Fyzikální kabinet FyzKAB

Po posledním článku věnovanému úpravě laser-boxu jsme narazili na stránky kolegů z gymnázia v Rumburk, na kterých mají několik svých 3D modelů pro výuku i pro opravu stávajících školních pomůcek. Prezentují tam i návrh na opravu cívky demonstrační sady školního rozkladného transformátoru, což bylo mimochodem jedno z našich prvních využití školní 3D tiskárny. Opět se ukazuje, jak vlastně na všech školách musí řešit učitelé stejné problémy, a jaká je škoda, že se o existenci funkčního řešení dozví zpravidla až po absolvování (někdy zbytečně trnité) cesty svého vlastního řešení. 😒

V dnešním článku si představíme možné řešení opravy cívek pro školní demonstrační sadu rozkladného transformátoru, pokusíme se zde i nastínit důvody, které nás právě k tomuto řešení vedly.

Letitá demonstrační sada rozkladného transformátoru je klasickou ukázkou „festovní“ fyzikální pomůcky, kterou hned tak něco nezničí a o které si v dnešních nabídkových katalozích školních pomůcek můžeme nechat tak akorát zdát. Zejména její starší podoba s cívkami navinutými ještě na pertinaxovém těle snese i dlouhodobější přetížení, tedy i následné značné přehřátí. Je jasné, že tato sada i přes řadu šrámů a jiných náznaků opotřebení patří doslova ke zlatému fondu nejednoho fyzikálního kabinetu.

Obr. 1 – Sada rozkladného transformátoru s novějšími cívkami na plastovém těle ^zdroj: [1]

Poměrně časté používání této sady však může, i při vší opatrnosti, přivodit nějaká ta mechanická poškození. Zejména se jedná o poškození těla cívky plynoucí z pádu na zem, když se během přestávky snažíme odnést najednou plnou náruč pomůcek do kabinetu. Tělo cívek, zpravidla těch novějších plastových, se tak prostě ulomí nebo rozštípne. Někdy ovšem nemusíme hned svou neopatrností cívku poničit, ale třeba zatoužíme vytvořit si cívku s nestandardním počtem závitů pro nějaký hezký experiment. Zkrátka a dobře, najednou stojíme před úkolem vytvořit tělo cívky pro návin nového vinutí, nebo mít náhradní část pro opravu poškozeného těla cívky původní.

Obr. 2 – I takovéto fragmenty cívek lze v kabinetech občas najít. Je otázkou, zda z takového šrotu lze vůbec udělat ještě cívku?

V případě starších pertinaxových cívek je asi nejlepší okopírovat tvar poškozené destičky a vyříznou ji novou – například z cuprexitu, který se používá na výrobu plošných spojů, nebo modelářského laminátu. Pochopitelně daný díl lze i vytisknout na 3D tiskárně, ale přednost těchto cívek, jak bylo zmíněno, je jejich tepelná odolnost, takže použití dílů z teplotně nestabilního filamentu by bylo asi krokem zpět. Skládání cívky z destiček laminátu v kombinaci s kovovými vinglíky ze stavebnice Merkur (jak vidíme na obrázku č. 3) používal i tvůrce, který se snažil v posledních letech tyto cívky jako doplňky ke školním sadám stále vyrábět. Bohužel podle našich zpráv již cívky nevyrábí.

Naše řešení

Řešení, které jsme pro opravu a obnovu cívek školní sady zvolili, vychází ze situace, kdy jsme původně celý návrh nového těla cívky vůbec tvořit nechtěli. Naším primárním cílem bylo vytvořit jen díly pro opravu a náhradu poškozených částí cívek novějšího provedení (plastových) cívek. Původně tak vznikl jen díl horního panelu a univerzální bočnice. Horní panel byl vyroben jako plně kompatibilní a výměnný za starý původní. Boční díl nejdříve vznikl v podobě jakési „protézy“ za poškozený původní panel, který se při opravě odřezával. Až když vznikla potřeba i dílu dolního, řekli jsme si, že by už nebylo špatné vytvořit i poslední část, tedy bočnici s tunelem jádra.

Byl vytvořen návrh celého těla cívky, který se skládá ze čtyř základních částí, které lze libovolně použít pro opravu poškozené cívky původní, nebo pro stavbu celého nového těla cívky. V případě horního a dolního panelu se jedná o plně záměnný díl s díly původními. V případě bočnic je jedna uzpůsobena tak, aby ji bylo možné použít pro dřívější způsob opravy poškozené boční části. Zpravidla se to provede tak, že se poškozený díl odřízne z tunelu jádra a na vzniklý pahýl se nalepí část nová. Tento nový díl zároveň svírá k sobě díly tunelu jádra, který je v originálním řešení tvořen ze dvou částí. Díl s tunelem jádra je naopak navržen tak, aby bylo možné na něj přendat celé vinutí, pokud by se mělo u cívky měnit tělo celé. V tom případě stačí na původní cívce opatrným odříznutím odstranit bočnici (podobně jako při její výměně), pak vinutí přesunout po tunelu jádra na přiložený nový díl s tunelem jádra. K návrhu nového dílu s celým tunelem jádra nás vedla i možnost domácího (popř. i profesionálního) navinutí nového vinutí v případě stavby cívky nové, kdy je celý tunel jádra využit rovnou jako navíjecí trn.

