontas das engrenagens contra a parede da cavidade, o ponto de engate das duas engrenagens e as superfícies de contato onde as engrenagens encontram o corpo e a tampa da extremidade. As folgas são inevitáveis ​​porque as peças devem se mover, portanto, uma fração do fluido sempre recicla internamente.

O deslizamento não é um número fixo. Piora à medida que a pressão diferencial aumenta, à medida que a viscosidade diminui e à medida que as engrenagens se desgastam. É por isso que duas bombas idênticas podem fornecer volumes diferentes em duas tintas diferentes e é por isso que a curva fluxo versus pressão de uma bomba de engrenagens se curva à medida que a pressão aumenta.

Os fabricantes respondem com uma estratégia de liberação em vez de uma única especificação. A Bomba Viking oferece folgas ajustáveis ​​que cobrem de 1 a 440.000 cSt, de modo que uma família de bombas pode ser construída de forma estanque para líquidos finos ou solta para pastas pesadas. A microbomba usa uma sapata de sucção carregada de pressão que fecha à medida que a pressão diferencial aumenta, mantendo o deslizamento próximo de zero durante a vida útil da engrenagem.

Seguem três regras para tinta de baixa viscosidade. Mantenha a pressão diferencial baixa, porque o escorregamento é acionado pela pressão. Filtre partículas duras até 5 µm, pois o desgaste abre folgas e aumenta permanentemente o deslizamento. E alimente a bomba a partir de uma entrada inundada: as bombas de engrenagem não são autoescorvantes e nunca devem funcionar a seco. Quando essas regras não podem ser cumpridas, uma bomba peristáltica é a escolha de medição mais estável, porque o seu volume deslocado é definido pelo tubo e não por uma folga.

Por que as bombas peristálticas param de funcionar com pasta de alta viscosidade?

Porque o tubo é o vaso de pressão. Uma bomba peristáltica aumenta a pressão apertando uma mangueira ou tubo, de modo que a pressão de descarga que ela pode atingir é limitada pela resistência e pela vida útil em fadiga desse tubo, e não pelo fluido.

As duas classes peristálticas possuem tetos diferentes. As bombas tubulares de precisão são construídas para baixa pressão e dosagem: a Verderflex Ds500 fornece até 30 L/h a uma pressão máxima de descarga de 7 bar, e a linha Microdos OEM é classificada para 3 bar. As bombas de mangueira reforçada vão além - a Verderflex Dura atinge 55.000 L/h e até 16 bar, com precisão de dosagem de ±1% e altura de sucção de 9,5 m. O design da cabeça da bomba define o resto: as cabeças dos rolos suportam pressões de até 8 bar, enquanto as cabeças das sapatas distribuem a carga por uma área maior e são preferidas para pressões mais altas, até cerca de 15 bar, e para líquidos mais viscosos.

O bombeamento de material viscoso também sobrecarrega a fase de sucção. Uma bomba peristáltica extrai fluido quando a mangueira comprimida retorna; uma pasta com tensão de escoamento resiste a essa recuperação e pode cavitar em vez de encher o tubo. O serviço de alta viscosidade, portanto, precisa de uma alimentação inundada ou pressurizada em vez de uma altura de sucção, mesmo que a bomba seja autoescorvante facilmente em fluidos finos.

O último limite é o próprio tubo. As mangueiras peristálticas falham devido à fadiga de sua camada de reforço e o fluxo diminui à medida que o tubo envelhece. A orientação de seleção do AxFlow é superdimensionar a bomba e operá-la mais lentamente, o que aumenta a vida útil do tubo ao custo de uma cabeça de bomba maior. Quando o bico precisa de mais pressão do que o tubo pode suportar, nenhuma opção peristáltica se aplica: a extrusão da pasta se move para uma extrusora de deslocamento positivo alimentada por um aríete ou pistão, onde o torque, em vez da força do tubo, gera a pressão.

