Фильеры для экструдера: как спроектировать и сделать самому
Как вырезать простую фильеру из пластика и почему у полой фильеры не срастается шов, мы уже рассказали в статье «Экструзия в мастерской». Здесь — следующий шаг: как проектировать фильеру, чтобы профиль выходил прямым, без рваных кромок и без коробления в сушке. Поговорим о материалах и способах изготовления, о течении глины в канале, балансировке профиля, конструкции сердечников и об особенностях шнековых машин.
Из чего делать
Материал фильеры определяется тремя вещами: давлением в машине, тем, сколько глины через неё пройдёт, и тем, чем вы умеете резать.
| Материал | Толщина в примерах | Как режут | Что известно |
|---|---|---|---|
| Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (UHMW), разделочная доска | около 6 мм | лобзик, лобзиковый станок | Режется гладко. По опыту керамистов, фильера из доски за ~$4 после 68 кг глины выглядела как новая |
| Алюминий | около 3 мм | ювелирный лобзик, фрезер | Нэнси Цоллер сравнила фанеру, пластик и алюминий: алюминиевая фильера самая эффективная |
| Акрил (оргстекло) | 3 мм для ручного, 8–10 мм для крупных | лазер | Артуро Боррего режет лазером фильеры до 110×110×8 мм |
| Фанера | около 9–13 мм | ленточная пила, лобзик | По опыту керамистов, после шлифовки «очень гладкая» |
| Нержавеющая сталь | тонкий лист | лазер, фрезер | Обрабатывается труднее всех; лист стали — один из традиционных материалов ремесленных фильер |
| PLA (3D-печать) | по чертежу | FDM-принтер | Выдерживает ручной экструдер; позволяет делать конусы и сердечники одной деталью |
| Пластиковая карта | менее 1 мм | гравер, нож | Только для цилиндров 3–4 дюйма (76–102 мм); в больших может треснуть |
3D-печать: главный сдвиг последних лет
Печать сняла главное ограничение самодельных фильер — плоскость. Вырезанная пластина даёт только 2D-профиль с прямыми стенками канала. Напечатанная фильера может иметь входной конус, переменную длину пояска и сердечник с ножками — всё одной деталью.
- Тони Хансен (Digitalfire) напечатал фильеру для огнеупорных стоек из обычного PLA. По его опыту, PLA легко выдерживает давление ручного экструдера. Масса — обычной гончарной жёсткости, около 20 % шамота и песка. Сердечник у него «плавающий» на сужающемся мостике, чтобы глина срасталась, обтекая его; чертёж параметрический — уклон сердечника, положение и угол опор задаются числами.
- Набор фильер с Printables для 4-дюймового (102 мм) настенного экструдера: PLA, заполнение 35 % гироид, по 3 слоя дна, крышки и стенок, сопло 0,4 мм. Толщина стенки трубы около 5 мм. Автору понадобились входная фаска 2,5 мм под 45° и круглый вырез 19 мм, чтобы глина снова уплотнялась вокруг Z-образной перемычки. Следов слоёв печати на глине он не заметил.
- Йоргенсен и Лайтфут (Университет Западной Англии) собирали гибридные фильеры для гидравлического поршневого экструдера: напечатанные детали зажаты между пластинами нержавейки, вырезанными лазером. Рабочее давление в опытах — 30–50 бар, система рассчитана до 230 бар. Напечатанные части, по их словам, «держались очень хорошо», заметного износа не было. Чаще всего отказывал мостик.
Данных о печати фильер из PETG для глины мы не нашли. Об износе пластиковых фильер в шнековой машине с шамотированной массой опубликованных цифр тоже нет.
Как глина течёт через фильеру
Пластичная глина под давлением ведёт себя как неньютоновская жидкость. Её скорость в канале неодинакова: трение о стенки тормозит одни участки, а другие идут быстрее. Йоргенсен и Лайтфут описывают последствия прямо: неравномерное течение даёт изгиб, коробление и трещины при сушке. Специалисты «балансируют» фильеру вставками, которые тормозят или ускоряют поток на отдельных участках.
Здесь важна оговорка. Нередко пишут, что «центр всегда течёт быстрее краёв». Источники по глине говорят иначе: всё решают трение и смазка. Немецкий патент на мундштук кирпичного пресса (DE855673C) утверждает обратное — глина у смазанных стенок продвигается легче, и её подтормаживают заслонками на входе. Американский патент на смазку кирпичной фильеры (US4904171) объясняет, что сильное трение в углах заставляет одни участки двигаться быстрее других, и смазка нужна, чтобы бока и углы шли с одной скоростью. Вывод для мастерской: направление перекоса нельзя угадать заранее, его видно только по первой экструзии.
