Самодельный принтер по металлу или как потерять 1 млн рублей

Друзья, всем привет.

Меня зовут Сергей.

Давно не публиковал никаких статей и тут насобирал материал на её самую. Думаю, подобного решения, точнее попытки реализации вы нигде не встречали и вам будет интересно.

Что же подтолкнуло меня на реализацию? Я немного интересуюсь техникой и разными устройствами и случайно наткнулся на металлизацию пластмасс и других материалов в вакууме. Меня эта история заинтересовала, и я стал подробно изучать процесс методы и прочее. Вкратце скажу, что все материалы испаряются, вопрос лишь в условиях, при которых это испарение будет происходить. После испарения, как вы догадались, происходит конденсация. Это свойство переноса вещества я и хотел использовать для построения 3Д принтера.

Поясню немного процесс, благодаря которому я намеревался получать изделие. Материал испаряется и летит в нужном мне направлении, долетев до мишени, он конденсируется и остаётся на месте, на него «прилепляется» следующая порция материала и так далее, пока не будет получена необходимая толщина изделия. Выращивание модели на молекулярном уровне, это ли не будущее? Кроме этого, была идея создания сеток или особых рисунков (имеется в виду, конечно, технический рисунок) на поверхности разных материалов.

На что особенно я обратил внимание в статьях во время подготовки – это на то, что пар, при испарении, движется прямолинейно от испарителя. Эту информацию я встречал во многих источниках. Ниже лишь два источника, но вы, мой любимый читатель без труда сможете найти куда больше информации из поисковой системы.

Источник: http://www.lib.unn.ru/students/src/Tonk_plenki.pdf

Источник: http://echemistry.ru/literatura/stati/tehnologiya-vakuumnogo-napyleniya.html

Уверен, вы уже догадались в чём идея. Испаряем материал, молекула летит в нужное место, там осаждается – первый слой модели готов. Цикл повторяется до тех пор, пока вся модель построена не будет.

С теорией понятно, приступаем к практике.

Из статей известно, что вакуум нужен не более 10-2 Па. Для сравнения порядка величин – давление, которое даёт бытовой вакуумный насос (Value и прочие) – порядка 4 Па, т.е. давление в 400 раз больше, чем это необходимо. Как с этим быть и что делать? Для достижения малых давлений используются турбомолекулярные вакуумные насосы, они работают параллельно с форвакуумным насосом и, буквально по молекулам, захватывают остатки воздуха из камеры. Процесс это не быстрый. Выглядит такой насос примерно таким образом.

Вторая сложность – это измерение низкого вакуума. Для этого я выбрал ионизационный вакуумметр.

По сути, больше ничего не нужно, за исключением камеры. Готовой камеры я не нашёл, поэтому, решил делать свою. Она небольшого объёма (порядка 8-10 литров) для того, чтобы откачка воздуха происходила быстрее. Обычно, камеры имеют шарообразную форму, у меня она наоборот, вытянутая, для того, чтобы можно было ставить «мишень» (место, где осаждается металл) на разное удаление от испарителя. Кроме того, на камера достаточно много фланцев для подключения вводов/выводов всевозможных и датчиков. Камеру я замоделировал в известной САПР программе, нарисовал чертежи и передал в производство.

Токовводы и токопроводы я изготовил из латуни, купленной на местом рынке. (Юнона, кто из Питера).

Получилось вот так. Между токопроводами закреплена вольфрамовая лодочка.

Снизу вся эта история выглядит таким образом. Видны трубки для охлаждения токовводов (на фото выше их тоже видно), но от них, я впоследствии отказался и убрал совсем.

Одно дело камеру собрать, другое дело – заставить её удерживать тот вакуум, который необходим для эксперимента. Фланцы должны быть отполированы, чтобы избежать малейшей утечки через резиновое уплотнение (на фото ниже я обработал только верхний фланец)

Как оказалось, впоследствии, сварной шов не герметичен от слова совсем (имеется в виду для низкого вакуума). Я, по неопытности, предполагал, что накачав в камеру давление 300 кПа и погрузив её в ванну с водой, я аккуратно найду все места протечек и устраню их. Да, на первом этапе я так и сделал, но давление в камере не опускалось ниже отметки 10-2 Па, были утечки. Интересно, что до начала проведения теста, при давлении в камере 300 кПа, из сварных швов выходили пузыри с интенсивностью примерно 1 пузырь (диаметром 2-3 мм) в 30-40 секунд. И это были большие потери, которые я устранил. Но что делать с минимальными потерями вакуума, которые невозможно отследить в «кухонных» условиях?

