Corpo in HDPE

Gennaio 2015

L'idea di stampare polieteilene mi è venuta guardando questo video .
Ho immediatamente provato a costruire un rozzo stampo con due ritagli di ghisa accoppiati e forati con una punta da trapano. Ho dovuto fare diverse prove prima di capire che le numerose bolle che mi venivano dentro il pezzo stampato non erano dovute all'aria che si intrappolava nel processo di fusione, ma erano vuoti dovuti all'enorme ritiro del materiale durante il raffreddamento.

Capìta questa cosa ho acquisito la confindenza per costruirmi uno stampo per il corpo della mia torcia. A conti fatti questo stampo è con ogni probabilità la cosa più complicata che abbia costruito al tornio. Dopo aver squadrato con il mandrino a 4 griffe indipendenti le due metà, le ho accoppiate, spinate e lavorate internamente. La difficoltà sta nel fatto che la lavorazione è eseguita assolutamente "alla cieca" dentro il profondissimo foro centrale e con un bareno extra-lungo che ho dovuto costruire appositamente. Dopo la tornitura ho lucidato a specchio l'interno dello stampo con una tela molto fine. Il risultato è stato ottimo ed è una cosa di cui vado molto orgoglioso.

Dopo i primi esperimenti con lo stampo utilizzato con dei morsetti, ho deciso di costruire una pressa in legno con un martinetto idrauico per raggiungere pressioni di stampo più elevate.

L'operazione di stampaggio comincia con il riscaldamento dello stampo tramite cannello a gas. La temperatura ottimale è 180°. Il polietilene ricavato principalmente da tubi o bottiglie di detersivi ritagliate viene inserito nell'estremità superiore. Quando lo stampo è pieno, viene inserito un pistone e compresso il tutto finchè non si vede materiale uscire dalle fessure. Il raffreddamento avviene mantenendo la pressione costante. L'intero processo dura circa 30 minuti.

Il grezzo così ottenuto viene sbavato, preso al tornio in un'apposita pinza e lavorato internamente con una punta da trapano per finire la sede del piston-switch.

Il materiale utilizzato è il polietilene ad alta densità (HDPE), è molto comune nelle bottiglie di shampoo, sapone, detersivo o nelle taniche, vasi, tubi per irrigazione o giocattoli. Si identifica dal numero "2" circondato da tre freccie disposte a triangolo. Nella sua forma naturale è bianco a temperatura ambiente e perfettamente trasparente ad alte temperature, ma di solito si trova colorato. E' un materiale termoplastico, sopra i 140 - 160° si "rammollisce" a tal punto che assume una  consistenza simile a una pasta appiccicosa e può essere quindi modellato a piacere. A queste temperature non emette nessun tipo di fumo o odore, quindi il processo è poco pericoloso da fare in casa. Può essere ri-fuso e riciclato infinite volte. Da solido è una plastica dura e molto tenace (sopporta molto bene gli urti), si lavora facilmente e con buone finiture se si usano utensili molto affilati. E' particolarmente stabile chimicamente, compatibile con gli alimenti e non si lascia attaccare da olio, benzina o solventi vari.

Corpo in legno

Agosto 2014

L'idea di costruire un corpo in legno per la mia ultima trocia "mini AA corpo intercambiabile" è venuta immediatamente.

Il mio primo esperimento l'ho fatto con un pezzo di legno di rovere che mi ha dato un amico, ricavato dallo smantellamento di un vecchio carretto che ha più di 100 anni. Purtroppo non è andato a buon fine perchè al momento di ricavare la filettatura interna M22x1,5 le fibre del legno si strappavano invece che tagliarsi.

