Самоделки своими руками

Как сделать станок для резки пенопласта
нихромовой проволокой

Тепло и звукоизоляционные строительные материалы на рынке представлены в широком ассортименте, это вспененный полиэтилен, минеральная и базальтовая вата и многие другие. Но самым распространенным для утепления и звукоизоляции является экструдированный пенополистирол и пенопласт, благодаря высоким физико-химическим свойствам, простоте монтажа, малому весу и низкой стоимости. Пенопласт имеет низкий коэффициент теплопроводности, высокий коэффициент звукопоглощения, устойчив к воздействию воды, слабых кислот, щелочей. Пенопласт устойчив к воздействию температуры окружающей среды, от минимально возможной до 90˚С. Даже через десятки лет пенопласт не меняет своих физико-химических свойств. Пенопласт также обладает достаточной механической прочностью.

Пенопласт обладает еще очень важными свойствами, это пожароустойчивость (при воздействии огня пенопласт не тлеет как древесина), экологическая чистота (так как пенопласт сделан из стирола, то в таре из него можно хранить даже пищевые продукты). На пенопласте не возникают грибки и очаги бактерий. Практически идеальный материал для утепления и звукоизоляции при строительстве и ремонте домов, квартир, гаражей, и даже упаковки для хранения продуктов питания.

Нарезанный на станке пенопласт

В магазинах строительных материалов пенопласт продается в виде пластин разной толщины и размеров. При ремонте зачастую нужны листы пенопласта разной толщины. При наличии станка для резки пенопласта всегда можно нарезать из толстой пластины листы пенопласта нужной толщины. Станок также позволяет фигурную пенопластовую упаковку от бытовой техники превратить в пластинки, как на фотографии выше, и успешно разрезать толстые листы поролона для ремонта мебели.

Как легко режется пенопласт на самодельном станке, наглядно демонстрирует видео ролик.

Всего просмотров: 26976

При желании сделать станок для резки пенопласта и поролона многих останавливает сложность с организацией подачи питающего напряжения для разогрева нихромовой струны до нужной температуры. Это препятствие преодолимо, если разобраться в физике вопроса.

Конструкция станка для резки пенопласта

Основанием приспособления для резки пенопласта послужил лист ДСП (древесно-стружечной плиты). Размер плиты нужно брать исходя из ширины пластин пенопласта, которые планируется разрезать. Я использовал дверку от мебели размером 40×60 см. При таком размере основания можно будет разрезать пластины пенопласта шириной до 50 см. Основание можно сделать из листа фанеры, широкой доски, закрепить струну резки непосредственно на рабочем столе или верстаке.

Натягивать нихромовую струну между двумя гвоздями предел лени домашнего мастера, поэтому я реализовал простейшую конструкцию, обеспечивающую надежную фиксацию и плавную регулировку высоты расположения струны в процессе резки над поверхностью основания станка.

Крепятся концы нихромовой проволоки за пружины, одетые на винты М4. Сами винты закручены в металлические стойки, запрессованные в основание станка. При толщине основания 18 мм, я подобрал металлическую стойку длиной 28 мм, из расчета, чтобы при полном вкручивании винт не выходил за пределы нижней стороны основания, а при максимально выкрученном состоянии обеспечивал толщину нарезки пенопласта 50 мм. Если потребуется нарезать листы пенопласта или поролона большей толщины, то достаточно будет заменить винты более длинными.

Регулировка высоты нахождения вольфрамовой струны

Чтобы запрессовать стойку в основание, сначала в нем просверливается отверстие, диаметром на 0,5 мм меньше, чем внешний диаметр стойки. Для того, чтобы стойки легко можно было забить молотком в основание, острые кромки с торцов были сняты на наждачной колонке.

Запрессовка стойки в основание станка

Прежде, чем закручивать в стойку винт, у его головки была проточена канавка, чтобы нихромовая проволока при регулировке не могла произвольно перемещаться, а занимала требуемое положение.

Канавка у головки винта

Чтобы проточить в винте канавку, сначала его резьбу нужно защитить от деформации, надев пластиковую трубку или обернуть плотной бумагой. Затем зажать в патроне дрели, включить дрель и приложить узкий надфиль. Через минуту канавка будет готова.

Для исключения провисания нихромовой проволоки из-за удлинения при нагреве, она закреплена к винтам через пружины.

Крепление пружины к нихромовой проволоке

Подходящей оказалась пружина от компьютерного монитора, используемая для натяжения заземляющих проводников на кинескопе. Пружина была длиннее, чем требовалось, пришлось сделать из нее две, для каждой стороны крепления проволоки.

