Так закалялась сталь, или занимательная реология

Недавно я уже писал про наши приключения с металлическими соплами. К сожалению, на этом приключениям было не суждено закончиться, потому что мы не учли некоторые особенности динамики жидкого пластика в сопле. А могли бы, потому что nophead писал о них довольно давно, но этот постинг с описанием этих тонкостей я нашел довольно поздно.

Полностью теория и некоторая сопутствующая математика впервые изложены nophead по ссылке выше, здесь же я представлю вашему вниманию краткий пересказ для не владеющих языком. Итак, представьте себе вертикально стоящую трубу, близкую внутренним диаметром к диаметру пластикового стержня, который толкает вниз ваш двигатель. Нагрейте нижний конец трубы до температуры расплавления пластика в полную жидкость, после которой жидче он уже не будет. Охладите верхний конец до температуры затвердевания пластика.

Схема состояния пластика в стволе

Схема состояния пластика в стволе

В случае веществ не имеющего температуры стеклования, например металлов, стержень перейдет из жидкой фазы в твердую мгновенно, и по мере опускания стержня вниз, поднимающийся вверх расплав дойдет до места в стержне где сможет отдать стенкам достаточно тепла, чтобы затвердеть обратно. На стержне образуется постоянно возобновляемая твердая пробка очень небольшой толщины,1 которая будет толкать расплав вниз и создавать в нижней части трубы давление, и если там маленькая дырочка внизу, то расплав из нее вытечет, никуда не денется. Так собственно и работает эффект поршня, без которого мы бы печатать не смогли.

Но большинство пластиков имеют температуру стеклования — некую температуру, выше которой они еще не жидкие, но уже далеко не твердые, на которой вязкость вещества нелинейно меняется. В результате, вышеупомянутая пробка будет не короче чем промежуток на трубе, в котором температура пластика находится между температурой стеклования и температурой плавления. В этом месте, под давлением вязкое вещество расползается во все стороны, как жидкость — но не течет вдоль стенок, как текла бы жидкость, а трется об них, как твердое тело.

Неочевидно, но основное сопротивление проталкиванию прутка внутрь создает все-таки не тоненькая дырочка жиклера на конце, а именно вот эта вот самая пробка, которая легко может привести к тому, что он застрянет там так плотно, что его можно будет оттуда разве что высверлить. Сопротивление дырочки по сравнению с этим относительно невелико.2 При этом, пробка имеет тенденцию расти, поскольку теплопроводность самого пластика не равна нулю. Чем медленнее мы наращиваем давление и чем медленнее давим струну, тем больше у пробки возможностей забраться по стволу вверх. Эффект обладает положительной обратной связью — чем выше залезла пробка, тем больше она оказывает сопротивления, тем сложнее нам продавить пруток внутрь, тем на меньшую дистанцию он войдет в ствол по факту, тем выше заберется пробка, и так пока всю конструкцию не закупорит насмерть.

В результате, на наших скоростях печати, латунные сопла описанные ранее и их производные работают в общей сложности от трех до пяти часов, после чего медленно вползающая наверх пробка в конце концов напарывается на обратную связь — сила потребная чтобы протолкнуть пруток вниз превышает прочность пластика и мотор просто стесывает его.

Для того, чтобы этого не происходило, промежуток на стволе сопла занятый температурным перепадом с температуры плавления до температуры стеклования должен стремиться к нулю. Мы долго пробовали и так и эдак, но в конце концов пришли к выводу что сделать ствол сопла из латуни для работы на скоростях в районе 6 мм/с невозможно — ее теплопроводность слишком высока. Даже просто сделать ствол из нержавеющей стали оказалось недостаточно — его потребовалось расточить изнутри на конус, с тем чтобы трение пробки об поверхность не приводило к застреванию его там насмерть.

Как вы понимаете, никаких шансов это сделать из цельного куска стали нет, поэтому пришлось делать ствол отдельно, жиклер отдельно. Вольф попытался выточить нагреватель и жиклер из алюминия единым блоком, но от этой идеи мы также отказались — тонкие отверстия в алюминии получаются неровными, рваными, и давят не очень. В конце концов была выработана следующая конструкция:

Ствол сопла. Выполняется из стального болта.

Ствол сопла. Выполняется из стального болта.

Жиклер изготовлен из латуни, как материала хорошо поддающегося обработке — и в отличие от прочих элементов, ему надо быть очень горячим.

Жиклер. Выполняется из латунного прутка.

Жиклер. Выполняется из латунного прутка.

Нагреватель сделан из алюминия, из соображений малой теплоемкости и высокой теплопроводности — он быстро нагревается до нужной температуры и так же быстро остывает. Нагреватель наворачивается на ствол из стального болта, а снизу в него вворачивается латунный жиклер.

Нагревательный элемент. В дырки вставляются круглые резисторы и датчик.

Нагревательный элемент. В дырки вставляются круглые резисторы и датчик.

Основные проблемы в этой конструкции доставляет сверление стальных болтов вдоль их оси, что труднее чем некоторым кажется3 и расточка канала внутри болта на острый конус. По идее, для этого существует специальный инструмент, называемый на русском языке “развертка”. Однако, в крупных магазинах инструмента про такую штуку в лучшем случае слышали, а на различного рода рынках, хотя развертки и встречаются, найти подходящий калибр нам так и не удалось.4 В попытках рассверлить этот конус геройски погибло несколько надфилей, и удастся ли нам повторить фокус без развертки — пока не ясно.

Сопло из трех материалов в работе

Сопло из трех материалов в работе

Помогло ли?… Ну вот, оно печатает, я жду, не услышу ли я опять этот противный, постепенно учащающийся стук пропускающего шаги мотора, шестой час работы, полет нормальный… Один раз это уже случилось, но в этот раз, судя по всему, причиной было не застревание прутка в стволе, а постепенное засорение нагаром слишком длинного канала в латунном жиклере и сама длинна этого канала. Извлечь пруток из ствола удалось не применяя дрель, а вот жиклер пришлось распилить пополам, чтобы понять что там произошло.

Работаем дальше…

  1. Которая зависит от собственной теплопроводности вещества стержня
  2. Хотя, чем короче дырочка, тем оно меньше, но до этого мы доперли только когда распилили жиклер пополам — но об этом ниже.
  3. Кто не верит, попробуйте на досуге, сексуальный вечер вам гарантирован.
  4. Впрочем, мы еще не ездили по этому поводу на Южный Порт, а теоретически, эти инструменты применяются в автосервисе…