Il secondo esperimento l'ho fatto con un legno molto più compatto e pesante, ricavato ritagliando un tagliere IKEA. Il risultato è stato molto incoraggiante, la lavorazione molto più facile e precisa (purtroppo non ho fatto neanche una foto). Probabilmente il legno era molto impregnato di collanti che lo rendevano più simile a una plastica che a un legno naturale. Portando in giro la torcia mi sono accorto di un grave difetto: un oggetto in legno cambia di dimensioni a seconda dell'umidità dell'aria. In particolare un giorno ho fatto una gita in montagna con un clima molto secco. Il corpo della torcia restringendosi ha chiuso il contatto della batteria accendendo il LED. Me ne sono accorto solo dopo un po' perchè la torcia era diventata calda stando accesa in tasca. Dopo essermi accorto di questo curioso fenomeno ho fatto delle misure scoprendo che tra clima secco e clima umido, il corpo della torcia lungo poco meno di 80mm, cambia di lunghezza di quasi 2 mm!

Il terzo tentativo è mirato a risolvere questo problema. Si tratta di un'anima filettata in alluminio al cui esterno è incollato il legno. E' una soluzione un pochino più complicata, ma oltre a garantire una stabilità dimensionale offre notevoli vantaggi in termini di robustezza. Il filetto infatti è ricavato nell'alluminio, il forellino posteriore a cui si possono attaccare le chiavi è fatto nell'alluminio e non nel legno, e anche sedendosi sopra non si rischia di sfondare l'altrimenti fragile corpo in legno (cosa che è successa al secondo tentativo IKEA).
Dopo aver lavorato l'anima in alluminio, ho forato e alesato il legno grezzo, quindi l'ho incollato all'anima tramite adesivo epossidico. Successivamente ho preso il pezzo tra le punte e lavorato l'esterno. Dopo la lavorazione ho carteggiato grossolanamente, quindi dato tre mani di colla cianacrilica con il pennellino e carteggiato finemente la colla. Il risultato è una superficie lucida e molto dura, nonchè perfettamente resistente all'acqua.

Mini AA - corpo intercambiabile

Maggio 2014

Materiale: alluminio Anticorodal 6082 + vari
Led: CREE XPG2
Batteria: AA
Circuito: boost basato su PAM2803 750 mA
Livelli: 1 solo, circa 160 lm.


Partendo dalla precedente esperienza della torcia "mini AA" ho cercato in questa di correggere i difetti di cui mi ero accorto e in particolare il fatto che servissero due mani per accenderla. Ho quindi introdotto un doppio sistema di accensione: permanente girando la testa, e temporaneo premendo il pulsante posteriore. Inoltre ho voluto sperimentare un nuovo concetto, quello di "cover" o "skin", ovvero il corpo della torcia è sostituibile e può essere costruito con materiali e finiture diverse.

La testa è in Anticorodal 6082, non è anodizzata ma non è detto che in futuro non la anodizzerò colore nero. L'ottica è una parabola LEDIL REGINA 5° che, accoppiata con il led Cree XPG2, offre secondo me un ottimo compromesso tra fascio concentrato e luce diffusa ottimo per l'uso generico a cui è destinata questa torcia. A protezione della parabola c'è una finestra di vetro tenuta da un seeger e un oring. Il seeger crea un'ombra caratteristica sui bordi del fascio di luce che mi piace molto.

Il circuito di alimentazione ormai è lo stesso che uso in tutte le torce AA perchè è compatto ed estremamente affidabile. Tiene la luminosità del led costante finchè riesce, poi quando la batteria è scarica diminuisce pian piano la corrente in modo che il led non si spenga mai ma cali soltanto di luminosità. Anche con una batteria tanto scarica che sarebbe da buttare riesce a tirare fuori una luce ancora utilizzabile al buio. E' anche dotato di protezione termica ma essendo dissipato bene dal corpo in alluminio non c'è pericolo di surriscaldamento.

Il collegamento elettrico è estremamente semplice e diretto, la batteria è alloggiata in un tubo che porta il negativo  direttamente sul PCB del circuito di alimentazione. Il concetto è simile a quello del "piston switch" presente in qualche torcia commerciale. La corrente non passa attraverso filettature che si possono ossidare o sporcare. Questo è un grosso vantaggio dal punto di vista dell'affidabilità, ed è stato un problema nella mia realizzazione precedente. Il tubo è isolato dalla testa grazie a due o-ring che fungono da distanziali e allo stesso tempo garantiscono la tenuta stagna. Questo meccanismo si è rivelato davvero vincente perchè garantisce le due modalità di accensione ma allo stesso tempo è talmente semplice da essere molto affidabile. Ho provato addirittura a sotterrare la torcia nella sabbia senza avere alcun problema. Infilando volontariamente della sabbia nei pressi del pulsante di accensione si riesce a bloccarlo in posizione accesa, ma basta premere un paio di volte perchè la sabbia esca e torni tutto a funzionare bene.