После подготовки всех крепежных деталей можно закреплять нихромовую проволоку. Так как ток при работе станка для резки пенопласта потребляется значительный, около 10 А, то для надежного контакта токоподводящего провода с нихромовой проволокой я применил способ крепления скруткой с обжатием. Толщину медного провода при токе 10 А необходимо брать сечением не менее 1,45 мм2. Выбрать сечение. провода для подключения нихромовой проволоки можно из таблицы. В моем распоряжении имелся провод сечением около 1 мм2. Поэтому пришлось каждый из проводов сделать из двух сечением 1 мм2, соединенных параллельно.

Подсоединение медного провода к нихромовой струне

После снятия изоляции с концов проводов на длину около 20 мм, медные проводники навиваются на струну нихромовой проволочки в месте ее крепления к пружине. Затем, удерживая нихромовую проволочку за петлю плоскогубцами, сделанная обвивка медного провода овивается свободным концом нихромовой в противоположную сторону.

Такой способ соединения токоподводящего медного провода с нихромовым проводом обеспечит большую площадь их контакта и исключит сильный нагрев в месте соединения при работе станка для резки пенопласта. Это подтвердила практика, после продолжительной резки пенопласта, полихлорвиниловая оболочка токоподводящего провода не оплавилась, медный провод в зоне соединения не изменил своего цвета.

Медный провода к нихромовой струне подсоединен

Для возможности регулировки толщины резки пенопласта на приспособлении, отвод токоподводящих проводников сделан с петлей. Чтобы провода не мешали при работе, они пропущены через отверстия в основании и закреплены на обратной его стороне скобками. По углам основания прибиты такие же скобки в качестве ножек.

Монтаж токоподводящего провода на основании станка

Токоподводящие провода, чтобы не запутывались, свиты между собой. На концах проводов для подключения к источнику питания, запаяны накидные клеммы.

Выбор нихромовой проволоки

Нихромовая проволока по внешнему виду мало чем отличается от стальной проволоки, но сделана она из сплава хрома и никеля. Наиболее распространена проволока марки Х20Н80, содержащая 20% хрома и 80% никеля. Однако в отличие от стальной или медной проволоки, нихромовая проволока имеет большее удельное сопротивление и выдерживает, сохраняя, высокую механическую прочность температуру нагрева до 1200˚С. Нихромовая проволока выпускается диаметром от 0,1 мм до 10 мм.

Нихромовая проволока широко используется в качестве нагревательных элементов в бытовых и промышленных изделиях, таких как электрический фен, утюг, электроплитка, лучевые обогреватели, паяльники, водонагреватели и даже в электрочайниках. И это далеко не полный перечень. Так называемые нагреватели типа ТЭН тоже изготовлены из нихромовой проволоки, только спираль размещена в металлической трубке, которая заполнена для изоляции и передаче тепла от спирали к стенкам трубки, кварцевым песком. Привел перечень приборов не случайно, просто из вышедшего из строя нагревательного элемента можно взять нихромовую проволоку для изготовления станка резки пенопласта, конечно, если она не успела перегореть от долгой работы.

Резка пенопласта на станке заключается в расплавлении его по линии прохода, разогретой нихромовой проволоки. Температура плавления пенопласта составляет около 270˚С. чтобы пенопласт плавился при соприкосновении с проволокой, температура ее должна быт в несколько раз больше, так как тепло будет расходоваться не только на плавление, но и за счет теплопроводности поглощаться самим пенопластом, снижая температуру проволоки. Количество поглощаемого пенопластом тепла будет напрямую зависеть от его плотности. Чем плотнее пенопласт, тем больше потребуется тепловой энергии.

Из выше сказанного следует, что в зависимости от плотности пенопласта для изготовления станка для его резки необходимо выбирать проволоку соответствующего диаметра, чтобы нихромовая проволока не расплавилась от выделяющегося на ней тепла. Чем выше плотность пенопласта, тем большего диаметра должна быть нихромовая проволока. Стоит заметить, что станком, на котором установлена проволока для резки плотного пенопласта с успехом будет резаться и неплотный, только продвигать его надо будет быстрее.

Длина нихромовой проволоки для приспособления выбирается исходя из размеров пластин пенопласта, предназначенного для резки, и от плотности пенопласта не зависит.

