Прецизионное литьё мягким силиконом в домашних условиях, с помощью 3D-печати25.02.2017 18:07

Одни люди страдают от фетишизма, но другие им наслаждаются, как православные фермеры на пасху — похмельем. А почему нет? «С утра выпил — день свободен», — гласит известная поговорка. Вот и автор относится ко второму типу, наслаждаясь инженерным фетишизмом по полной программе. Но во всём нужны мера и здравый смысл.

Данная статья про то, каких успехов можно добиться при использовании «непечатных» материалов, на старенькой «Пруше», без всяких выкрутасов и специальных экструдеров. В качестве use case автор задвинулся на многодисковой системе и решил максимально увеличить плотность установки «шпинделей» с одновременным уменьшением вибраций. В борьбе за миллиметры понадобилась пара дюжин абсолютно одинаковых мелких деталей с допусками 100 мкм из очень мягкого и «тянучего» материала. Впрочем, если уважаемый читатель уже забыл про HDD, как про страшный сон, вообще абстрагируйтесь от use case и обратите внимание на нюансы литья, там тоже бывает нескучно.

По мнению автора, потребительские виброгасящие решения имеют скорее психологический эффект, чем метрологический. Почему? Наверное, из-за тугой резины, передающей большую часть энергии пульсаций на корпус. Поэтому для автора было очень важно измерить результаты описанного здесь технологического процесса хоть и любительскими, но объективными средствами. Чудес не произошло, но где-то треть отыграть удалось.

Что касается силикона, его часто ассоциируют с материалом самих форм для отливки, а не отливаемым изделием. Литьё в формы вообще — дело довольно нудное занимательное, но автор в любом случае разбавляет историю инженерным трэшем для развлечения публики.

DISCLAIMER

Этой истории уже год, я мог отстать от реалий. Если кто-то из уважаемых читателей освоил прецизионную 3D-печать очень мягким материалом, милости прошу, делитесь. Наиболее интересные идеи могут воплотиться в виде врезок в статье, и, если вы читаете эту статью за пределами Geektimes, проверьте через пару недель аутентичную ссылку, где будут доступны все обновления и комментарии резидентов клуба. Если же ссылка не открывается, вероятно, не стоит и читать дальше;)

Постановка задачи

Чтобы достичь максимальной плотности размещения «шпинделей», конструкция салазки должна гарантированно удержать вибрирующий корпус диска на чём-то совсем мягком, но строго в миллиметре от твёрдого препятствия. При этом общие зазоры между дисками и стенками корзины всего порядка 4 мм, и никто не отменял сами салазки, которые должны ездить строго по направляющим, а не стекать по ним в виде желе.

Традиционные подходы

Несмотря на хрестоматийность человеческого тела, появившиеся в разное время тут и там статьи о мягких материалах как-то черезчур акцентируются на отдельных его частях. Если взять разрекламированный в 2014 г. экструдер Discov3ry, то, во-первых, у меня нет данных по мягкости силикона (помогайте). А во-вторых, результат «печати» вызывает лично у меня ассоциации с тюбиком зубной пасты, который художественно выдавили на кусок мыла. Да, такой точности должно хватить на воспроизведение мужского достоинства в масштабе 1:1, но у меня другая задача.

Проблематика: вибрации жёстких дисков

Раз заговорили о мужских достоинствах, перейдём к вибрациям:) Хорошо, когда единственное тело вращается со скоростью 5…7 тысяч оборотов в минуту, тогда вибрация ровная, незаметная. Но если дисков несколько, их высокие обороты слегка «гуляют» друг относительно друга, и появляется низкочастотная модуляция с периодом в одну-две секунды. Добавляем к этому оркестру вентилятор на корзине и получаем противный плавающий гул, на котором сразу же зацикливается наш слуховой аппарат. Чем быстрее вентилятор, тем агрессивнее нота.

Если добавить десяток-другой дисков, к росту акустических шумов «вентиляторной» группы добавляется ещё и ощутимая паразитная вибрация, влияющая как на здоровье самих дисков, так и на комфорт окружающих людей. Производители дисков «для NAS» уже обратили внимание на эту проблему, борясь как с источниками, так и с последствиями вибраций. По крайней мере, на бумаге, ибо в первую очередь производителей волнует объём, а разбрасываться драгоценными миллиметрами радиуса всё-таки дороже, чем вкладываться в маркетинг. Но даже в брошюре речь идёт о 5-дисковых системах.

Корпус компьютера работает как сложный резонатор, подавляя одни частоты и усиливая другие. Поэтому результирующий спектр шумов системы довольно непредсказуем по своему профилю, но одинаково неприятен, и чем больше дисков, тем хуже для всех.

