パラメーターから実践まで: 3D プリンターに最適なマイクロ ウォーター ポンプを正確に選択する方法

3D プリンター用のマイクロ ポンプを選択するには、電圧、電流、流量、圧力と吸引、騒音、寿命という 6 つの数値を一定の順序で読み取る必要があります。電圧は、ポンプがマシンから動作できるかどうかを決定します。残りの 5 つは、どれだけうまく機能するか、またどれくらいの頻度でそれを触るかを決定します。

ここでケースとして使用されている 2 つのポンプは、地面の大部分をカバーしています。 SC2601RPW は、6 V ～ 12 V のマシン用のペリスタルティック ポンプで、定格 100 ～ 300 mL/min、圧力 120 kPa 以上、吸引力 60 kPa 以上、30 cm で 50 dB 未満、1,000 時間の寿命テストを行っています。 SC2301CPWは、定格100mL/min以上、40～150kPaの24Vギアポンプです。これらを並べて読むことは、実際に購入を決定するパラメータと、決定的にしか見えないパラメータを確認する最も早い方法です。

6 つのパラメータと、それぞれが答える質問

ポンプのデータシートにあるすべての仕様は 1 つの質問に正確に答えますが、それぞれの質問にはさまざまな種類の不確実性が残されています。

そのため、数字の表を上から下に読むと、誤ったポンプが生成されることがよくあります。コツは、各図をすでに持っている質問に対する答えとして扱うことです。

6 つのパラメータ、それぞれが答える質問、およびそれが残すギャップ

電圧と電流: ポンプを手持ちのレールに適合させる

ポンプをプリンタがすでに供給しているレールに合わせて、スイッチを切り替えるチャネルに電流を流すことができることを確認します。

3D プリンターでは 4 つのレールのうちの 1 つを意味し、それぞれに見逃しやすいキャッチが付いています。

3 V ～ 24 V のプリンタ レー​​ルと、それぞれが実際に駆動できるもの

高電圧バージョンが自動的に強化されない理由

24 V バージョンを購入しても、圧力や流量が増えるわけではありません。同じ電力に対してより低い電流を購入します。

この 1 つの文で、ほとんどの電圧ミスを防ぐことができます。電力が等しい場合、供給電圧を上げるとモーターが消費する電流が低下します。そのため、モデルの大型の 24 V バージョンでは、12 V の兄弟モデルよりも電流値が小さくなることがよくあります。メーカー独自の比較では、同じポンプ動作において、ダイヤフラム ポンプの 1 つでは 12 V バージョンの定格が 800 mA 未満であるのに対し、24 V バージョンの定格は 300 mA 未満であることがわかります。

実際の影響は、油圧ではなく配線に関するものです。電流が低いということは、ケーブルが細くなり、長期稼働時の電圧降下が少なくなり、密閉された機械内部の熱が少なくなることを意味します。マシンにすでに 24 V レールが装備されている場合は、24 V ポンプを使用するのが簡単です。 12 V レールがある場合、12 V ポンプはコストがかかり、スイッチング ノイズを同じエンクロージャ内に放射するコンバータを回避します。

現在: データシートでは実行できない算術演算

ブラシ付きポンプ モーターは安定した抵抗負荷ではないため、チャネルが切り替える必要があるものを合計し、その合計を定格より十分に下回るようにしてください。

2 つのケースを考えてみましょう。 SC2601RPW は 6 V で 200 mA 未満、12 V では 320 mA 未満を消費するため、12 V バージョンは約 3.8 W で動作します。SC2301CPW は 24 V で 200 mA 未満を消費し、これは 5 W 未満です。両方とも、単一のメインボード MOSFET チャネルが通常処理する範囲内にありますが、インストールが動作するかどうかは 3 つの詳細によって決まります。

ヘッドルームを残しておきます。定格の半分でポンプを駆動するチャネルは低温で動作します。定格の 90% で駆動するものは、ボード上の他のすべてのものとヒートシンクを共有します。

立ち上がりのスパイクが予想されます。ブラシ付きモーターは最初の数秒間で定格電流の数倍を消費し、ヒーターやファンによってすでに負荷がかかっている電源は、ボードをリセットするのに十分なほど低下する可能性があります。

帰りの経路は別にしておいてください。サーミスタや ADC 入力とグランドを共有するのではなく、ポンプのグランドを電源に戻し、MOSFET がポンプを切り替えるときにフライバック ダイオードを取り付けます。