Obr. 4 – 3D návrh nového těla cívky a náhled jeho jednotlivých dílů

Jednotlivé díly jsou též navrženy tak, aby je bylo možno co nejjednodušeji tisknout na standardní 3D tiskárně (pokud možno bez potřebných podpěr). Pohledové části dílů jsou orientovány na podložku, takže vnější části ani nenesou tradiční vrstevnatou strukturu – tradiční náznak 3D tisku. Pro tisk je možné použít filament PETG nebo PLA. Druhý zmíněný je poněkud křehčí. Na druhou stranu, díly ani z jednoho ze zmíněných materiálů nevydrží pád cívky na zem – v tom se nové díly od originálních neliší!

Díly jsou poměrně jednoduché a s minimem detailů, není tedy třeba nastavovat zbytečně jemný tisk. Všechny díly lze tisknout při standardním nastavení použité 3D tiskárny. Pro výplň jednotlivých dílů doporučujeme nastavit minimálně 25 %. Díly je třeba slepit vhodným lepidlem dle použitého tiskového materiálu. V místě sesazení horního (popř. dolního) dílu s bočnicemi jsou díly sesazeny trochu volněji, neboť se zde počítá s lepidlem. Naopak nasazení bočnice s otvorem na tunel jádra bude trochu těsnější, neboť se zde s lepidlem moc nepočítá (popř. lze užít tekuté/gelové vteřinové lepidlo).

Obr. 5 – Celá sestava dílů cívky se vejde na tiskovou podložku 3D tiskárny, takže ji lze vytisknout i najednou

Pochopitelně celý návrh není příliš určen pro jakoukoliv masovou výrobu. Limitujícím faktorem je především rychlost 3D tisku. Celková doba tisku sestavy těla cívky je okolo 7 hod. Následující tabulka ukazuje časy tisku a spotřebu filamentu jednotlivých dílů. Údaje jsou uvedeny pro tiskárnu PRUSA i3 MKS2S při nastavení jemnosti „0,20 mm 100 mms Linear Advance“, výplň 30 % a typu filamentu „Generic PETG“.

Opomeneme-li celkovou časovou náročnost výroby, tak celkové náklady na výrobu nového těla cívky nejsou zase tak příliš tragické. Navíc tiskárna zvládne tisknout tyto poměrně jednoduché díly bez nutnosti dohledu. Takže si během tisku můžete odskočit do třídy „sem tam“ něco i odučit. 😜

Obr. 6 – Srovnání: původní plastová verze (vlevo), 3D tisk bez dolního dílu (uprostřed), nejstarší pertinaxová verze (vpravo)

STL soubory pro stažení (verze 1.0)

Pro zájemce o možnou opravu celého těla (nebo jen části) cívky rozkladného transformátoru přikládáme ZIP soubor s jednotlivými STL soubory pro 3D tisk.

Na samotný závěr se ještě sluší zmínit, jak v případě stavby nové cívky navinout potřebné vinutí. Tradiční cesta českého fyzikáře je pochopitelně navinou si sám – nejlépe během večerního sledování některého z bezduchých seriálů 👍. Ne každý je však příbuzným bývalého elektrikáře, aby měl za sebou dílnu se zaprášenými špulkami potřebného smaltovaného drátu. Takže nakonec se stejně dospěje k tomu, že nejlepší je nechat si cívku navinout někým, kdo to opravdu umí. Osobně doporučujeme využít služeb lidí, kteří nabízejí převíjení motorů. Nejlepší zkušenost je se staršími pány, kteří tuto živnost provozují tak trochu z nostalgie a pro zábavu při svém důchodu. Tam je poměr výkon/cena asi nejlepší.

Co však bude, až tito lidé nebudou?
Asi NIC! Jak vidno i v tomto směru české školství stojí na bedrech „ADHD důchodců“.

Ať už se rozhodnete opravit právě uražený roh na spadlé cívce, nebo třeba vyrobit celou cívku novou, přejeme Vám, ať se to podaří. Doufejme, že Vám naše soubory pro 3D tisk při tom aspoň trochu pomohou.

Zdroje:

[1] HLOUŠKOVÁ, Jitka. Rozkladný transformátor. In: KUBERA, Miroslav, Miroslav NEČAS a Vojtěch BENEŠ. E-manuel [online]. Brno, 2022 [cit. 2023-08-29].
Dostupné z: https://e-manuel.cz/kapitoly/elektromagneticke-stroje/vyklad/transformator-a-usmernovac/
(oříznuto, zmenšeno, retušováno)