Вот я и решил, что проблему надо купировать в зародыше, создав виброгасящие салазки, но не кондовые из твёрдой резины, а сочетающими жёсткий пластик с очень мягкими, «тянучими» силиконовыми вставками с жёсткостью 25А по Шору. Кстати, самый мягкий термопластичный эластомер для 3D-печати имеет жёсткость по Шору порядка 85А, это так же далеко от силикона, как борцовский мат от пуховой подушки.

Ещё раз о силиконе

Силикон — удивительный материал в плане физико-химических свойств. Например, его двухкомпонентная версия с катализатором на олове или платине до вулканизации (застывания) и по вязкости, и по липкости напоминает свежий мёд. Зато после застывания силикон очень инертен и не имеет адгезии почти ни с чем. Изделия из «платинового» силикона можно совершенно спокойно использовать на кухне, да и в медицине наверняка тоже. Эта беспредельная химическая инертность силикона порой раздражает: чтобы приклеить силиконовую деталь, её сперва надо покрыть специальной грунтовкой, обычный клей силиконы не берёт.

Используемый двухкомпонентный силикон дозируется в соотношении 10:1 с катализатором по массе. Плотности обеих жидкостей близки к единице, поэтому дозировать в нужном соотношении можно и по объёму. Тянуть «мёд» обычным шприцем неудобно, а вот безносым дозатором от жаропонижающего препарата Нувонахрен — в самый раз. Вулканизация занимает несколько часов, так что смешивать силикон с катализатором можно, не спеша, в небольшой чашке, лучше с круглым дном, но можно и так.

Причём удобнее всего смешивать не палочкой, а собственным мизинцем: мягкие ткани хорошо собирают материал из всех закоулков посуды, для здоровой кожи силикон совершенно безвреден. До вулканизации материал растворяется уайт-спиритом, после — легко удаляется механически, но только с гладких поверхностей (не вытирайте об себя, запаситесь салфетками заранее). Чтобы оценить свойства материала, попробуйте отделить оставшийся на чашке тончайший слой после застывания, он тянется, но почти не рвётся.
Вулканизацию силикона с платиновым катализатором могут ингибировать (нарушать, тормозить) разные материалы, включая сернистые, латексные, некоторые каучуки и даже дерево. Но главное то, что пластики ABS и PLA к ингибирующим вулканизацию материалам не относятся, а значит, можно напечатать пресс-форму и получить изделие из очень мягкого и инертного материала с недостижимым ранее допуском. Вот так просто: берём и отливаем дома всё, что угодно. Или не всё?

Пресс-форма для отливки мелких деталей

Обычно берут, грубо говоря, ведро силикона и смешивают его миксером с бутылкой катализатора, затем разливают по формам и запускают дегазацию, т.е. удаляют пузыри воздуха. Но чтобы лучше понять процесс заливки силикона в «групповую» пресс-форму для мелких деталей, читателю предлагается представить себе загрузку пчелиного мёда обратно в соты. Да, меня так и тянет на гексагональные формы…

Обычная пресс-форма может состоять из двух половин, напечатанных ABS и сжимаемых пятью винтами с пресс-шайбами и барашковыми гайками. Если внешняя симметрия формы отличается от внутренней, рекомендуется сделать «ключ» в виде «спиленного» угла, как на процессорном сокете. Иначе можно перепутать ориентацию половин и отлить нечто неожиданное, потратив кучу времени впустую. Соприкасающиеся грани после печати рекомендуется довести до ровного состояния шлифовкой, но не стоит их парить в ацетоне. С утра вскрываем форму и достаём свеженькие демпферы, на некоторых получается тончайший, легко удаляемый «воротник», возникающий из-за неплотного контакта и особенностей дегазации, о которой ниже.

Дело о пузырьках

«Волшебными» пузырьками можно считать те, что в напитках, гидромассажных ваннах или, на худой конец, в стиральных машинах. При отливке вредность пузырьков обратно пропорциональна габаритам детали, т.е. дегазация нужна тем сильнее, чем мельче деталь. Иначе пузырь может запросто уничтожить ключевой элемент типа несущего «хоботка» демпфера толщиной пару миллиметров и длиной пять. Именно поэтому, кстати, при размешивании мизинцем даже, простите, трёхдневный ноготь создаёт пузырьки, как весло в воде. Проверено на практике, лучше остричь в ноль.

Продавцы силикона на мой вопрос о способе дегазации, не моргнув глазом, рекомендовали использовать вакуумную камеру. Но вот где её взять дома, из микроволновки выпилить? Так что давление придётся использовать нормальное атмосферное, но как тогда удалить пузыри при явной нехватке выталкивающей силы? Она, кстати, пропорциональна гравитации, однако, не лететь же на Юпитер. И тут припомнилась одна история о прототипирующих металлургах, убирающих пузыри из ещё жидкого сплава в… центрифуге. Раз даже металл подчинился в мастерской, с силиконом уж всяко справимся даже в домашних условиях.