流量: 定格からループが実際に確認する値まで

作業に必要な流体に合わせてポンプのサイズを決定し、配管によって追加される圧力をカバーするのに十分なマージンを確保してください。

需要側から始めます。冷却剤ループ、注入ジョブ、および真空器具はすべて、それぞれのニーズを異なる形で表現します。そのため、同じ流量定格でも、あるビルドでは十分に見え、別のビルドでは限界があるように見えることがあります。

仕事に流れを合わせるのではなく、仕事を流れに合わせる

機械内の流量を測定する

戻りラインを外し、メスシリンダーに正確に 60 秒間流し、体積を読み取ります。収集したミリリットルが、ループが実際に供給する 1 分あたりのミリリットルです。

ポンプのせいにする前に、その数値を定格と比較してください。正しくプライミングされたループは通常、公表されている数値の約 70 ～ 90% 以内に収まりますが、その差はチューブの長さ、継手、フィルター、コールド ブロックによって異なります。測定された流量が大幅に不足している場合は、より大きなポンプを探す前に、吸込側の空気漏れやコールドプレートの部分的な詰まりを探してください。

圧力と吸引: ループが実行されるかどうかを決定するペア

圧力によって流体がループ内を移動し、吸引によってリザーバーを配置できる場所が決まります。

2 つのケースはまったく異なる点にあります。 SC2601RPW の定格圧力は 120 kPa 以上、つまり 1.2 bar または約 17.4 psi、吸引力は 60 kPa 以上で、理論上は水を約 6 メートル持ち上げるのに十分です。 SC2301CPW は 40 ～ 150 kPa で動作します。どちらの図も通常のプリンター ループの制約ではありません。通常のプリンター ループでは、チューブ、フィッティング、フィルター、ブロックを合わせると数 kPa ～数十 kPa になります。

リザーバーを機械の下に設置する必要がある場合

描画能力は小型プリンタのレイアウトを決定するパラメータであり、発見が遅れてしまうことが最も多いパラメータです。

60 kPa 以上の吸引力を持つ自吸ポンプは、床に置かれたボトルから冷却剤を引き上げ、新鮮なラインから空気を除去します。この定格のないポンプは、入口を水で満たす必要があります。リザーバーはポンプの上にあり、ラインは手動で 1 回呼び水されます。抽象的にはどちらの配置も優れているわけではありませんが、2 番目の配置はマシンの設計に制約を与えるため、シャーシを描く前にどちらを購入するかを確認する価値があります。

液が濃い場合

粘性流体または充填流体の場合、ポンプが動作に耐えられるかどうかを決定するのは、流量定格ではなく圧力上限です。

粘度の高い流体は変形するほど流れないため、狭いラインに流体を押し込むのに必要な圧力が急速に上昇します。定格 150 kPa のポンプは、容量が正であるため、抵抗が増大しても体積出力を維持します。圧力限界近くでポンプが動作すると、モーターの速度が低下し、その差が熱に変換されるだけです。ペーストまたはスラリーが計画の一部である場合は、より高い圧力上限を持つモデルを選択し、流量図を約束ではなく検証対象として扱います。

ノイズ: 比較する前に距離を正規化します。

雑音指数は距離がなければ意味がありません。そのため、両方のポンプを同じ基準点に変換すると、比較が簡単になります。

小さな音源からの音は、距離が 2 倍になるたびに約 6 dB 低下します。これは、公表されている 2 つの数値を直接比較するのに十分な計算量です。

共通の距離を参照した同じ 2 つの図形

出典: メーカーのノイズデータ。自由音場における音の逆二乗の法則。

2 台のポンプの距離は 1 メートルあたり約 14 dB で、これは小さな差ではありません。これは、静かなマシンと隣の部屋から聞こえるマシンとの間の差です。この比較を正直に保つためには、2 つの注意点があります。計算では自由磁場を想定しており、反射壁のあるエンクロージャにボルトで固定されたポンプは異なる動作をします。また、同じ取り付けが前提となっており、剛性の高い取り付けでは、ポンプ自体の設計が寄与する以上に測定レベルが増加する可能性があります。

流れとノイズのバランスをとる

静かなポンプがフルスピードで供給するよりも多くの流量がビルドに必要な場合、答えは通常、小さなポンプを全速力で運転するのではなく、大きなポンプをゆっくりと運転することです。

速度は、マイクロ ポンプの主要なノイズ変数です。メーカーは、動作速度に応じてノイズが増加すると説明しており、その蠕動範囲はモデル ライン全体でおよそ 30 ～ 50 dB であると見積もられています。また、フルスピードの 60 ～ 80% での実行が効率のピークとなる傾向があるため、多くの場合、静かな設定も効率的です。その後、2つのスケジュール変更が続きます。