Anche la molla che fa da contatto per la batteria e da ritorno per il pulsante è costruita da me avvolgendola sul tornio. Ho provato vari materiali e spessori filo prima di trovare la giusta rigidezza per il pulsante.

Il corpo della torcia unisce la testa e il pistone, ma non prende parte al percorso elettrico. Per questo motivo può essere costruito con qualsiasi materiale anche isolante e con qualsiasi forma. Nel disegno attuale il corpo ha un anello nei pressi del pulsante di accensione per consentire un comodissimo "cigar grip" che permette di accendere la torcia temporaneamente con una sola mano.

In questi mesi ho raccolto delle idee su possibili varianti di corpo che mi piacerebbe provare a costruire.

- Alluminio anodizzato
- Alluminio con asole che lasciano vedere il pistone
- Alluninio con fondello magnetico (sacrificando il pulsante posteriore)
- Plastica tornita
- HDPE da grezzo stampato riciclando bottiglie
- Metacrilato trasparente
- Legno
- Alluminio con gommatura (SUGRU)
- HDPE stampato con stampante 3D
- corno o alabastro
- stile "cemento" stampando tassello chimico
- stile "carbonio" con compositi tipo G20
- ...

Sono molto contento di questa torcia. La sto usando attaccata al portachiavi da un anno e devo dire che si è dimostrata molto affidabile, ed è bello poter cambiare cover ogni tanto. Inolte mi piace costruire nuovi corpi per sperimentare  materiali o nuove tecnologie, senza lanciarmi in un progetto di una intera tocia (per me il tempo per fare questi lavori è molto limitato).

mini AA

Settembre 2013

Materiale: alluminio Anticorodal 6082
Led: CREE XP-E
Batteria: AA
Circuito: boost basato su PAM2803 750 mA
Livelli: 1 solo, circa 160 lm.


Quando ho disegnato questa torcia mi sono dato come obbiettivo di realizzare la piu piccola torcia AA possibile. Il risultato è decisamente raggiunto, ridurre le dimensioni più di così senza penalizzare è veramente difficile. La torcia è realizzata in anticorodal 6082, non è anodizzata perchè ritengo che le si addica la finitura "naturale" dell'alluminio. Un domani mi piacerebbe replicarla in titanio. Ho fatto varie prove per segliere la combinazione led/ottica adatta perhè volevo un fascio piuttosto collimato in modo da poter illuminare in profondità nonostante le compatte dimensioni. Alla fine la scelta è ricaduta su un'ottica TIR della Carclo e un led CREE XP-E che offrono un fascio molto collimato ma con un pochino di luce diffusa intorno e una tinta di bianco molto naturale. La torcia è water-proof grazie agli o-ring e al fatto che la lente TIR è incollata alla ghiera e non c'è una finestra di vetro a protezione della lente. L'accensione avviene ruotando la ghiera posteriore.

Sono molto soddisfatto del risultato tecnico e credo che fin ora questa sia la torcia più bella che abbia fatto. Il progetto è molto studiato e ho costruito parecchie attrezzature per lavorare i pezzi al tornio e controllere le tolleranze delle filettature, minimizzando gli errori e le ri-lavorazioni. Il design mi piace molto, lo trovo semplice, pulito e leggero, non c'è un grammo di alluminio "inutile": gli spessori sono tutti ridotti al minimo.