Простейшую центрифугу я собрал из цепи и балласта, который во время вращения ориентирует плоскость пресс-формы строго перпендикулярно радиусу, создавая однонаправленное кратное доминирование центробежной силы над всеми остальными. Если вращать похожую на кистень пресс-форму на метровой цепи в вертикальной плоскости, для преодоления гравитации придётся делать около 30 об/мин, что создаст «пульсирующее» от нуля до 2g ускорение. Это примерно как слетать с Плутона на Юпитер и обратно. Центробежная сила прямо пропорциональна длине цепи и квадрату частоты вращения, поэтому, увеличив цепь до полутора метров и поднатужившись до 60 об/мин, можно получить шестикратный выигрыш, т.е. примерно 1g…7g.

Для начала хватит, но есть нюанс. Когда пузырь вытолкнется, как долить на его место силикон, не разбирая форму? Это легко сделать, если предусмотреть заливные отверстия в верхней части, добавив к ним сверху технологические раковины с запасом материала. Пузырь всплывёт, содержимое раковины утечёт вниз. Но чтобы не разбрызгать силикон при столь энергичном вращении пресс-формы, я добавил к ней третий элемент: крышку.

Ясное дело, ускорения в 7g мне показалось мало, поэтому версия 2.0 центрифуги использует малую механизацию в виде зажатой в стойке дрели с коромыслом в патроне. На 400 об/мин плечи с пресс-формой и грузиком отклоняются перпендикулярно оси вращения, описывая радиус 10 см и давая почти «солнечные» 18g, выгоняющие пузыри даже из очень густого мёда.

Если деталей нужно отлить много, хорошо иметь две одинаковых по массе формы, и для дрели это будет не так вредно. Но я брал свою одну-единственной форму и снова посещал магазин крепежа, на этот раз взвешивая на глазах у озадаченных продавцов белый кусок пластика с винтами и «барашками». В итоге даже удалось задействовать грузики, совместимые с версией 1.0. Но читатель может поступить проще, отправившись в продуктовый магазин и выбрав любой твёрдоплодный овощ или фрукт подходящей массы, например, репу или кислое яблоко. Морковь неудобно зажимать болтом, но нет ничего невозможного. Впрочем, см. ниже про технику безопасности, прихватите в супермаркет и пресс-форму с крепежом, это проще и законнее, чем тащить весы домой из магазина.

Техника безопасности

Если печатать и монтировать крышку для пресс-формы лень, подумайте о том, как забрызгаете окружающую среду безвредными, но липкими каплями. Если пресс-форма маленькая, можно воспользоваться салатником соответсвующего размера, опуская в него пресс-форму прямо на стойке, тогда отдирать придётся только салатник, но лучше после вулканизации. Но всё-таки крышка как-то технологичнее. Я попробовал и так, и эдак.
Не стоит забывать о физической безопасности близких людей и окружающих предметов во время вращения грузов, своя голова и другие части тела вообще бесценны. При использовании цепи 1.0 лучше надеть на голову шлем, удалившись в помещение без окон и зеркал. Окружающих можно предупредить, но вид человека в шлеме с кистенём распугает и так. При использовании механизированной центрифуги 2.0 ни в коем случае не стоит удерживать в руках дрель с несбалансированной принадлежностью, не имея хватку Терминатора. Вообще, дисбаланс и для дрели не полезен, поэтому уравновешивать надо, хотя бы приблизительно. Я прочно крепил дрель в стойке, стойку крепил к столу струбцинами, а во время запусков прятался за экраном из плиты ДСП 16 мм, держа собственные чресла поближе к… тискам, в которых зажата эта самая плита. А не то, что подумали некоторые читатели: тиски насквозь не пробить, за ними самое безопасное место.

Если уважаемый читатель когда-нибудь менял патрон на дрели, то наверняка обращал внимание на болт с левой резьбой. К счастью, я вовремя вспомнил про данную особенность, и самопроизвольное отделение вращающегося коромысла удалось предотвратить. К тому моменту болт с правой резьбой от «прямого» хода дрели уже достаточно ослаб, чтобы центрифуга начала подозрительно игнорировать команды увеличения оборотов. Экран не пригодился, но, случись чего, был бы очень к месту. Если зажимаете в патроне болт с правой резьбой и крепите на нём что-либо гайкой, реверсный режим дрели обязателен, иначе гайка отвернётся, груз сорвётся и улетит куда-нибудь. Берегите болты, дорогие друзья;)

Сопромат

Подкованный инженер, конечно, возьмёт профессиональную САПР и по жёсткости материала смоделирует оптимальную для заданного «прогибания» форму. Настоящий ниндзя просто вспомнит сопромат и посчитает всё на листке бумажки. Однако частью условий эксперимента было использование бесплатного софта, практическим сопроматом я не владею. Поэтому конкретный вид демпферов пришлось подбирать экспериментально, напечатав пробную пресс-форму демпферов разной формы. Затем они поочерёдно крепились на салазке (на этой фазе обошлось без клея, шестигранники отлично себя зарекомендовали). На зажатую в тисках демпферами кверху салазку аккуратно «надевался» дисковый накопитель, придерживаемый пальцами, после чего изучалась реакция на статическую массу. Другими словами, я решил задачку по сопромату методом прямого физического моделирования, простите за невежество, дорогие читатели.

