Honzíkovy vláčky

Tvarování plastových fólií ve vakuu – první zkušenosti

Autor: Jan Hlaváček, Jan Plutnar Vydáno: 23.1.2022

Nic nového pod sluncem. Tvarování termoplastických fólií je další z bezpočtu technologií, které nachází uplatnění v modelářství. Hojně ji využívají „kitaři“ například při tvorbě kabin modelů letadel apod. Nebylo by na škodu se u někoho zkušeného poučit. Napadlo nás zkusit tímto způsobem vytvarovat maličká panoramatická okna u modelu motorového vozu M240 a přípojných vozů k němu (Balm, BFalm), které vznikly metodou stereolitografického 3D tisku, jak o tom píšeme ZDE. Už jenom pro pořádek dodáme, že model je v měřítku 1:160.

Opsáno z „moudrých knih“

Tentokrát zkrátím tradiční „poučovací“ odstavce pro méně zkušené na minimum. Vakuu se věnuje vakuová fyzika dost obšírně a podrobné informace jsou dostupné. Pro naši praxi ale asi nebude třeba vědět všechno. Myslíme si však, že pro základní přehled neuškodí zopakovat si pár faktů. Předně – latinské slovo vacuus (v překladu prázdný), česky vakuum, nebo též vzduchoprázdno, je vlastně prostor, kde nic není. 🙂 Z pohledu fyziky se tím myslí, že v uzavřeném prostoru nejsou žádné částice vzduchu, nebo jich je tam málo. Jinými slovy, jde o prostor, kde je při srovnání s normálním atmosférických tlakem tlak podstatně nižší.

Teoretici již dávno pojmenovali a do tabulky sestavili škálu vakua. Pomineme-li vakuum hrubé, jemné, vysoké, ultravysoké či extrémně vysoké, v této tabulce stojí na nejnižším místě podtlak. A u toho zůstaneme.¹⁾ Pro představu: Jestliže normální atmosférický tlak (měřeno v hektopascalech – hPa) je 1031,25²⁾, podtlak má hodnotu 1031,25 až 300 hPa, pro srovnání hrubé vakuum má hodnotu 300 až 1 hPa, atd.

Podtlak vyvine třeba i obyčejný vysavač. Uvádí se, že běžným vysavačem lze v uzavřeném prostorou vyvinout tlak zhruba poloviční oproti atmosférickému tlaku, který je okolo tohoto prostoru. Obdobných hodnot lze docílit i těmi nejjednoduššími kompresory pro airbrush, pokud jsou připojeny tzv. obráceně, tedy kdy je onen uzavřený prostor (např. upravená vzduchotěsná potravinová krabice) připojen hadičkou k sání kompresoru (jak o tom píšeme třeba ZDE). Jistě, kvalitnější kompresor (i ten, který je vyrobený z ledničkového kompresoru) poskytne větší podtlak. Aby ale nedošlo k mýlce, kompresory jsou primárně určeny pro vytváření tlaku, nikoliv podtlaku. Ale jde to… Pro podtlak jsou pochopitelně vymyšleny vývěvy. A ještě dodáme, že když v cit. Článku uvádíme, že např. pro odstranění bublinek z namíchané dvousložkové pryskyřice stačí malý podtlak, tak pro vakuové tváření, o kterém bude řeč dále, bude potřeba podtlak o dost vyšší.

______________________________

1) Wikipedie. In: https://cs.wikipedia.org/wiki/Vakuum
2) Tlak vzduchu je závislý na nadmořské výšce, na velikosti tíhového zrychlení, na mocnosti, teplotě a hustotě atmosféry v daném místě. Z důvodu snazšího porovnávání výsledků různých měření barometrického tlaku byl stanoven normální tlak vzduchu (normální atmosférický tlak) pn (též p0), zavedený jako průměrná hodnota tlaku vzduchu při mořské hladině na 45° s. š. při teplotě 15 °C a tíhovém zrychlení gn = 9,80665 ms−2. Je definovaný přesnou hodnotou: pn =101325 Pa = 1013,25 hPa. Blíže např. Wikipedie. In: https://cs.wikipedia.org/wiki/Atmosf%C3%A9rick%C3%BD_tlak