В результате подведенных экспериментов, было определено, что для эффективной резки пенопласта мощность, которую необходимо подавать на единицу длины проволоки должна быть в пределах 1,5-2,5 Вт на сантиметр длины проволоки, для такого режим работы лучше всего подходит нихромовая проволока диаметром 0,5-0,8 мм. Она позволяет выделить достаточное количество тепла для быстрой резки пенопласта любой плотности, сохраняя при этом свою механическую прочность. Поэтому для изготовления станка для резки пенопласта была использована нихромовая проволока диаметром 0,8 мм.

Расчет параметров источника электропитания
для нагрева проволоки

Надо отметить, что для разогрева нихромовой проволоки станка для резки пенопласта подойдет источник электропитания как переменного тока, так и постоянного.

С учетом того, что на сантиметре длины проволоки нужно выделять мощность не более 2,5  ватта и длине проволоки 50 см, можно рассчитать мощность источника электропитания. Для этого нужно умножить величину выделяемой мощности на длину проволоки. В результате получается, что для разогрева проволоки станка для резки пенопласт понадобится источник электропитания мощность 125 Вт.

Теперь необходимо определить величину напряжения источника электропитания. Для этого нужно знать сопротивление нихромовой проволоки станка для резки пенопласта.

Сопротивление проволоки можно рассчитать по удельному сопротивлению (сопротивлению одного метра проволоки). Удельное сопротивление проволоки из нихрома марки Х20Н80 приведено в таблице. Для других марок нихрома значения отличаются незначительно.

Зависимость погонного сопротивления (одного метра) проволоки из нихрома Х20Н80 от величины его диаметра
Диаметр нихромового провода, мм 0,10,20,30,40,50,600,70,80,91,01,11,21,31,52,02,22,53,03,54,0
Погонное сопротивление, Ом/м 137,0034,6015,718,755,603,932,892,201,701,401,160,970,830,620,350,310,220,160,110,087

Как видно из таблицы, для проволоки диаметром 0,8 мм удельное сопротивление составляет 2,2 Ом, следовательно, нихромовая проволока длинной 50 см, которая была выбрана для станка резки пенопласта, будет иметь сопротивление 1,1 Ом. Если выбрать проволоку диаметром 0,5 мм, то сопротивление отрезка проволоки длиной 50 см составит 2,8 Ом.

Воспользовавшись преобразованными формулами законов Ома и Джоуля – Ленца, получим формулу для расчета величины питающего напряжения для станка резки пенопласта. Величина питающего напряжения будет равна корню из произведения величины потребляемой мощности и сопротивления проволоки. В результате вычислений получается, что необходим источник питания напряжением 11,7 В. При этом ток потребления от источника составит 11,7 А. Для того, чтобы найти величину тока, нужно потребляемую мощность разделить на величину напряжения. Поделив 125 Вт на 11,7 В получим ток 11,7 А.

В результате расчетов определено, что для нагрева нихромовой проволоки станка для резки пенопласта необходим источник питания переменного или постоянного тока, выдающий напряжение 11,7 В, и обеспечивающий ток нагрузки 12 А.

При уменьшении или увеличении длины проволоки, напряжение источника питания необходимо будет пропорционально уменьшить или увеличить соответственно. При этом величина тока не изменится.

Выполненный расчет является оценочным, так как не учтено переходное сопротивление в точках соединения проводов и сопротивление токоподводящих проводников. Поэтому оптимальный режим нагрева проволоки в конечном итоге приходится устанавливать непосредственно при резке пенопласта на приспособлении.

Электрическая схема источника электропитания
станка для резки пенопласта

Подать питающее напряжение на нихромовую нить станка для резки пенопласта можно с помощью нескольких схем.

Схема станка для резки пенопласта с использованием ЛАТР

Наиболее простым вариантом источника электропитания станка для резки пенопласта является автотрансформатор с возможностью плавной регулировки выходного напряжения. Но эта схема имеет существенный недостаток, не имеет гальванической развязки с питающей сетью, так как выход ЛАТРа непосредственно соединен с электросетью. Поэтому при использовании ЛАТРа необходимо его подключать таким образом, чтобы общий провод был подключен к нулевому проводу питающей сети.

Схема подключения с помощью ЛАТРа

Электрическая схема подключения нихромовой спирали станка для резки пенопласта к ЛАТРу.

Что такое ЛАТР и как он устроен

Промышленностью выпускаются лабораторные автотрансформаторы, которые принято называть ЛАТР (лабораторный автотрансформатор регулируемый). Они подключаются непосредственно к бытовой электросети 220 В и в зависимости от типа ЛАТРа рассчитаны на различный ток нагрузки.