Purtroppo però, usandola come porta-chiavi per qualche mese, mi sono reso conto di due difetti che non riesco ad ignorare. Il primo riguarda l'affidabilità: il contatto negativo della batteria deve passare attraverso ben 5 interfacce elettriche di cui due filettature, percui in più di un'occasione mi è capitato di dover picchiettare la torcia su una superficie dura per farla accendere perchè non faceva contatto bene. Il secondo difetto riguarda l'ergonomia: è molto scomodo accenderla con una mano sola e non è dotata di una funzione "pulsante" per accenderla momentaneamente.

DISEGNI COTRUTTIVI IN PDF

Tornitura vetro

In questo post voglio spiegare come faccio per ricavare delle finestre di vetro per le mie torce.

Parto da una finestra commerciale, trattata antiriflesso oppure da una lastra di vetro recuperata e la lavoro al tornio per ottenere il diametro desiderato. Il vetro non si può tornire con i comuni utensili ma va lavorato con una mola diamantata che gira ad alta velocità sul mandrino di un mini-trapano Dremel che fisso alla torretta porta utensili. Visto che la polvere di vetro generata è altamente abrasiva, copro con un panno le guide del tornio, e predispongo un'aspirazione vicino alla zona di lavorazione.

La parte complicata sta nel fissare il vetro al mandrino, e per fare questo al momento utilizzo due tecniche.

La prima consistte in un attrezzo costruito apposta in alluminio, a cui il vetro da lavorare è fissato tramite colla cianoacrilica. La zona dove il vetro viene incollato è una sottilissima corona in prossimità del diametro finale che si vuole raggiungere. All'interno della corona il vetro non è a contatto con il supporto di alluminio ma si crea una "camera" che è messa in comunicazione con l'esterno tramite un piccolo foro in asse al supporto. Una volta finita la lavorazione per staccare il vetro incollato sul supporto, riempio la camera con acqua o acetone, e tramite un pistoncino tornito ad-hoc mando in pressione con una martellata la camera. Il vetro si scolla senza rompersi grazie al fatto che il liquido distribuisce uniformamente la pressione su tutto il vetro. Se al contrario si prova a scollare il vetro spingendo con un basoncino, il vetro si rompe nella maggior parte dei casi perchè si spinge solo in un punto al centro.


La seconda tecnica di fissaggio richiede due pezzi costruiti apposta, uno da mettere nel mandrino e uno da mettere nella contro-punta rotante. Azionando la conrtropunta si schiaccia il vetro tra i due pezzi che sono dotati di un o-ring di gomma che evita il contatto diretto tra vetro e metallo.

Il primo modo è più macchinoso, richiede che il vetro una volta lavorato sia pulito dalla colla ma offre un fissaggio estremamente rigido e preciso. La tolleranza che riesco ad ottenere sul diametro è di +/- 0,01 mm. Il secondo metodo è più sbrigativo e la precisione che si ottiene è +/- 0,05 mm. Inoltre il pezzo è intrappolato tra il mandrino e la contropunta e non si può fare una prova passa/non passa prima di smontare tutto.

Anodizzazione

Ottobre - Dicembre 2012

Nell'inverno 2012 - 2013 ho intrapreso una serie di test per sperimentare il prcesso di anodizzazione. L'anodizzazione è un trattamento superficiale dei pezzi in alluminio che conferisce resistenza ai graffi, alla corrosione e la possibilità di colorare il pezzo. In sostanza da al pezzo costruito un aspetto decisamente più "finito" e professionale.

Durante il processo di anodizzazione non viene depositato uno strato di materiale diverso, ma è semplicemente l'alluminio stesso che si ossida in modo controllato e uniforme. L'ossido di alluminio è un materiale ceramico molto duro e incolore e durante il processo viene formato su tutta la superficie a contatto con il bagno per uno spessore di qualche decina di micron. La struttura dell'ossido è porosa con delle micro celle simile a un alveare. Sotto certe condizioni si riesce a creare una struttura le cui celle hanno la dimensione poco più grande di una molecola di colorante per cui an contatto con questo le celle si riempiono e il pezzo prende colore. Successivamente è possibile far bollire il pezzo per trasformare l'ossido nella sua forma idrata leggermente più voluminosa. In questo modo le celle si chiudono e intrappolano le molecole di colorante nella struttura fissando definitivamente il colore.