Vakuové tváření

Pokusy s podtlakem a jeho praktickým využitím jsou staré přes sto dvacet let. Tedy žádný objev současnosti. Jen technologie či způsoby užití se jako ve všem stále vyvíjí. A vznikají i neotřelé nápady v dílnách kutilů. Podtlaku se využívá v řadě průmyslových odvětvích, často jako součást výrobní technologie. Ve vakuu se také testuje těsnost bezpočtu produktů. S vakuem se např. musí vypořádat konstruktéři kosmických lodí. Bez technologie vakuování by nešly „napařit“ antireflexní vrstvy na skla našich brýlí nebo odrazové vrstvy do reflektorů moderních aut. Konečně, bez vakuově balených potravin si nedovedeme představit dnešní velkoprodejny; ostatně, balení potravin do vakuových fólií, ale i jiných předmětů, se stalo naprosto běžné i v domácnosti.

Právě o vakuovém tváření fólií (a to ještě ve velmi zúženém významu) je tato stať. Je k tomu potřeba především vhodná fólie, která je v teple tvárná (stručně řečeno termoplast) a přístroj, který nejdříve fólii ohřeje na potřebnou teplotu a následně ji dokáže přisát k formě, případně ke kopytu³⁾.

Fólie

Pro vakuové tváření dílů je potřeba termoplastická fólie. Pro okna modelů se dají sehnat fólie v různých tloušťkách. Firma Tamiya nabízí fólie tloušťky od 0,2 mm výše. Ale nabídka těchto fólií od jiných výrobců je velká. Jen je obtížnější je dohledat, resp. odhadnout, které jsou vhodné, protože v popisech prodejců v drtivé většině chybí dokonalé informace, především pak stran jejich reakce na teplo. Samozřejmě, že kromě termoplastických fólií se v průmyslu tváří ve vakuu i jiné materiály, třeba lamináty, ale to je jiný level.

Přístroje

Je překvapující, kolik návodů na stavbu vakuovacího zařízení „made in doma“ (DIY⁴⁾) existuje jen na YouTube. Kdo má slušně vybavenou dílnu a materiál, vyrobí si takové zařízení bez problémů. Ono jde o to, že s velikostí užitné tvářecí plochy se pochopitelně zvětšuje i samotný přístroj. Tady se ukazuje další výhoda „malých“ měřítek modelů, jako je naše N-ko 🙂 .

My jsme se orientovali na vakuovací přístroj (dále jen „vakuovač“) továrně vyráběný. Přístroj nese název Vakuový tvarovací stroj pro zubaře a v návodu je označen jako model JT-018 (obr. 1). Primárně je totiž určen pro dentální aplikace. Ověřili jsme si, že vzhledem ke své velikosti a výkonu jej lze s úspěchem využít při modelování v měřítku N (dáno velikostí tvářecí plochy).

_________________________________

3) Rádi bychom váženého čtenáře upozornili, že nejen pro účely tohoto článku je potřeba rozlišovat mezi pojmy „forma“ a „kopyto“, neboť čeština je jazyk barvitý 🙂 . Stručně řečeno, zatímco pojem „forma“ si většinou představujeme jako dutinu, „kopyto“ je opak. Slovník spisovné češtiny pro školu a veřejnost, Academia Praha 1978 uvádí u pojmu kopyto jeden z významů „forma na obuv“ (př. napnout botu na kopyto), tím pádem náš laický výklad „kulhá“, leč z logického výkladu vyplývá, že kopyto je předmět, na který se „něco“ navléká, něco se jím pokrývá… Ať už máme pravdu či nikoliv, zde budeme pro náš účel používat pojem „kopyto“.
4) Do it yourself (DIY), česky doslova „Udělej si sám“

Základní informace poskytnuté prodejcem na eBay:

Model JT-018
Voltage	220V/50Hz ± 10%
Power of the motor	800W
The power of the heating tube	600W
Forming size	126*126mm (5×5“)
Dimensions	25 × 21 × 30 cm
Weight	6 kg