Лабораторный автотрансформатор ЛАТР

ЛАТР представляет собой тороидальный трансформатор с одной первичной обмоткой, по виткам которой при вращении расположенной сверху ручки, перемещается графитовое колесико, позволяющее снимать напряжение с любого участка обмотки. Таким способом на выходе ЛАТРа можно изменять напряжение от 0 до 240 В.

Провода к ЛАТРу подсоединяются с помощью клеммной колодки, на которой нарисована его электрическая схема и нанесены надписи «Сеть» и «Нагрузка». К клеммам «Сеть» подсоединяется шнур с вилкой, для подключения к бытовой сети. К клеммам «Нагрузка» подключается изделие, которое нужно запитать напряжением, отличным от бытовой электросети.

Электрическая схема ЛАТР

Внимание! Один из сетевых проводов, нижние клеммы на фото, соединен непосредственно с одним из проводов нагрузки. Таким образом, если на нижний вывод попадет фаза, то прикосновение к этой цепи будет опасным для человека.

Поэтому, в случае использования ЛАТРа для нагрева нихромовой проволоки станка резки пенопласта без развязывающего трансформатора, необходимо обязательно индикатором фазы проверить отсутствие фазы на общем проводе. Если на нем фаза, вынуть питающую ЛАТР вилку из розетки и, развернув ее на 180 градусов, опять вставить. Повторно проверить нижний провод на предмет наличия фазы.

Обычно на корпусе ЛАТРа имеется этикетка, на которой приводятся данные по его нагрузочной способности. На ЛАТРе, который изображен на фотографии, этикетка установлена непосредственно на регулировочной ручке.

Этикетка ЛАТР

Из этикетки следует, что это ЛАТР типа ЛОСН, выходное напряжение можно регулировать в диапазоне от 5 до 240 вольт, максимальный ток нагрузки составляет 2 А.

Если расчетный ток не превышает 8 А, то вполне можно запитать нихромовую проволоку через ЛАТР типа РНО 250-2.

ЛАТР типа РНО

Этот ЛАТР позволяет подключать нагрузку с током потребления до 8 А, но учитывая кратковременность работы станка для резки пенопласта, вполне выдержит ток нагрузки и 10 А.

Перед использованием ЛАТРа в качестве источника питания станка для резки пенопласта, необходимо проверить его работоспособность. Для этого нужно подключить к клеммам «Сеть» ЛАТРа сетевой шнур, а к клеммам «Нагрузка» мультиметр или стрелочный тестер, включенный в режим измерения переменного напряжения, на предел не менее 250 В. Установить ручку регулировки напряжения ЛАТРа в положение минимального напряжения. Вставить вилку в розетку.

Регулировочная ручка ЛАТРа в нулевом положении

Медленно поворачивая ручку ЛАТРа по часовой стрелке убедиться, что выходное напряжение увеличивается. Вернуть ручку ЛАТРа в нулевое положение. Вынуть вилку из сети и подключить провода, идущие от нихромовой нити к клеммам «Нагрузка». Вставить вилку сетевого шнура в розетку и индикатором фазы проверить отсутствие фазы на нихромовой проволоке. Разобравшись с фазой, можно, медленно поворачивая ручку ЛАТРа подать напряжение на нихромовую проволоку. При этом нужно учесть, что проволока нагревается постепенно, в течение нескольких секунд.

Внимание! Категорически запрещается прикасаться к проволоке рукой для проверки степени ее нагрева, когда на нее подано питающее напряжение! Температура проволоки очень высокая и можно получить ожег!

Когда проволока нагреется до чуть заметного свечения, можно приступать к резке пенопласта на станке.

Схема станка для резки пенопласта с использованием ЛАТР
и понижающего трансформатора

Если величина тока, потребляемого нихромовой проволоки станка для резки пенопласта будет больше, чем может обеспечить ЛАТР, то придется дополнительно после него включить понижающий трансформатор по, ниже приведенной электрической схеме.

Электрическая схема питания через ЛАТР и понижающий трансформатор

Как видите, в отличие от предыдущей схемы, к выходу ЛАТРа подключена сетевая обмотка силового трансформатора, нихромовая спираль подсоединена к вторичной выходной обмотке трансформатора. В этой схеме, благодаря развязывающему понижающему трансформатору, нихромовая спираль гальванически не связана с электрической сетью и поэтому безопасна для эксплуатации. В дополнение появилась возможность более плавной регулировки выходного напряжения и следовательно боле точной установки температуры резки пенопласта на станке.

Мощность трансформатора и напряжение на его вторичной обмотке берется на основании расчетов, выполненных по выше приведенной методике. Например, для предложенной конструкции станка для резки пенопласта, при диаметре нихромовой проволоки 0,8 мм и длине 50 см, источником электропитания послужил ЛАТР с выходным током 2 А с включенным после него понижающим трансформатором мощностью 150 Вт с напряжением на вторичной обмотке 12 В.

