Это вторая завершающая часть статьи об испытании энергоэффективного электромотора для сапборда, разработка которого была описана в предыдущей моей публикации «Сапборд с мотором и немного о физике».

Предыдущая часть истории завершилась на том, что была разрабатана 3D-модель корпуса электроплавника и отправлена в печать.

Для заказа я обратился примерно в три десятка разных студий. И тут меня ждал сюрприз — большинство студий оказались совершенно неспособны обеспечить герметичность мотора!

По самой своей сути 3D-печать совершенно не предназначена для печати герметичных изделий, поскольку материал выдавливается по траекториям, между слоями которых, особенно в местах поворота, в углах или в местах разрыва одной завершившейся траектории и начала нового прохода, неизбежно образуются щели и микропоры, которые даже, если они совершенно незаметны глазом, на самом деле в миллионы раз больше молекулы воды. А как гласит главная морская пословица — "Вода дырочку найдет!"

Поэтому подбор технологических параметров, обеспечивающих плотное спекание экструдируемого материала, требует недюжинных знаний происходящих физических процессов и глубокого понимания возможностей применяемого оборудования.

Чтобы разобраться и найти решение пришлось погрузиться в дебри материаловедения почти на уровне докторской диссертации. А большинство мастеров, занимающихся 3D-печатью оказались совершенно некомпетентными. Но в итоге я познакомился с замечательными специалистами из студии "Цех1-75" в Зеленограде, в плодотворном обсуждении с которыми удалось узнать много интересного.

Мне кажется, если технологи студии "Цех 1-75" однажды напишут свою статью для Хабра о нашем изделии и своих профессиональных секретах — это будет грандиозный материал.

А еще тем, кто интересуется подробностями, я рекомендую изучить вот эту статью о герметичности в двух частях на английском, которая кажется практически единственная подробно описывает реальные проверенные на практике результаты, полученные на протяжении нескольких лет экспериментов «Watertight 3D printing: vases, cups and other open models» (часть 1 и часть 2).

На данный момент в процессе консультации с профессионалами стало понятно, что для того, чтобы без постобработки обеспечить максимально возможную вероятность герметичности изделия, требуется обязательно соблюсти несколько очень важных условий:

1. Печатать герметичное изделие необходимо обязательно за один прием без остановок и без прерывания филамента строго одной нитью из одной катушки целиком

2. Нити филамента гигроскопичны и катушка должна храниться в герметичной упаковке с силикагелем, а печать необходимо осуществлять прямо из специального сушильного шкафа

3. Сопло 0.4 мм

4. Высота слоя не более 0.15 мм максимум. Желательно даже меньше

5. Внутреннее заполнение 100%

6. Количество периметров изделия как можно больше и не менее 8

7. Скорость печати — как можно ниже

8. Режим настройки слайсера для печати должен обеспечивать отсутствие стыковочных швов. То есть в каждом слое периметр должен начинаться случайным образом в разных местах

9. Ориентация при печати — с вертикальным расположением цилиндрической части изделия и шестью отверстиями для потайных винтов сверху

10. Кроме того весьма желательно при печати чуть-чуть увеличить рекомендуемые производителем филамента значения скорости подачи и температуры плавления для принудительного продавливания пустот. Или как вариант, для продавливания расплава во все щели и зазоры, нужно настраивать слайсер на движение по траекториям более плотным, чем реальный диаметр сопла.

    Из аналогии с этой картинкой можно рассчитать, что при подаче филамента через сопло 0,4 мм для 90% заполнения нужно настраивать слайсер на сопло 0,35 мм, а для 100% заполнения даже на сопло 0,3 мм.

    

    Но в итоге, как мне кажется, наиболее важным параметром в процессе печати является количество периметров изделия. Из-за особенностей технологии, на поверхности изделия всегда видны поры в местах начала и конца траектории. Их миллионы, но как я теперь понимаю каждый дополнительный периметр при печати на порядок снижает количество пор, которые оказываются сквозными и приводят к протечкам. То есть тут действует такая логика:

    1 периметр — 1 000 000 сквозных дыр
    2 периметра — 100 000
    3 периметра — 10 000
    4 периметра — 1 000
    5 периметров — 100
    6 периметров — 10
    7 периметров — 1 пора
    8 периметров — полностью герметичное изделие.

И такая печать моего плавника с учетом этих параметров занимает не менее суток.

Поскольку большинство материалов для 3D-печати прочные, но хрупкие, для печати я выбрал жесткий, но упругий филамент TPU-D70, чтобы обеспечить прочность конструкции, но при этом подстраховаться от ее раскалывания в случае, если сапборд заденет за дно или налетит на камни.

TPU — это гибкий филамент для 3D принтера, который сочетает в себе мягкость и эластичность с высокой прочностью. Пластик TPU создан специально для печати изделий, которым требуется гибкость, устойчивость к ударам и длительный срок службы. В отличие от жестких видов пластика (PLA, PETG), филамент TPU обладает уникальными свойствами резины, сохраняя при этом точность печати и стабильность экструдирования. Он идеально подходит для создания гибких прокладок и уплотнителей, амортизирующих элементов и демпферов, гибких соединителей и переходников, защитных чехлов и футляров, спортивного оборудования, медицинских протезов и анатомических фигур с гибкими конечностями.