Como a compatibilidade de fluidos decide entre os dois tipos de bomba?

A sensibilidade à abrasão e ao cisalhamento puxam em direções opostas. Partículas de cerâmica dura destroem as bombas de engrenagens com folgas estreitas, mas desgastam apenas o tubo peristáltico; tintas sensíveis ao cisalhamento sobrevivem a uma bomba peristáltica, mas podem ser danificadas dentro das folgas de uma bomba de engrenagem.

O pó cerâmico é duro, e é por isso que a Micropump recomenda filtração tão fina quanto 5 µm onde quer que as partículas sejam duras: essas partículas aceleram o desgaste dentro de uma bomba de engrenagens. Uma tinta de robocasting é formulada com mais de 40% em volume de pó cerâmico, com tamanhos de partículas muito acima da classificação do filtro, portanto, uma bomba de engrenagens de precisão não pode ser protegida nessa tarefa sem trocar a tinta. Onde as bombas de engrenagens são usadas hoje em cerâmica, elas circulam tinta fina em escala de pigmentos para os cabeçotes de impressão das impressoras digitais de ladrilhos, e os fornecedores especificam materiais de bomba resistentes à abrasão exatamente por esse motivo.

Cisalhamento é o segundo eixo. As bombas peristálticas são descritas por seus fornecedores como de baixo cisalhamento, porque o fluido é empurrado através de um tubo em vez de ser forçado através de espaços estreitos – um requisito para polímeros sensíveis ao cisalhamento, géis e biotintas carregadas de células. Uma bomba de engrenagens expõe o fluido a alto cisalhamento nas pontas das engrenagens e na malha, o que é aceitável para tintas e pastas pigmentadas, mas arriscado para sistemas sensíveis ao cisalhamento.

O controle de contaminação é o terceiro. Em uma bomba peristáltica, o fluido entra em contato apenas com o tubo, de modo que a contaminação cruzada é eliminada e um caminho de fluido de uso único se torna possível – razão pela qual as bombas peristálticas dominam o manuseio de líquidos estéreis. Uma bomba de engrenagens expõe o fluido às engrenagens, placas e vedações, portanto, a validação de limpeza, o volume morto e a compatibilidade de materiais tornam-se parte do projeto.

A temperatura define a janela prática. A Verderflex classifica os tubos Verderprene de +10 grau a +85 grau e o silicone curado com platina de -20 grau a +80 grau com aprovação USP Classe VI e desaconselha o bombeamento de líquidos acima de 85 graus. As bombas de engrenagens, com peças molhadas disponíveis em aço inoxidável, PTFE, Ryton ou PEEK, não são limitadas pelo limite elástico do tubo.

Bomba de engrenagens vs bomba peristáltica: uma comparação direta do tipo de bomba

De plantão, a divisão está limpa. As bombas peristálticas vencem em caminhos de fluido autoescorvantes, funcionamento a seco, baixo cisalhamento e uso único. As bombas de engrenagens ganham em pressão, fluxo livre de pulso e estabilidade de dosagem em meios espessos e com alto teor de sólidos.

Em um sistema especial de impressão 3D, os dois tipos de bombas são frequentemente combinados, em vez de escolhidos entre eles. Uma bomba peristáltica dosa ou recircula o fluido do reservatório, porque lida facilmente com sucção, sólidos e contaminação, enquanto uma bomba de engrenagem fornece a pressão e o fluxo sem pulso que o bico ou o cabeçote de impressão precisam. A questão limite passa então a ser qual bomba possui a função de medição.

Onde o fluido é fino e a tolerância de dosagem é moderada, a bomba peristáltica deve possuí-lo. Onde o fluido for espesso, abrasivo ou precisar ser fornecido sob pressão para um pequeno orifício, a bomba de engrenagens deverá possuí-lo - e qualquer bomba peristáltica no circuito deverá ser tratada como uma bomba de alimentação.