Obr. 1 – Vakuový tvarovací stroj pro zubaře model JT-018; (a) – odlitek, ve kterém je uložen motor a sací turbína, (b) – vypínače pro motor a ohřev, (c) – tvarovaný rámeček s gumovým těsněním, (d) – čtvercová miska s mřížkou, (e) – svislé tyče, (f) – pákový mechanizmus, (g) – dvojitý rámeček na fólii, (h) – pákový zámek, (i) – topné těleso

Popis přístroje JT-018

Jedná se o integrovaný generátor podtlaku s tepelným ohřívačem fólie. Výkon motoru je 800 W. Elektrická ohřívací spirála má výkon 600W. Napájení přístroje je standardním síťovým napětím 230V/50 Hz. Velikost přístroje je 250x210x300 mm, hmotnost 6,5 kg. Pracovní plocha pro tváření (miska) je 126×126 mm (5×5 palců).

Podle všeho původní projekt okopírovalo a nyní ho vyrábí a prodává několik asijských výrobců, přičemž ty nejlevnější nabídky mají (ne)odpovídající kvalitu. (Poznámka: Varujeme před těmito padělky šířenými i na eBay, protože životnost přístroje do prvního elektrického zkratu se počítá v minutách – vlastní zkušenost.)

Spodní část vakuovače tvoří odlitek (a), ve kterém je uložen motor se sací turbínou. Na jeho čelní stěně jsou dva vypínače – pro ohřev a motor (b). Na horní ploše odlitku je umístěný tvarovaný rámeček s gumovým těsněním (c) krytý pevnou mřížkou s otvory o průměru 2 mm, skrz kterou se po zapnutí motoru nasává vzduch.

Na jeho pogumovaný čtvercový okraj (těsnění) se nasazuje čtvercová miska s vyššími boky (d), krytá pevnou mřížkou s otvory o průměru cca 2 mm, skrz kterou se po zapnutí motoru nasává vzduch. V této misce probíhá vlastní vakuové tvarování. Misku lze vyjímat.

Na přední a zadní svislé tyči (e) zapuštěné v odlitku s motorem se pohybuje díky pákovému mechanizmu (f) dvojitý rámeček (g), do kterého se vkládá fólie. Pákový mechanizmus umožňuje přesunout tento rámeček s fólií do horní zahřívací polohy (a zde ho fixovat), a do dolní vakuovaní polohy. Horní odklápěcí část tohoto rámečku fixuje fólii pákovým zámkem (h). Spodní rámeček má vybrání, které zapadne do horního okraje misky, když se tento díl pákovým mechanizmem spustí do vakuovaní polohy.

Použitá fólie musí být o něco větší, než je vnější rozměr rámečku, jednak proto, aby byla ve dvojitém rámečku dokonale fixovaná, ale hlavně aby mohl vzniknout podtlak. Do rámečku tedy nelze vložit odstřižek fólie užší, než je vnější rozměr rámečku.

Na zadní tyči nahoře je ještě připevněno masivní topné těleso s topnou spirálou (i) uvnitř, které vyzařuje po zapnutí tepelnou energii na několik málo centimetrů vzdálenou fólii. Celé topné těleso lze vytočit o téměř 90 st. do strany.

Princip vakuového tvarování spočívá v tom, že se do přístroje (do misky) vloží přesně vytvarované kopyto (např. 3D tiskem), nahřeje se termoplastická fólie upnutá v dvoudílném rámečku s pákovým zámkem, která se shora spustí pomocí pákového mechanizmu na kopyto za současného působení dosti silného sání, čímž vznikne mezi fólií a kopytem podtlak, který fólii dokonale přisaje ke kopytu a po vychladnutí fólie se zkopíruje negativní tvar kopyta.