Схема станка для резки пенопласта с использованием понижающего трансформатора с отводами вторичной обмоткой

Для электропитания нихромовой спирали станка для резки пенопласта можно применить трансформатор с отводами во вторичной обмотке. Это самый простой, надежный и безопасный вариант, особенно если станок для резки пенопласта будет использоваться регулярно. Ведь при резке пенопласта на приспособлении регулировать температуру нагрева нихромовой проволоки не нужно. Температура подбирается один раз при настройке станка. Поэтому подобрав нужное напряжение, провода от выводов нихромовой проволоки припаиваются к выводам вторичной обмотки трансформатора навсегда.

Электрическая схема электропитания через трансформатор с отводам

Не смотря на простоту и надежность этой схемы, стандартных готовых трансформаторов с отводами, да еще и на нужное напряжение нет. Придется найти подходящий трансформатор по напряжению и току на вторичной обмотке и отмотать лишние витки. Можно разобрать трансформатор и отмотав часть вторичной обмотки, намотать ее заново, но уже с отводами. Но эта работа требует знаний и опыта.

Схема станка для резки пенопласта
с использованием понижающего трансформатора и токоограничивающими конденсаторами

Установить стабильный выходной ток с вторичной обмотки трансформатора можно с помощью обыкновенных конденсаторов, включенных в первичную обмотку трансформатора.

Электрическая схема электропитания через трансформатор с отводам

Конденсатор должен быть рассчитан на напряжение не менее 300 В и иметь емкость, в зависимости от типа трансформатора и тока потребления нихромовой спиралью, порядка 50 мкФ. На таком принципе стабилизации тока на вторичной обмотке мной разработана Схема зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов. Трансформатор должен быть соответствующей мощности и иметь 10% запас по напряжению.

Схема станка для резки пенопласта с использованием понижающего трансформатора и тиристорного регулятора мощности

Еще одна, несколько необычная схема регулятора температуры нагрева нихромовой проволоки, с помощью тиристора. Она подобна регулировке с помощью ЛАТРа с трансформатором, но малогабаритная. Классическая схема тиристорного регулятора для этой схемы не подходит, так как искажает форму синусоидального тока.

Схема электропитания через трансформатор с тиристорным регулятором мощности

Но если применить схему Тиристорного регулятора, не излучающего помехи моей разработки, то тогда трансформатор будет работать в штатном режиме. Для изготовления такого регулятора потребуется радиолюбительский опыт.

Схема станка для резки пенопласта
с использованием любых электроприборов

Если ни одна из выше приведенных электрических схем разогрева нихромовой проволоки для приспособления резки пенопласта не может быть реализована, то предлагаю нестандартную схему ее разогрева.

При подключении любого электроприбора, он потребляет из электросети ток. Величина тока напрямую зависит от мощности электроприбора. Чем больше мощность, тем больше будет течь по проводам ток. Сопротивление куска нихромовой проволоки станка для резки пенопласта чуть больше сопротивления медных проводов и, следовательно, включение станка в разрыв одного из проводов электроприбора на работе его не скажется, а нихромовая проволока будет нагреваться. Этим и можно воспользоваться.

Электрическая схема электропитания через любой электроприбор

При использовании подключения станка для резки пенопласта по этой схеме, обязательно нужно проследить, чтобы нихромовой провод не был подключен непосредственно к фазному проводу электросети. Физически подключение лучше всего выполнить с помощью переходника, наподобие того, который описан для измерения силы тока потребления.

Подходят для работы в схеме электроприборы непрерывного действия, например обогреватель, пылесос. Оценить, какой ток потребляют электроприборы можно по таблице на странице сайта «Выбор сечения провода кабеля для электропроводки».

Если не известны электрические параметры нихромовой проволоки, то нужно сначала попробовать подключить маломощные электроприбор, например электрическую лампочку 200 Вт (потечет ток около 1 А), далее обогреватель на 1 кВт (1 А), и так увеличивать мощность подключаемых приборов, пока нихромовая проволока станка для резки пенопласта не нагреется до нужной температуры. Электроприборы можно подключать и параллельно.

Раскаленная нихромовая проволока станка.

К недостаткам последней схемы подключения нихромовой спирали станка для резки пенопласта следует отнести необходимость определения фазы для правильного подключения и низкий КПД (коэффициент полезного действия), киловатты электроэнергии будут уходить бесполезно.