In questi due mesi ho fatto vari esperimenti sia con anodizzazione colorata che naturale, e sia con anodizzazione standard che con processo "hard coat" a basse temperature ed alte correnti (complice la bassa temperatura ambiente necessaria). Ho sperimentato anche diversi tipi di colorante e di alluminio. Non entro nel dettaglio di tutte le prove che ho fatto perchè sono molte, mi limito a riassumere il processo che mi ha dato migliori risultati in termini di spessore, durezza e sopratutto ripetibilità.


RICETTA:

Il pezzo da anodizzare deve essere di alluminio Anticorodal 6082, ben pulito con acqua calda e sapone per togliere tracce di olio da taglio, e deve avere un foro posibilmente filettato su cui attaccare l'anodo.

La fonte di energia che ho usato è un alimentatore corrente continua 0-30V 0-5A. E' veramente lo strumento ideale perchè permette di lavorare a corrente costante garantendo dei risultati ripetibili.

Il bagno di anodizzazione è composto da un mix di acido per batteria e acqua in proporzioni 1:1,5. L'acido per batteria è a sua volta una soluzione di acido solforico e acqua distillata in concentrazione 35%. Il liquido per batterie si trova dai ricambisti auto e costa 2-3 € per mezzo litro.

Il bagno di decapaggio è composto da acqua e idrossido di sodio (2-3 cucchiai in 500cc acqua). L'idrossido di sodio (soda caustica) si trova al brico come disgorgante o come sverniciatore.

Il bagno di "desmut" è composto da mix acido solforico 90% + perossido di idrogeno 36% (acqua ossigenata 130 volumi) + acqua distillata  in quantità 30%+30%+40%. Entrambi si trovano al brico, il primo come disgorgante, il secondo tra le vernici. Quando si diluisce l'acido solforico aggiungere sempre l'acido all'acqua e mai viceversa. L'acido solforico al 90% è molto pericoloso, mi meraviglio che lo vendano al brico.

Il bagno di colorante è composto da acqua e colorante per vestiti in soluzione 2:1. Anche puro va bene.

- Lavare o sgrassare in acetone il pezzo da anodizzare. Non devono esserci residui di olio da taglio. Prestare sopratutto attenzione ai fori ciechi.

- Immergere il pezzo nel bagno di decapaggio a 30°C per 20 -30 secondi

- Sciacquare il pezzo in bagno di acqua

- Immergere il pezzo nel bagno "desmut" per qualche secondo

- Sciacquare nuovamente il pezzo in acqua

- Immergere nel bagno di anodizzazione, collegare gli elettrodi e dare corrente. La corrente va impostata proporzionalmente alla superficie del pezzo e deve essere di 12mA/cm^2. La temperatura del bagno deve essere di 20-25°C. La tensione risultante deve aggirarsi tra i 5 e i 15v. Tenere nel bagno per 30 minuti.

- Risciacquare bene il pezzo

- Immergere nel colorante per 15 minuti (temperatura ambiente).

- Immergere il pezzo in acqua bollente e farlo bollire per 5 minuti.


NOTE:

Buona parte dei miei sforzi sono stati mirati ad ottenere un'anodizzazione colorata su alluminio 11S. Mi sarebbe piaciuto raggiungere questo obbiettivo perchè l'11S è molto più facile e veloce da lavorare dell'Anticorodal, e la finitura che ottengo è migliore. Non sono tuttavia riuscito ad ottenere risultati ripetibili. Sono riuscito in un paio di occasioni a produrre dei provini anodizzati colorati, ma ripetendo la stessa operazione qualche giorno dopo il risultato era diverso, il materiale non prendeva il colore o lo prendeva "a macchie". Si riesce in modo ripetibile ad ottenere uno strato anche abbastanza spesso e duro di ossido, ma non a colorarlo. In campo industriale l'11S si anodizza colorato senza problemi, ma con il processo casalingo non si riesce (almeno non sempre). Il motivo è che l'11S è una lega composta da una parte non trascurabile di rame, che interferisce con la struttura cristallina dell'ossido di alluminio limitandone l'accresciemnto. Questo si nota bene durante il bagno di decapaggio quando l'idrossido di sodio corrode l'alluminio ma lascia le tracce di rame che si depositano lasciando uno strato di "sporco" nero sulla superficie che in inglese si chiama SMUT. Il bagno di "desmut" rimuove questo strato tanto velocemente che il pezzo torna brillante a vista d'occhio.