Решение оказалось близко. Для этого нужен всего на всего масс-спектрометр.

Идея проста – к вакуумной камере спектрометра подсоединяется исследуемая камера или ёмкость. Откачивается воздух, на графике смотрят, нет ли посторонних пиков каких-либо газов. После этого локально, в места возможной утечки, подводят гелий. Именно гелий, потому как проникающая способность у него выше и на спектре пик гелия можно легко отследить. Как только гелий попадает через микроотверстие в камеру, то сразу это видно на спектре.

Два раза я ездил и два раза искал течи. Теперь камера, с установленным насосом герметична и можно дальше проводить эксперименты, предварительно собрав все компоненты системы на стойке.

Общий вид.

Запуск установки и проверка сводится к тому, что должно удерживаться минимально возможное давление. Сначала запускается форвакуумный насос.

Давление после работы форвакуумного насоса видно на картинке ниже.

После того, как давление устанавливается (не меняется). Можно запускать «тяжёлую артиллерию» - турбомолекулярный насос. Он опускает уменьшает давление ещё на 3 порядка.

Первый эксперимент.

В закреплённую между токопроводами лодочку помещаем небольшое количество серебра. Над лодочкой устанавливаю паровод – спаянный цилиндр из жести, который, как я думал, должен ограничить распространение металла по камере. Над пароводом крышка с отверстием 2 мм, за крышкой – мишень, на которую должен конденсироваться металл. Жаль, что фотографий не осталось, но вакуумная камера запылилась полностью. Не было ни единого места, на котором не было нанесённого слоя металла. На фото ниже совсем не иная планета, а напылённое серебро на внутреннюю поверхность стенки.

Второй эксперимент.

Я подумал, что дело в том, большие зазоры между лодочкой и пароводом. Решение родилось сразу и быстро. Взял две лодочки и совместил их так, чтобы получилась скорлупка. Внутрь разместил серебро, а в верхней половинке проточил отверстие диаметром 2 мм.

И стал всё это дело нагревать. Но, не учёл жёсткость лодочек и жёсткость токовводов. Скорлупки немного разошлись и образовалась между ними щель, через которую так же улетал пар во все стороны.

Как итог – напыл во всём объёме камеры. На фото ниже смотровое окно, лодочка в котором находилась чуть выше половины, но запылилось окно полностью.

Третий эксперимент.

Немного подумав и погоревав, я подумал, что ёмкость с испаряемым металлом должна быть герметичная и лишь с одним выходным отверстием, но как и из чего его сделать. Из вольфрама – очень дорого и сложно в обработке. Выход нашёлся! Графит – отличный материал для изготовления тигеля, назовём это так. На сайте объявлений я нашёл объявление о продаже графитовых брусков от контактных усов троллейбуса, вырезал брусок с отверстием по центру и сделал к нему крышку. На фото ниже – как раз брусок с отверстием под материал (без крышки).

А на этом фото уже в камере с установленной крышкой (в крышке отверстие диаметром 1 мм).

Ниже несколько фотографий с небольшим промежутком времени, из которых видно, как запылилось смотровое окно.

Очевидно, что и в этом случае успеха не получилось, к великому моему сожалению. Все три эксперимента проводил с плавным увеличением температуры от того состояния, когда испарения не происходит.

Видео, в котором информация изложена несколько иначе, в другом виде и объёме.

Вывод.

Да, желаемого результата получено не было, но зато мной получен бесценный опыт с построением техники низкого вакуума, работой по напылению металлов. Частью этого опыта я поделился с вами. Спасибо за внимание.

Был бы максимально рад и счастлив, если кто-то высказал бы свои мысли по проведённому мной эксперименту, ваши идею, фантазии и варианты использования установки.