流量に余裕のあるモデルを選択し、PWM でダイヤルバックします。 SC2601RPW の 100 ～ 300 mL/min バンドと SC2301CPW の 100 mL/min フロアはどちらも、どちらのポンプも限界で動作させずにこれを実行できる余地を残しています。

より低い供給電圧で静かに追い求めないでください。 12 V ポンプの電圧を 6 V に下げると、モーターが設計点から外れ、ノイズが実質的に増加しないため、流量の制御が難しくなります。

寿命: テスト時間からサービスプランまで

寿命の数値はテスト期間であり、保証ではないため、マシンが実際に動作する時間に換算してください。

SC2601RPW には 1,000 時間の寿命テストが実施されています。それが何を意味するかは、プリンターの使用方法によって完全に異なります。

1,000 時間を暦時間に換算した数字

出典: メーカーの寿命試験データ。最も近い実用的な間隔に四捨五入された算術。

最初に着るもの

ペリスタルティックポンプでは、チューブは消耗品ですが、モーターは消耗品ではありません。ギアポンプでは、ギア面とベアリングが流体によって許容される摩耗を受けます。

この違いによって、何を在庫に置いておくかが決まります。蠕動チューブは警告を発します。感触が柔らかく、ローラーの下で平らになり、故障する前に流れが漂い始めます。交換の費用はほとんどかかりません。ギアポンプにはそのような消耗品がありません。これは、流体が研磨性充填剤を運ぶまでは利点であり、その時点でポンプを効率的にするクリアランスが最初に必要になります。いずれにせよ、ポンプヘッドの後ろにあるモーターは通常長寿命の部品であり、小型ポンプモーターの定格は一般に、過酷な使用で数百時間から、穏やかで十分にフィルターをかけた使用で数千時間です。

何が数字を短くするのか

4 つの条件により、現場での寿命テストの結果が短くなり、4 つすべては不運ではなく設計上の決定です。空運転を行うと、ポンプヘッドを潤滑し冷却する膜が除去されます。熱によりモーターの巻線が老化し、チューブが柔らかくなります。粒子が隙間を削ります。また、停止と始動のサイクルを繰り返すと、同じ時間の定常運転よりもモーターに大きなストレスがかかります。そのため、断続的な投与作業では、連続循環よりも早くポンプが消耗する可能性があります。

2 つのビルド、2 つの答え

2 つのケースを並べると、流量ではなく電圧、吸引力、圧力によって明確に分離されます。

どちらのポンプも同じ量の水を移動させます。重要な違いは、機械にすでにレールがあるかどうか、リザーバーがポンプの上に設置できるかどうか、および流体が押されるのにどれだけ抵抗するかです。

2 つのケースを並べて、それらを分けるパラメータについて

出典: 両モデルのメーカー製品データ。

ケース 1: フレームの下にリザーバーを備えた 12 V マシン

このビルドでは、レールが存在し、リザーバーが低い位置にあり、プリンターが寝室に設置されているため、SC2601RPW 12 V バージョンを採用しています。

リザーバーはフレームの下の棚にあるボトルであるため、ポンプは最初の充填時に独自の冷却剤を持ち上げて、新しいラインから空気を除去する必要があります。これはまさに 60 kPa の吸引力の目的です。このマシンは、ポンプの帯域内で 20 ～ 50 mL/min を必要とするシングルホットエンド設定であるため、ポンプはフルスピードではなく低デューティで動作します。これは、ポンプを静かに保つ設定でもあります。騒音指数は配置を裏付けています。30 cm で 50 dB 未満は、部屋を共有するステッピング モーターよりも低い 1 メートルでは約 40 dB になります。 1 日 3 時間の場合、1,000 時間のテストは約 11 か月分の印刷に相当するため、予備のチューブを棚に置いて、流れが漂い始めたときにチェックするという計画です。

ケース 2: 濃厚な冷却剤を使用した 24 V マシン

このビルドでは SC2301CPW を使用します。これは、マシンがすでに 24 V レールを実行しており、ループが吸引ではなく圧力ヘッドルームを必要とするためです。

マシンにはホットエンドの横にレーザー コールド プレートが搭載されており、冷却剤はグリコール混合物で、これを動かすのに必要な圧力を上げることができます。ポンプの 40 ～ 150 kPa 範囲は快適にカバーしており、24 V ユニットであるため、コンバータやエンクロージャ内での余分なスイッチング ノイズもなく、既存のレールからぶら下がっています。自吸式ではないため、リザーバーはポンプの上にあり、最初の充填時にラインに一度呼び水が行われます。モーターは空冷されているため、ポンプ本体は加熱されたチャンバーの外側にあります。 24 V での消費電流が低いことは、それを選択する理由というよりもむしろ利点です。配線が細くなり、基板のチャネルが低温に保たれます。