Nel bagno deve essere prsente solo alluminio. Per appendere i pezzi ho usato del filo di anticorodal per saldare a filo, mentre come catodo ho usato un blocchetto di anticorodal o delle lamiere di scarto.

Osservando il variare della tensione durante il processo a corrente costante, si ha un'idea dello stato di avanzamento. Lo strato di ossido infatti è un isolante elettrico, quindi più lo strato diventa spesso, più la tensione sale. Quando si vede la tensione raggiungere un massimo e non salire più, lo strato è al suo massimo accrescimento.

Se dopo il bagno nel colore si permette al pezzo di asciugare prima della bollitura il pezzo rimane macchiato. Tenerlo bagnato per tutto il processo.

Dopo il lavaggio in acqua e sapone non toccare più il provino con le mani per non lasciare ditate.

Pacchetto con documentazione raccolta da internet
Pacchetto con report dei vari provini testati 

Torcia AA prodotta in serie

Giugno 2013

Materiale: alluminio Anticorodal 6082
Led: SAMSUNG 3535
Batteria: AA
Circuito: boost basato su PAM2803 750 mA
Livelli: 1 solo, circa 160 lm.


Il progetto di questa torcia è finalizzato a sfruttare i vantaggi di una produzione in (piccola) serie. Il disegno meccanico è studiato in modo tale da minimizzare il tempo di lavorazione al tornio. Il diametro esterno di 20mm mi permette di partire da barra avendo già la misura giusta senza lavorazioni di tornitura esterna. Il foro che alloggia la battera è ricavato con una punta diametro 16,5mm comprata appositamente. La filettatura M18x1,5 è creata con un maschio nel corpo della trocia. Questi accorgimenti, uniti al fatto che la produzione è stata di 5 esemplari contemporaneamente, ha portato il tempo di costruzione di una torcia dalle 12-15 ore che di solito impiego per un singolo prototipo, a poco più di 3 ore a torcia.

Ci sono due versioni di "testa", una con un'ottica TIR che focalizza il led e l'altra "flood" per illuminare in modo diffuso. Il circuito elettronico, l'ottica e la stella del LED sono stati torniti per alloggiarsi perfettamnte nella testa. Nella versione con l'ottica è la lente stessa che essendo incollata sigilla la torcia rendendola water-proof, nella versione flood invece c'è una finestra ottica in vetro. Pulsante di accensione, protezione in silicone e contatto a molla sono tutti presi dal commercio e fissati dentro la torcia tramite un anello seeger.

La finitura esterna è zigrinatura + anodizzazione nera. Nella parte posteriore è stato realizzato un foro per poterla appendere con un cordino ( versione flood) o un anello per portachiavi. Le torce sono state regalate ad amici e parenti

L'esperimento è stato istruttivo perchè mi ha fatto toccare con mano i vantaggi della produzione in serie. Il risultato non mi ha soddisfatto in pieno perchè l'estetica è un pochino povera, a posteriori mi sono accorto di aver fatto una brutta copia della fenix E11. Inoltre il pulsante comprato da commercio è un "reverse clicky switch" e non un "forward clicky switch", la differenza sta nel fatto che il secondo premuto a metà fa accendere la trocia finchè non lo si rilascia, il primo invece richiede una pressione completa fino al click per accendere il led. Ritengo che l'accensione temporanea premendo a metà sia molto comoda, ma purtroppo non sono riuscito a trovare in commercio i pulsanti "forward". Per finire, chiudere la trocia incollando direttamente la lente nella testa è comodo e fa risparmiare lavorazioni, ma il risultato estetico è molto povero.