Входной конус
Лич, Лайтфут и Йоргенсен моделировали давление в фильере по модели Бенбоу. С ростом угла входного конуса давление падает, перелом кривой — около 3°, а «безопасный» диапазон авторы оценили в 3–5°. Модель теоретическая, параметры — для красной глины, но вывод для практики понятен: даже небольшой конус на входе снижает усилие.
Для плитки и широких лент есть и практическое наблюдение керамистов: фильера с прямой кромкой 90° коробила плитку сильнее, чем фильера с конусом около 8°. Заводские фильеры для лент делают с конусом. Это расходится с советом Цоллер оставлять кромки прямоугольными — но её совет касается тонкой пластины ручного экструдера, где канала практически нет.
Рабочий поясок и балансировка
По той же модели вклад трения растёт с длиной пояска, поэтому короткий поясок снижает давление. Но длина пояска — это и способ выровнять поток по сечению. Методика пришла из экструзии пластмасс; для глины прямых таблиц нет, но принцип тот же.
Даниэль Цикана (Plastics Technology) объясняет: расход через щель растёт как куб её толщины. Участок вдвое толще пропускает в восемь раз больше материала, и в сложном профиле толстые места «убегают» вперёд, а тонкие отстают. Чтобы скорость выровнялась, длину пояска делают пропорциональной толщине стенки. Его пример: стенки 1,5 и 2,3 мм при отношении длины к толщине 10:1 получают пояски 15 и 23 мм. Метод работает при разнице толщин до 1,5:1. Медленные зоны ускоряют, укорачивая поясок, а металл снимают в два приёма, а не сразу «с запасом». Шероховатость канала тоже тормозит поток.
Как это перенести на самодельную фильеру. На плоской пластине поясок один для всего контура. Если профиль с толстыми и тонкими участками кривится, толстые участки можно подтормозить накладкой, удлиняющей канал, или подточить вход в тонких местах. При 3D-печати поясок разной длины закладывают сразу в модель. Меняйте по одному параметру и смотрите на первые 30 см экструзии.
Сердечник и мостик
Самая капризная часть полой фильеры — место, где глина расходится на мостике и должна снова срастись. Что известно из опыта и исследований:
- Мостик подальше от выхода. Йоргенсен и Лайтфут подняли мостик на удлинённых «ножках» — швы на месте срастания исчезли. В фильерах с малым конусом швы и трещины появлялись именно из-за плохого срастания. По опыту керамистов, на большом экструдере мостик стоит примерно в 50 мм от выхода.
- Мостик тонкий и обтекаемый. У Хансена мостик сужающийся. На форуме Ceramic Arts Daily мастерица описывала поперечину толщиной около 1,6 мм и высотой 38 мм: шов пропал, когда её подняли выше. Её предположение, что тонкая связь срастается легче, не проверено.
- Никакого люфта. Любое смещение сердечника даёт стенку разной толщины, и профиль гнётся в сторону толстой стенки. «Всё должно быть затянуто», — формулирует Нил Эстрик. Плоскость шайбы сердечника должна быть примерно заподлицо с наружной фильерой.
- Масса. Дэрил Бэрд предупреждает: полая фильера со вставками гораздо требовательнее к глине. Слишком грубая или «короткая» масса после мостика может не срастись, тогда как сплошную фильеру она пройдёт.
В промышленности для жёсткой экструзии, по описанию Bongioanni, сердечники и рамку фильеры делают из оксида алюминия ради износостойкости, а мост-сердечникодержатель фрезеруют на ЧПУ без сварки и дважды хромируют.
Особенности шнековой машины
Ручной экструдер выдавливает глину поршнем, шнековый — подаёт её вращающимся валом. Это меняет картину дефектов.
Ламинации
Хансен называет ламинации (слоистость) самой частой бедой шнековых машин. Причины: неправильная проминка, слабое сжатие в головке, изношенные или неверно выставленные лопасти, работа сверх производительности и плохой вакуум. Ламинации обычно концентричны оси вала. Масса с большим количеством песка или пыли почти не промнётся без них. Иногда они проявляются только в обжиге. В патенте NGK о сотовых керамических изделиях отмечено, что ламинации от шнековой подачи сохраняются после формовки и обжига и деформируют тонкие стенки.
Средство — сжатие перед фильерой. Хансен описывает сжимающую насадку с полированной внутренней поверхностью: поток сначала расширяется, затем резко сужается. Такая насадка нужна, чтобы получить мягкий брус без ламинаций и без отслаивания кромок, особенно на малопластичных массах. Для кирпичного производства Билл Дайдон (Borregaard) называет вакуум «не менее 25 дюймов ртутного столба» (около 85 кПа разрежения) и предупреждает, что изношенные детали дают ламинации и напряжения.