Твердость TPU сочетает оптимальный баланс гибкости и прочности. Несмотря на то, что филамент TPU мягкий, он обеспечивает высокую степень растяжения без разрывов, отличную ударопрочность и сопротивление к механическим повреждениям, минимальную остаточную деформацию при долгосрочном сжатии, возможность повторяющихся движений без трещин и стабильность цвета и свойств со временем.

Филамент TPU остается гибким даже при печати толстых слоев. Изделия можно скручивать, изгибать и растягивать без повреждений. Он чрезвычайно устойчив к износу. Детали, напечатанные этим материалом, служат дольше и выдерживают множество циклов деформации.

При его использовании отсутствует необходимость в специальном экструдере. Филамент TPU совместим с большинством стандартных 3D-принтеров. Специальная формула обеспечивает хорошую текучесть и чистое экструдирование без заторов, а высокоочищенное сырье с минимальным количеством примесей гарантирует, что пластик будет экструдироваться ровно и без остановок, что значительно повышает успешность печати.

При этом TPU обладает хорошей межслойной адгезией — каждый слой отлично прилипает к предыдущему, обеспечивая монолитность изделия. Для печати я выбрал универсальный черный цвет — черный пластик наиболее доступен, но при этом отлично подходит для любых применений и хорошо смотрится в готовом изделии.

И вот, наконец, приходит долгожданная посылка!

На первый взгляд качество отличное. Все размеры точно как в модели и никакой усадки нет. По основным поверхностям видно всего две маленькие поры на плоскости крыла, которые легко заплавить паяльником.

Проводим тест на герметичность при погружении в воду.... И, вот, шит!!!

По какой-то очень загадочной причине принтер подплавил или недоэкструдировал материал в местах стыковки крыла с цилиндром. Хотя во всех остальных местах все отлично. В результате дефект стыковки крыла с цилиндром по всем четырем стыкам содержит такие дыры, что из них прямо дует. А при изгибе возникает впечатление, что нижняя часть крыла может вообще отломиться от цилиндра. Причем на слайсере все слои выглядят непрерывными и чем объясняется такой дефект совершенно непонятно.

Решил поэкспериментировать с ремонтом мест, где были большие протечки. Для ремонта добыл филамент TPU-95A и наплавил его паяльником при температуре плавления в диапазоне 210-230°C в два слоя поверх всех четырех мест стыковки крыла с цилиндром, вдоль которых были все дыры. В итоге все четыре стыка стали герметичными. TPU-95A крепко вплавился в TPU-D70. Но сразу после этого вскрылся новый дефект. После устранения главных дыр остались мелкие поры по линии стыковки плавника с крепежной площадкой и возле паза крышки цилиндра. Когда я приложил туда паяльник, верхний тонкий декоративный слой расплавился и под ним вскрылась сетчатая недоэкструдированная поверхность, которая мгновенно тает под жалом паяльника и паяльник прямо начинает в нее проваливаться почти без какого-то сопротивления.

В итоге в этих местах дыры резко увеличились и теперь стало свистеть уже из них.

Как я понял, под декоративным слоем объем везде получился похожим на губку, которая плавится как пена от любого прикосновения. И через эту губку вода проходит даже от крепежной площадки прямо внутрь. В итоге при погружении в воду весь плавник заполнился и я вылил из него полстакана воды.

Подумал и решил пойти другим путем. Развел растворителем Р-4 кремнийорганический герметик ВГО-1 в пропорции примерно 10:1 до консистенции жидкого молока и залил около 50 грамм внутрь плавника. Закрыл герметично крышку, поболтал плавник так, чтобы герметик внутри равномерно покрыл все стены и полости, а потом надул плавник из компрессора сжатым воздухом. Потом немного подождал, чтобы под давлением герметик прошел через внутренние поры и начал вытекать из самых крупных дыр, а затем стравил давление, открыл заглушки и вылил остатки герметика.

На черном полимере было отлично видно как белый герметик покрыл очень тонким слоем все внутренние стенки. В таком виде я оставил плавник сохнуть на выходные. За это время герметик полимеризовался и его тонкая пленка легко отделилась от внутренних поверхностей. Но герметик, который проник в поры, там и остался. Полностью избавиться от пузырей не удалось, видимо внутри в материале дыры слишком велики и переходят из одной в другую, но зато теперь пузыри стали выходить только при значительно более высоком давлении сжатого воздуха.

В итоге решил перепечатать плавник из более мягкого материала TPU-95A. Первый опыт показал, что плавник получился даже избыточно жестким. Наверно это от 100% заполнения. Тут сложно опираться на какие-то параметры, скорее это интуитивное понимание нагрузки, которая изгибает плавник, когда сапборд цепляет в воде за дно. Сапборд очень легкий, у него маленькая инерция и чрезмерного изгибающего усилия не возникает. Поэтому первый образец показал, что его можно сделать более гибким, чтобы плавник отпружинивал от столкновения с дном даже при небольших усилиях. Прочность у него в любом случае будет достаточной, если при печати не будет таких сквозных щелей.

