Экструзия профиля и выдувание плёнки

Сопло 3D-принтера — это экструзионная головка, и оно разбухает так же, как любая такая головка. Это самая наглядная демонстрация, доступная на рабочем столе. Нагрейте хотэнд до температуры печати, держа сопло над столом, и медленно экструдируйте в воздух. Поймайте нить, дайте ей остыть и измерьте её микрометром. Она **больше диаметра сопла**. Сопло 0,4 мм обычно даёт свободную нить диаметром 0,45–0,55 мм в зависимости от полимера и температуры. Проделайте это для PLA, PETG и ABS и составьте таблицу коэффициента разбухания для каждого. Затем измените условия и наблюдайте, как меняется коэффициент: - **Экструдируйте быстрее.** Разбухание увеличивается, потому что цепи сильнее растягиваются в головке и сильнее восстанавливаются. - **Экструдируйте горячее.** Разбухание уменьшается, потому что цепи успевают расслабиться до того, как застынут. Теперь отмените это. Экструдируйте в воздух и пинцетом вытягивайте нить быстрее, чем она выходит. Измерьте снова: нить тоньше сопла. Это **вытяжка (draw-down)**, а в реальной линии то же самое делает тянущее устройство с контролируемой скоростью. Эти два противоположно действующих эффекта и составляют основу управления профильной экструзией. Шаг 4 вводит числа для их комбинации.

Теперь сделайте профилированное сечение вместо круглого. Вам понадобится небольшая фильера: пластина с прорезью или крестообразным вырезом, установленная там, где выходит нить. Самый дешёвый рабочий вариант — **фильера из пластины для сопла 3D-принтера**: тонкая латунная или алюминиевая пластина, просверленная и подпиленная со щелью 2 мм, закреплённая в зажиме на расстоянии 1 мм под соплом, чтобы экструдат продавливался через неё. Грубо, горячо и хлопотно, но демонстрирует два важных момента. **Рабочий участок (калибрующая часть).** Параллельный участок фильеры после сужения. Короткий участок даёт больше разбухания и более шероховатую поверхность; более длинный позволяет цепям релаксировать внутри фильеры и даёт более стабильное и точное сечение. Изготовьте две пластины: одну с рабочим участком 1 мм, другую с 4 мм, и сравните экструдат. **Неравномерный поток.** Экструдируйте через щель, которая шире на одном конце. Расплав быстрее выходит там, где фильера более открыта, поэтому профиль при выходе изгибается в сторону медленной стороны. Так ведёт себя любой асимметричный профиль, а реальная фильера выполняется с намеренно неодинаковой длиной рабочих участков для выравнивания потока — именно поэтому экструзионную фильеру настраивают вручную на машине, а не считают готовой на стадии CAD. Охлаждайте экструдат так, как это делается на реальной линии: пропустите его через неглубокий лоток с водой на расстоянии нескольких сантиметров от фильеры. Учтите, что слишком быстрое охлаждение замораживает внешний слой, пока внутренняя часть ещё сжимается, и сечение искривляется. Расплавленный полимер при 200–260 °C, горячая латунная пластина и вода в непосредственной близости. Защитный щиток, перчатки, устойчивый зажим, и никогда не ловите падающую горячую нить руками.

Выдувная плёнка — это экструзия с сильной вытяжкой: расплав выходит из кольцевой головки тонкой трубкой, воздух раздувает её до нескольких диаметров, а валки тянут её вверх во много раз быстрее, чем она вышла. Она застывает на лету, растянутая в обоих направлениях сразу. Выдуть плёнку на лабораторном столе нельзя, но можно получить её *свойство* и убедиться, что оно важно, а это и есть самое полезное. Возьмите пакет или кусок упаковочной плёнки. Вырежьте две полоски: одну вдоль направления намотки рулона, другую поперёк. Направление намотки обычно видно по линиям сгиба или по печати. Рвите обе полоски руками. Одна рвётся чисто и легко по прямой линии; другая сопротивляется и уходит в сторону. Затем растяните обе до разрыва на пружинном динамометре и запишите усилие. Эта разница и есть **ориентация**: цепи выстроены в одном направлении сильнее, чем в другом, поэтому плёнка прочна вдоль них и рвётся между ними. Пакет, который красиво рвётся по длине и не рвётся поперёк, — это пакет, у которого степень раздува и вытяжки не были сбалансированы. Теперь проделайте то же самое с куском **литой** плёнки — пищевой плёнки или листа, вырезанного из запаса ступени вакуумного формования. Она ведёт себя гораздо равномернее в обоих направлениях, но и слабее. В этом и компромисс: ориентация даёт прочность в направлении ориентации и отнимает её в другом. Запомните этот результат. Следующая ступень развивает его гораздо дальше и делает из него бутылку.

**Атрибуция, изложенная честно.** Ни один отдельный патент не заявляется для этой ступени. Шнековая экструзия пластмасс возникла из резиновой промышленности на протяжении XIX века и была прочно установлена к 1930-м годам, а каталог уже относит ступень экструзии труб из свинца к её предку в металлообработке. Десятки заявок охватывают отдельные матрицы, шнеки и компенсации разбухания расплава; ни одна из них не является *тем* патентом на экструзию, и утверждать обратное означало бы выдумывать аккуратность, которой у истории нет. **Что это даёт экономике.** Экструзия — самый дешёвый способ превратить полимер в полезную геометрию, поскольку инструмент работает непрерывно, а его стоимость распределяется по длине, а не по отдельным деталям. Именно поэтому самые дешёвые пластиковые изделия в мире — плёнка, пакет, труба, профиль — производятся экструзией, и почему небольшая литая деталь может стоить больше, чем метр экструдированного профиля, весящего в десять раз больше. **Ориентация — идея, которую нужно нести дальше.** Всё, что находится после фильеры в линии производства плёнки или волокна, существует для того, чтобы растягивать полимер в момент его затвердевания, поскольку растяжение выстраивает цепи в одном направлении, а выстроенные цепи гораздо прочнее. Следующая ступень — тот же принцип, применённый целенаправленно в двух направлениях, для создания бутылки, выдерживающей давление пять бар. **Честные ограничения.** Экструзия создаёт только постоянные сечения и ничего больше — любые изменения по длине приходится добавлять позже. Допуски значительно менее жёсткие, чем при литье, и они меняются в зависимости от скорости линии, температуры расплава и охлаждения. Разбухание расплава невозможно рассчитать с полезной точностью для реального компаунда, поэтому матрицы вытачивают, испытывают, измеряют и дорабатывают заново; работа на стенде на шаге 2 — небольшая честная версия именно такого цикла. Кроме того, процесс не прощает влажного сырья: гигроскопичные полимеры необходимо сушить, иначе вода вскипает в матрице, и экструдат выходит вспененным и с полосами.