Obsluha vakuovače

po připojení vodiče k el. síti zkontrolujte, zda je motor a topné těleso schopné bezpečného provozu,
připravte si kopyto (kopyta),
do dvojitého rámečku vložte termoplastickou fólie a zafixujte ji pákovým zámkem,
do misky vložte kopyto(a),
mějte přitom na paměti, že méně znamená více; tj. pokud budete současně tvarovat fólii okolo více kopyt, zvažte rozumnou vzdálenost mezi nimi, aby se fólie dokázala vytvarovat bez rizika poškození; jinými slovy na ploše cca jednoho decimetru zázraky neuděláte,
podle tvaru kopyta nasypte do misky ocelové kuličky (součást dodávky přístroje), kterými se eliminují místa, která není třeba vakuově tvarovat. Nízká kopyta se pochopitelně položí přímo na mřížku, ale když má např. kopyto výrazný podstavec, jehož tvar není třeba kopírovat, nasypou se do misky okolo kopyta kuličky, které takovému tvarování zabrání. Výhodou je, že se sníží tvarovaná výška předmětu a nedojde k event. poškození fólie kvůli jejímu vypnutí na výšku, a za druhé, vakuovaná fólie se z předmětu lépe sejme,
topné těleso natočte do zahřívací polohy,
rámeček s fólií pomocí pákového mechanizmu zvedněte do zahřívací polohy,
vypínačem zapněte vyhřívání a sledujte ohřívání fólie. Fólie se teplem začne různě kroutit a následně se začne pronášet vlivem gravitace. Když vytvoří „kapsu“ s prohnutím cca 10 mm pod okraj spodního rámečku misky (podle tloušťky fólie a vyhřátí topného tělesa to trvá cca 2 až 2,5 min.), vypněte topení, zapněte motor vakuovače a bezprostředně poté pákovým mechanizmem spusťte rámeček s fólií na misku do vakuovaní polohy. Tím okamžitě dojde k přisátí fólie ke kopytu. Je vhodné nechat sání puštěné 30 až 60 vteřin. V průběhu této operace je vhodné odklonit topné těleso na stranu;
po zchladnutí fólie ji otevřením pákového zámku uvolněte z dvojitého rámečku, vyjměte ji i s miskou z přístroje a odformujte ji od kopyta,
nadbytečnou fólii odstřihněte.
Pozor na ocelové kuličky, které se na některých místech dokonale přichytí zespodu k fólii.

Lze už jen dodat, že po spuštění motoru je přístroj dost hlučný, i když pracuje „na volnoběh“. Když vakuuje, tak píská jak MIG 21 při startu 🙂 (večer doma v bytě se nedá používat).

Vakuovač nevyžaduje zvláštní čištění nebo údržbu. Je ovšem důležité dbát na bezpečnostní a požární pravidla. Přístroj se po chvíli provozu výrazně zahřeje, takže je nutné předem odstranit z jeho blízkosti hořlavé předměty. Poměrně dlouho vychládá. Pozor při manipulaci na popáleniny rukou. Pozor: Před další manipulací s přístrojem mějte na paměti, že topné těleso hřeje jako žehlička. Při odstavení přístroje se vždy ujistěte se, že je vypnutý vypínač ohřívání a že byl přístroj odpojen od elektrické sítě. Dlouhodobé (zapomenuté) neodpojení ohřívač může vést k jeho zničení.

Poznatky (zejm. k bezpečnosti práce) na okraj

Vakuovač, který jsme testovali a jenž někdo někde vymyslel a vyrobil primárně pro dentisty, není drahý. Na eBay se cena zcela nového přístroje pohybuje okolo 100 až 150 €. Problém je jen v tom, že internet je zaplaven nabídkami replik tohoto zařízení, z nichž některé jsou z hlediska funkčnosti skutečně problematické. Sami jsme se o jednom takovém přesvědčili. Při jeho testování došlo ke zkratu vodičů na kostru v topném tělese, který způsobil vyhození jističů v polovině paneláku! 🙂 Je zbytečné spekulovat o tom, jestli byl ve skutečnosti vyroben v Číně nebo Polsku, ale bezpečnost nade vše. Po prohlédnutí většího množství nabídek na e-shopech je odlišnost „plagiátů“ patrná na první pohled (zjednodušené rámečky a pákový mechanizmus, pákový zámek atd.). Bohužel, dovnitř nikdo nevidí!