Запускаем второй образец и ждем доставки.

Со вторым экземпляром тоже не обошлось без приключений. Для ускорения плавник был напечатан с толщиной слоя 0,3 мм и это отступление от рекомендованных параметров не прошло бесследно — под микроскопом я увидел ряды эллипсов с огромными щелями между ними. Продавливания расплава не произошло и новый образец тоже оказался дырявым как решето, но накопленный опыт позволил легко с этим справится — заливка раствора герметика под давлением и запайка оставшихся пор паяльником быстро позволили добиться герметичности и приступить к финальной сборке мотора.

Стробоскоп и видеотахометр показали максимальные обороты 1500 RPM, но испытания в ванне не позволили поднять мощность выше 30 Вт, поскольку вода стала слишком стремительно выплескиваться.

Значит пора приступать к реальным испытаниям, благо наступило настоящее лето и закончился нерест, во время которого действует запрет на плавсредства с мотором. Выдвигаемся на пляж.

Прежде всего я прицепил к сапу электронный безмен и запустил мотор на полную мощность. Безмен показал тягу до 5 кгс. Затем пришло время ходовых испытаний. Крепление мотора оказалось очень удачным. Сапборд своей плоскостью полностью закрывает мотор сверху, поэтому у гребного винта не происходит подсасывание воздуха с поверхности, а как следствие, нет ни вибрации, ни кавитации, ни плеска волн и со стороны вообще даже непонятно, что сапборд движется с мотором.

В Серебряном бору на тихом Бездонном озере сапборд показал скорость 7 км/ч при мощности 100 Вт с максимальной скоростью в пределе 8 км/ч при мощности около 120 Вт. С такой мощностью можно плавать около 3 часов, а повышение мощности до 150...180 Вт больше не дало никакого выигрыша. Гидродинамическая теория, основанная на числе Фруда, описанная в предыдущей части этой статьи, себя полностью подтвердила на практике.

При выходе из озера на большую реку, скорость упала до 5 км/ч из-за сильного волнения — по Москве-реке безостановочно буквально один за другим снуют во всех направлениях теплоходы, катера и моторные лодки, от которых по реке расходятся широкие волны, но именно здесь проявилось главное преимущество мотора — там, где остальные сапборды еле гребут, пытаясь удержать равновесие, сапборд с мотором без усилий обходит всех гребцов, выбивающихся из сил в борьбе против волн.

При высоком волнении становится очевидна бессмысленность повышения расхода мощности, и на реке наиболее выгодным становится неспешное передвижение на первой передаче редуктора с понижающим коэффициентом 1:70 и оборотами 400 об/мин со скоростью 1 м/с или 3,6 км/ч при мощности не более 60 Вт. Скорость течения на Москве-реке примерно около 0,5 м/с, поэтому такая мощность позволяет неспешно идти как вдоль, так и против течения на протяжении 5...6 часов.

Суммарно за время всех испытаний удалось пройти около 12 км. В конце маршрута ходовой таймер аккумулятора показал время непрерывной работы двигателя 3 часа 20 минут и расход энергии 230 ватт·часов из полного заряда 324 Вт·ч , что соответствует среднему расходу около 20 ватт·часов на километр при средней скорости вдоль и против течения 3,6 км/ч.

До первой космической скорости еще далеко, но это в любом случае значительно быстрее, чем грести веслом, и позволяет не напрягаясь загорать весь день, обгоняя попутчиков. Причем мотор, погруженный полностью в воду, оказался практически бесшумным и при его работе слышно только легкое жужжание, практически неразличимое уже на расстоянии нескольких метров.

И, что удивительно, при выключенном моторе, гребной винт никак не мешает при желании грести веслом. Сперва у меня было опасение, что при выключении винта придется снимать мотор и ставить на крепление оригинальный плавник из штатного комплекта сапборда. Но теперь я даже не буду больше его брать с собой. В нем просто нет никакой необходимости. Получившийся плавник по размеру больше оригинального и отлично позволяет сапборду держать курс и при этом винт совсем не мешает обычной гребле. А чтобы управлять, оказалось не нужно даже прикасаться к веслу — достаточно немного сместить центр тела правее или левее или опереться на правую или левую руку, чтобы сапборд слегка накренился и начал менять курс, описывая плавную дугу. Помогать веслом приходится только при необходимости резко изменить курс, когда на пути попадаются другие лодки.

Кроме того, стало весьма приятным открытием, что вопреки первоначальным опасениям, вращающийся винт совершенно не наматывает на себя никаких водорослей. За все время испытаний винт оставался абсолютно чистым. Наоборот, что удивительно, единственный раз я собрал огромную бороду из тины, когда отходил от берега на веслах с выключенным мотором.

Что дальше? Путешествуем, загораем и отдыхаем, но помним, что готовить сани нужно летом, а телегу — зимой. Когда опять все вокруг завалит сугробами, нам понадобится новая игрушка.

Подписывайтесь на новые публикации.