Рваные кромки
Профиль с рваными, «зубчатыми» кромками — картина, при которой, судя по описаниям, трение о стенки канала рвёт поверхность бруса. В источниках по глине это описано как отслаивание кромок (Digitalfire) и трещины по краю кирпича и черепицы при высоком давлении в фильере (Роза Медиавилья, Borregaard). Что помогает: смазка фильеры, полированный канал, сужающаяся насадка и масса с достаточной пластичностью — Медиавилья называет оптимальным для экструзии индекс пластичности 15–30 %. Отдельный случай у Хансена: брус рвался на выходе, потому что маленькой машине не хватало мощности давить глину против вакуума; после отключения вакуума разрывы прекратились.
Перекос и закрутка
По опыту керамистов, плитка шириной около 23 см с одношнековой машины выгибает края дугой при сушке — мастер подозревал неравную плотность от шнека. Помогали шамот и максимально сухой брус. Глина «помнит» изгиб на выходе и повторит его в сушке, поэтому первые сантиметры выбрасывают, а профиль не тянут рукой, а только направляют.
Закрутку можно и использовать. Йоргенсен и Лайтфут проектировали фильеры, которые намеренно закручивают профиль: стенки канала, развёрнутые под 10–30°, почти не давали нежелательной закрутки, а удачная конструкция сочетала корпус с закруткой 20° и конусом 3° с насадкой с закруткой 30° без конуса.
Порядок проектирования
- Определите сечение готового изделия и пересчитайте его на сырой размер с учётом общей усадки вашей массы.
- Проверьте, помещается ли профиль в выходное отверстие машины с запасом по краю для крепления.
- Выровняйте толщины. Если в профиле есть стенки, отличающиеся больше чем в 1,5 раза, — это кандидат на коробление; лучше перерисовать профиль.
- Скруглите внутренние углы. Острый угол — место максимального трения и будущей трещины.
- Для полого профиля поднимите мостик как можно выше над выходом и сделайте его тонким и обтекаемым.
- Сделайте пробную фильеру из дешёвого материала — пластика или PLA, — выдавите 30 см и посмотрите, куда гнётся профиль. Корректируйте по одному параметру.
- Высушите пробный отрезок полностью и обожгите: коробление и трещины от ламинаций часто видны только после сушки и обжига.
Фильеры на экструдерах ТРУД. На шнековые экструдеры ТРУД ставятся фильеры для профилей — ручек, труб, плитки. Размер профиля ограничен выходным соплом: 70 мм у ЭМ1 и ЭМ1В, 100 мм у ЭМ2 и ЭМ2В. Вакуумные модели дают брус без воздуха, что особенно важно для полых профилей, а реверс шнека позволяет вернуть массу назад, если фильеру нужно снять и подправить. Для профилей лучше брать массу с хорошей пластичностью; шамот до 1–1,5 мм машина промешивает, но шнек от него изнашивается быстрее.
Смазка и работа на выходе
- Смазка. Бэрд советует тонкий ровный слой силиконового спрея на детали, которые касаются глины. В промышленности, по описанию Bongioanni, напорную головку облицовывают сменным самосмазывающимся полиамидом и дают внешнюю смазку в фильеру. Немецкий патент оговаривает, что водяная смазка не устраняет всех дефектов.
- Длина экструзии. По опыту керамистов, удобно выдавливать за раз 45–50 см и сразу резать на доске. Тонкие горизонтальные профили провисают и гнутся под своим весом.
- Сушка длинных профилей. На гипсокартоне или цементной плите, длинные профили прижимают лёгким грузом. Бэрд выдерживает 2–3 дня под плёнкой, затем сушит медленно.
Источники: Tom Quest, «DIY Extruder Dies» (PMI, 2022); Nancy Zoller, «The Extruded Baking Dish» (PMI); Daryl Baird, «The Extruder Book» (фрагмент), «Small-Scale Extruding» (PMI, 2018), «20 Tips to Improve Your Extruder Experience», «Custom Dies… Credit Cards» (Ceramic Arts Network); A. Eliades, «Modifying Extruder Dies» (CM, 2024); A. Borrego, «Ceramic Extrusion» (CraftHub); Tony Hansen, Digitalfire — Making our own kiln posts, Laminations, Pugmill; Printables, «4in ceramic extruder dies»; T. Jorgensen, S. L. Lightfoot, «Twisting Clay», FormAkademisk 16(4), 2023; D. J. Leech, S. Lightfoot, T. Jørgensen, «Geometric Pressure Minimisation of a Theoretical Die for Ceramic Extrusion» (arXiv 2007.12588); патенты DE855673C, US4904171, US4839120; D. Cykana, «The Science of Profile Die Balancing» (Plastics Technology, 2010); B. Daidone, R. Mediavilla (Borregaard); ZI, «New die for stiff extrusion» (Bongioanni, 2019); F. Händle (ed.), «Extrusion in Ceramics» (Springer); форум Ceramic Arts Daily.
