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

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.

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.

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.

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… ↩︎