Obr. 2 a,b – Vakuovač nabízený v seriózních nabídkách e-shopů (vlevo) a ten, který přišel po zakoupení na eBay z Polska. Podobnost je až podezřele dokonalá, provedení a funkčnost nikoliv 🙂

Zařízení, které jsme si pořídili na eBay, nemá žádný identifikační štítek (kromě fiktivních nálepek o bezpečnostních parametrech), takže skutečný výrobce zůstává v hluboké anonymitě internetu. Samozřejmě, přístroj byl dodán bez návodu. V popisu na eBay je jen několik stručných bodů pracovního postupu, po bezpečnostních pravidlech ani stopa. Naštěstí, ovládání přístroje je intuitivní a díky několika videím na YouTubu je snadno pochopitelné. Obsluhu vakuovače jsme rozvedli výše.

Účel použití a první poznatky s vakuovačem

Hned v úvodu si dovolujeme konstatovat, že naše úvaha o použití vakuovače pro vytvarování zejm. panoramatických oken modelů lokomotiv a motorových vozů v měřítku N funguje podle představy.

Po nákupu a změření tloušťky termoplastické fólie (tl. 0,2 mm) v modelářském obchodě Pecka jsme zvažovali, jestli bychom neměli sehnat pro modely v měřítku 1:160 fólii tenčí. Po zkouškách vakuování s různými předměty (malými i většími) se ukázalo, že tloušťka výsledné fólie se ztenčila na cca 0,1 mm. Čímž se jakoby sama vyřešila úvaha o tom, že pro maličká okna modelů v N-ku bude třeba sehnat tenčí fólii. Asi to nebude třeba. Ještě ale samozřejmě budeme muset laborovat s fóliemi pro velké modely.

Vakuovat v misce 126 x 126 mm vždy jen s jedním kopytem (v daném případě např. okno pro Balm k M240) je nehospodárné. I pro malosérie bude asi vhodné vytisknout si předem několik stejných kopyt, které se do misky umístí jednotlivě, nebo v lepším případ se zespodu propojí nějakým konstrukčním prvkem (trámečkem).

Kopyto potřebuje v místě styku se dnem misky milimetr či dva materiálu navíc, aby došlo k lepšímu obtažení fólie. Jinými slovy, je nutné počítat s maličkým rádiusem, který musí fólie okolo „pravého úhlu“ vytvořit.

Vždy ale bude třeba mezi kopyty (když jich bude na ploše misky několik) dodržovat nějakou rozumnou minimální vzdálenost, aby měla fólie dost možností naformovat se kolem nich bez poškození, myslíme tím ztenčení fólie nad nějaký minimální limit (který bohužel neznáme).

Odstřižená fólie z archu (před vakuováním) musím mít rozměr o fous větší, než je vnější rozměr rámečku, do které se fixuje pákovým zámkem, protože jinak ji podtlak z rámečku vytrhne a sání je neúčinné.

Vytvarovanou fólii jsme měřili mikrometrem. Oproti nové fólii, která má tloušťku 0,2 mm, se po vakuovém tvarování tloušťka zmenšila na 0,1 mm. Což se nám jeví jako dobře.

První pokusy naznačují, že bude zřejmě potřeba zapracovat na kopytu. Jde o to, že se jedná o velice maličký předmět a dokonalému přitisknutí fólie v podtlaku by možná prospěly kanálky, které by lépe odsávaly vzduch.

Povrch vytvarované fólie absolutně přesně kopíruje povrch kopyta. Před tvarováním je proto potřeba povrch kopyta vyleštit (i přesný 3D tisk za určitých okolností vytváří tzv. „letokruhy“.

Vše, co je na ploše makety ve směru shora se vytvaruje naprosto dokonale. Horší to je s detaily na bocích (kolmých k základně). Jak už je uvedeno výše, možná u maličkých kopyt pomohou „odvzdušňovací kanálky“.

Autor děkuje Janu Plutnarovi a Luboši Domalípovi za připomínky k rukopisu a faktickou pomoc při testech.

Zdroje:
Vakuum servis. In: https://www.vakuum-servis.cz/vakuum-v-praxi
Wikipedia. In: https://cs.wikipedia.org/wiki/Vakuum
http://sk.ulikeortho.com/dental-laboratory-products/dental-vacuum-forming-molding-machine.html

Foto: Autor, internet

Pokračování ZDE.