Quais propriedades do fluido além da viscosidade movem a fronteira?

A tensão de escoamento, a carga de sólidos, o tamanho e a forma das partículas, a temperatura, a tixotropia e o ciclo de trabalho, todos movem o limite utilizável - às vezes por uma ordem de grandeza em qualquer direção.

Como devo configurar o caminho do fluido para cada tipo de bomba?

Caracterize o fluido na temperatura de impressão e na taxa de cisalhamento que a bomba verá, fixe o ponto de operação e escolha a bomba que satisfaça ambos. Dez etapas abrangem a maioria dos fluidos especiais de impressão 3D.

Meça a viscosidade aparente em mais de uma taxa de cisalhamento, na temperatura que o fluido atingirá na bomba. Use um método rotacional para materiais não newtonianos (ISO 3219-2, ASTM D2196) e um método de alto cisalhamento de cone e placa onde o fluido passa por um pequeno orifício (ASTM D4287). Um copo de fluxo (ISO 2431) é adequado apenas para verificações rápidas no chão de fábrica de tintas quase newtonianas.

Converta unidades antes de comparar catálogos. A viscosidade cinemática e dinâmica estão ligadas pela gravidade específica: cSt × gravidade específica=cP e cP ÷ gravidade específica=cSt.

Fixe o ponto de funcionamento: vazão necessária, pressão necessária no bico ou cabeçote de impressão e as condições ao redor do reservatório.

Aplique as regras de limite em ordem: primeiro a faixa de viscosidade, depois a abrasão, o cisalhamento e a esterilidade. A Tabela 1 é o ponto de partida.

Para uma bomba peristáltica, dimensione acima do ponto de operação e opere mais lentamente; a vida útil do tubo aumenta à medida que a velocidade do rotor diminui.

Onde uma bomba peristáltica alimenta um bocal, instale um amortecedor de pulsação; uma taxa de fluxo uniforme e constante protege os componentes a jusante.

Para uma bomba de engrenagens, projete uma entrada inundada e nunca a deixe secar. Adicione um caminho de alívio, pois o escorregamento e a pressão do sistema mudam com qualquer restrição a jusante.

Especifique a filtragem pela dureza das partículas - 5 µm para partículas duras, e mais grossa apenas onde as partículas são macias - e confirme se os sólidos da própria tinta ficam abaixo do limite.

Selecione o composto do tubo ou mangueira de acordo com os requisitos químicos, de temperatura e regulatórios, e lembre-se do teto prático de 85 graus.

Calibre no cabeçote de impressão, e não na saída da bomba, e verifique novamente à medida que o tubo envelhece, pois o fluxo peristáltico diminui com a fadiga do tubo.

Qual bomba você deve escolher para o seu fluido de impressão 3D?

Escolha peristáltico para fluidos finos, sensíveis ao cisalhamento ou estéreis com pressão moderada, e equipamento para serviços espessos, abrasivos ou de alta pressão. Cinco regras resolvem a maioria dos casos.

Menos de 1.000 mPa·s sem sólidos abrasivos e pressão moderada: bomba de tubo peristáltico. Ele mede o volume do tubo, tolera bem fluidos finos e mantém o fluido dentro do tubo.

Menos de 1.000 mPa·s, mas o fluido deve ser injetado em um cabeçote de impressão sob pressão: bomba de engrenagens com folga estanque com filtração de 5 µm, baixa pressão diferencial e calibração gravimétrica.

Entre 1.000 e 10.000 mPa·s com sólidos moles ou dissolvidos: bomba de engrenagens, porque a viscosidade agora veda as folgas e o fluxo livre de pulso melhora a deposição.

Acima de 10.000 mPa·s com partículas cerâmicas duras: bomba de engrenagens somente se o projeto tolerar desgaste e alimentação inundada; caso contrário, uma extrusora de deslocamento positivo com alimentação forçada, uma vez que as bombas tubulares estão fora de sua faixa de pressão.