Опытным путём были выбраны те демпферы, что после прогибания оставили один миллиметр запаса до твёрдого пластика. Затем форма корректировалась и печаталась заново. Отлив, наконец, первую партию демпферов, я закрепил их в напечатанных салазках, используя… «моментальный» цианоакрилатный клей. Он, конечно, плохо подходит для гибкого силикона и не очень-то любит нагрев, но специальной грунтовки под рукой не было, ЦА держит хоть как-то.

Измерение эффективности

DISCLAIMER: автор отдаёт себе отчёт в том, что измерял не вибрации корзины, а вибрации кое-как закреплённого на ней смартфона, с ограничениями акселерометра и частичной потерей энергии пульсаций. Во время эксперимента ни одного смартфона не пострадало: носишь аппарат пару лет без всяких проблем, но стоит отдать его «во временное пользование», экран разбивают за неделю гарантированно…

Итак, смартфон выбирался по массе: не новый с экраном лопатой, а лёгкий старенький Samsung S3 Mini, чтобы не глушить колебания. Крышка снималась, чтобы не пружинила. Изрядная возня была с закреплением аппарата на 5-дисковой корзине с помощью алюминиевых полос и пачки резинок для банкнот. Из приложений я остановился на VibSensor: раскладка по осям, регулируемый период осреднения, графический спектр, сохранение результатов — всё, что надо для таких экспериментов. Работать с экраном, зажатым пластиной — отдельное искусство.

Но возникла метрологическая проблема: даже осреднённые на нескольких минутах результаты виброметра гуляли просто неприлично по непонятным причинам. Как вам такой ряд: 36, 35, 31, 28; или, например, 51, 42, 68, 61. Другой бы плюнул и посчитал по какому-нибудь среднему, но я вспомнил про наличие термокалибровки в дисках, которая происходит в самый неожиданный момент, по звуку напоминая интенсивную работу головками. И когда c помощью smartctl удалось заставить всех пятерых участников эксперимента одновременно проходить бесконечный тест поверхности, получились уже 25, 25, 26, 25, 28, 27 или 18, 18, 17, 17, 19, 17, 19. Это достаточно кучно, чтобы можно было хоть о чём-то говорить.

Не буду приводить таблицы, только безразмерные результаты по достаточно пёстрой компании из моделей 5-летней, 10-летней давности и современников. Примем, что диски не расслабляются лёжа плашмя, но трудятся в стойке «на боку», осью вращения шпинделя параллельно горизонту. Каждый такой диск при работе подпрыгивает вверх-вниз и ёрзает взад-вперёд от вращений блинов, а также болтается влево-вправо от перемещения блока головок внутри. При использовании виброгасящих демпферов закреплённый смартфон массой 110 г получает в два раза меньше энергии от подпрыгиваний по сравнению с жёсткими салазками, а от ёрзаний и болтаний достаётся ещё меньше примерно по 20%. Почему? Потому что гравитация создаёт более прочный канал передачи энергии пульсаций между телами. Другими словами, при прочих равных выигрыш от коврика на полу получается больше, чем от мягких стен.

Много это или мало? Тактильно на одной лишь корзине этого не понять, но стоит корзину установить в корпус, субъективно разница уже ощущается даже на 5 дисках. Однако я хочу напомнить, что основная моя цель — демонстрация технологического процесса, да и 5 дисками я ограничиваться не собирался;)

Выводы

• «Напечатать» непечатаемое — отличная гимнастика для инженерной смекалки.
• Эффективность виброгасящих решений должна подтверждаться объективными измерениями, а не базироваться только на субъективных оценках «хуже/лучше».
• Для дегазации вместо вакуумной камеры можно использовать центрифугу, «проливающую» мелкие и сложные элементы деталей.
• Описанный технологический процесс весьма доступен и применим не только к сочетанию силикона и ABS-пластика.
• Ограничивающим фактором, помимо трудоёмкости, являются габариты печати.
• Сочетание инертности силикона и точности 3D-принтера открывает новые ниши в таких областях, как телемедицина и прототипирование сложных изделий.

© Geektimes