データシートでは答えられない 3 つの質問

3 つの要素はポンプではなく機械の特性であるため、最も高価な選択ミスの一部はパラメータのチェック後に発生します。

ループにどれくらいの抵抗が追加されますか?チューブの長さ、継手、フィルター、コールド ブロックの組み合わせにより、ポンプが動作する圧力が決まります。それらを推定し、最初のビルド時の圧力測定値で確認します。

ポンプの周囲はどうなるでしょうか？ SC2601RPW の定格温度は 0 ～ 50 度、相対湿度 75% です。これはほとんどのプリンタにとって快適ですが、加熱された室内では快適ではありません。ポンプをどこに設置するかは、エンクロージャをレイアウトする人によって後で決定されることがよくあります。

実際のデューティサイクルは何ですか?数分ごとに 10 秒間投与するマシンと、8 時間連続循環するマシンは、合計時間が同じように見えても、同じ用途ではありません。義務によって、メンテナンス間隔と騒音バジェットの両方が決まります。

よくある質問

2 つのポンプ データシートを公平に比較​​するにはどうすればよいですか?

最初に順序を固定します。電圧、電流、流量、圧力と吸引、騒音、寿命の順です。電圧は機械が動力を供給できないポンプを排除し、吸引はリザーバーから汲み上げることができないポンプを排除し、残りのパラメーターは残っているものをランク付けします。まずヘッドラインの流量数値を比較すると、互換性のない 2 つのポンプがどのようにして同じ候補リストに入るのかがわかります。

高電圧ポンプはより多くの流量または圧力を生成しますか?

それ自体ではありません。電圧は特定の機械設計のモーターの速度と電流を設定しますが、電圧が圧力を加えたり、ポンプを本質的に強力にしたりすることはありません。同じ電力では、高電圧バージョンの方が消費電流が少なくなります。そのため、すでに 24 V レール、長いケーブル配線、またはバッテリ電源を備えているマシンでは 24 V ユニットが推奨されます。

流量定格が大きいほど常に優れているのでしょうか?

いいえ。ループが必要とするポンプの定格をはるかに上回る定格のポンプは、低デューティまたはスロットルで動作します。追加のヘッドルームは、PWM でポンプをダイヤルバックする場合にのみ役に立ちます。さらに重要なことは、チューブ、継手、フィルター、コールドブロックを経た後の測定流量が、作業に必要な熱または線量を依然としてカバーしていることです。

異なる距離で測定された雑音指数を比較するにはどうすればよいですか?

同じ距離を参照してください。小さな音源からの音は距離が 2 倍になるごとに約 6 dB 低下するため、50 cm での 60 dB は 30 cm で約 64 dB、30 cm での 50 dB は 1 メートルで約 40 dB になります。両方の数値が同じ距離にあると、ここでの 2 つのケースの差は約 14 dB となり、これは認識できる有用なマージンです。

3Dプリンターのマイクロポンプの寿命はどれくらいなのでしょうか？

公表されたライフ数値をテスト期間として扱い、それを実行する義務に換算します。 1,000 時間のテストは、1 日 3 時間のテストで約 11 か月、24 時間循環で約 6 週間かかるため、同じポンプが機械によっては備品または消耗品になる可能性があります。ペリスタルティックポンプでは、チューブが交換部品となります。ギアポンプでは、流体の清浄度がクリアランスを保護します。

これであなたはどこへ行くのか

パラメーターが出力される順序ではなく、パラメーターが到着する順序で選択します。まず電圧です。ポンプが動作できるかどうかは電圧によって決まります。現在の 2 番目は、ポンプの配線方法を決定するためです。 3 番目と 4 番目の流れと圧力は、ループが満たさなければならない 2 つの数値であるためです。騒音と寿命は、他のすべてのものとトレードするパラメータであるため、長持ちします。ここでの 2 つのケースは、そのトレードがどのように異なる結果をもたらすかを示しています。リザーバーが低い小型の 6 ～ 12 V マシンではより静かなポンプが勝ち、レールがすでに存在し、流体が押されるのに抵抗する場合は 24 V ギア ポンプが勝ちます。

あなたのマシンが何を実行しているのか教えてください。レール電圧、ループ長、流体を共有していただき、チューブや動作点など、2 つのケースのどちらがお客様のビルドに適合するかを確認します。パラメータレビューとサンプルをリクエストする