Estéril, de uso único ou crítica para contaminação cruzada: bomba peristáltica com tubulação USP Classe VI, em qualquer viscosidade dentro da classificação de pressão do tubo.

Se você estiver especificando o caminho do fluido para extrusão de pasta ou jateamento de material, nossos engenheiros poderão analisar a escolha da bomba, o arranjo de alimentação e a interface do cabeçote de impressão em relação aos dados do fluido. Compartilhe a curva de reologia e o ponto de serviço através do nossoServiço de impressão 3Dpágina ousolicite um orçamento, e confirmaremos qual tipo de bomba deve possuir a função de medição.

Perguntas frequentes

Uma bomba peristáltica pode lidar com pasta cerâmica?

Dentro dos limites. As bombas de mangueira movem meios rígidos e carregados de sólidos, mas apenas na pressão que a mangueira pode suportar - os modelos Verderflex Dura de gama média atingem 12 bar e passam partículas até 2,5 mm. Uma bomba de tubo de precisão é um caso diferente: a pasta de robocasting com alto teor de sólidos precisa de mais pressão do que o tubo pode fornecer, portanto, a extrusão de pasta normalmente usa um aríete ou alimentação de pistão.

Uma bomba de engrenagens pode lidar com tinta de baixa viscosidade?

Sim, mas a precisão depende do design. O deslizamento aumenta à medida que a viscosidade cai, portanto especifique folgas apertadas, mantenha a pressão diferencial baixa e filtre partículas duras até 5 µm. Espere calibrar na cabeça de impressão em vez de confiar no valor teórico do deslocamento.

Qual viscosidade é muito alta para uma bomba peristáltica?

Não existe um número único, porque o limite real é a pressão e não a viscosidade. Uma bomba tubular classificada para 3–7 bar deixa de ser prática quando o fluido precisa de mais pressão para se mover do que o tubo pode suportar. A pasta cerâmica rígida na classe de 10⁵ mPa·s está além das bombas tubulares, e as bombas peristálticas lidam com ela apenas com vazão reduzida.

Qual bomba é melhor para pastas cerâmicas abrasivas?

Uma mangueira peristáltica ou bomba tubular, porque a única peça de desgaste é a mangueira ou o tubo e ela é substituída rotineiramente - nenhuma folga precisa ser mantida. As bombas de engrenagens podem operar fluidos abrasivos, mas o desgaste abre folgas e aumenta permanentemente o deslizamento, razão pela qual a filtragem de 5 µm é recomendada para partículas duras.

Como posso medir a viscosidade para seleção da bomba?

Use um reômetro rotacional ou viscosímetro para fluidos não newtonianos (ISO 3219-2, ASTM D2196), um método de alto cisalhamento de cone e placa onde o fluido passa por um pequeno orifício (ASTM D4287) e um copo de fluxo (ISO 2431) apenas para comparações rápidas de tintas quase newtonianas. Sempre informe a temperatura e a taxa de cisalhamento junto com o valor.

As bombas de engrenagens danificam fluidos sensíveis ao cisalhamento?

Eles podem. O fluido que passa pelas folgas e pela malha da engrenagem apresenta alto cisalhamento, razão pela qual as bombas peristálticas são recomendadas para produtos sensíveis ao cisalhamento, como géis, polímeros e culturas celulares. Para tintas pigmentadas e pastas cerâmicas, esse cisalhamento não é um problema.

Resultado final

A fronteira entre as bombas de engrenagens e as bombas peristálticas é uma fronteira de pressão expressa em termos de viscosidade: as bombas peristálticas vedam mecanicamente, mas não podem desenvolver alta pressão, enquanto as bombas de engrenagens desenvolvem pressão, mas vedam apenas tanto quanto o fluido permite. Combine a viscosidade, a abrasão e o cisalhamento com essas restrições e, em seguida, verifique com uma execução de calibração no cabeçote de impressão.