Простая, недорогая, точная мини-электропечь (для фьюзинга) своими руками

Существует целый ряд интересных технических и декоративно-прикладных забав с применением печного электрического нагрева. Печь, однако, прибор дорогостоящий и громоздкий, по средствам не всякому любителю. Тем не менее, ограничив себя в размерах обрабатываемых деталей, нетрудно собрать чрезвычайно простую мини-печь из самых простецких деталей и материалов, обычным ручным инструментом и используя только невеликие навыки слесарного дела, электромонтажа да капельку терпения и аккуратности.
Здесь, мини-печь использовалась для освоения начал витражной техники фьюзинг (плоское печное сплавление цветного стекла слоями). Вероятно, прибор хорошо подойдёт для ювелирных техник горячей эмали, отжига стеклянных мелочей (лэмпворк) и других подобных применений.

▍ Печи для фьюзинга

Как правило, имеют необычную чемоданную конструкцию с легкодоступным подом без бортов и откидной крышкой с нагревателями — в такой печи легче убираться и укладывать плоские работы. Иногда большую тонкую фьюзинг-работу собирают прямо на поду печи, чтобы не нарушить сложную многоуровневую икебану при переноске.

Фото 2. Характерная конструкция печей для фьюзинга. Заметная глубина крышки позволит проводить в печи и моллирование (горячую формовку) небольших стеклянных заготовок. Чужое фото из сети

Печи на основе современных лёгких огнеупоров компактны, экономны и не слишком много весят, а специальные термоконтроллеры точны, легко настраиваются и исключают выбег температуры. Однако всё это немало стоит.

Для желающих отведать самодельного фьюзинга незадорого и без затей, китайская промышленность выпускает наборы, включающие специальную микро-печь-тигель, разогреваемую в домашней кухонной микроволновке.

Фото 3. Печь-тигель с Али-Экспресс. Продаётся с набором мелких кусочков специальных стёкол для фьюзинга, из которых предлагается собрать и сплавить себе заготовку для значка или кулона. Чужое фото из сети

Такое простое решение, как водится, обладает букетом врождённых пороков — для разогрева крупного варианта тигля, а их существует несколько размеров, необходима мощная микроволновая печь, размеры заготовок, понятно — чуть больше ногтя, более или менее точно контролировать температуру стекла почти невозможно. Последнее, это отсутствие повторяемости и получения заданного рельефа поверхности работы. Словом, баловство, дискредитирующее саму идею.

▍ Идея простой практической мини-печи

Предложена участником Металлического форума «Илья МГУ» — в качестве импровизированной крышки-нагревателя применена конфорка от стеклокерамической варочной поверхности, под печи — литой гипс.

Фото 4. Фото исходной мини-печи для фьюзинга. «Илья МГУ» Металлический форум. Гипсовое основание мгновенно лопнуло на крупные куски, держащиеся между тем вместе за счёт жестяной формы (обрезанная банка от печенья). Для гашения части избыточной мощности нагревателя применён простой тиристорный регулятор

▍ Собственная версия мини-печи

Фото 5. Определяющая деталь конструкции — конфорка. Удалось добыть две одинаковых. Гофрированный ленточный нагреватель своими выступами наглухо замурован в наливную теплоизоляцию, структурой напоминающую папье-маше. Бортик-кольцо сформован отдельно и с основной частью, не связан — удерживается только внешней алюминиевой обоймой и может быть легко снят. Электромеханический термостат в керамическом корпусе-выступе нам не нужен, его контакты пришлось надёжно закоротить

Фото 6. Делай раз — запаял перемычку в контакты термостата, припаял к ножевым клеммам силовые провода в силиконовой изоляции. Применил бессвинцовый припой с повышенной температурой плавления. Термопару К-типа (хромель-алюмель) в защитном чехле взял от китайского недорогого мультиметра. Для неё просверлил отверстие в теплоизоляции, а закрепил к штатному чувствительному термоэлементу нихромовой проволокой

Фото 7. Для защиты оператора от торчащего наружу электричества согнул и спаял жестяной кожух. Стойка для ручки закреплена вытяжными заклёпками, поле отверстий — под и над пайками, чтобы те не перегрелись и не распаялись. Сложные фигурные резы сделал ювелирным лобзиком

Фото 8. Второе крепление и стойку для ручки — две детали, скреплённые вытяжными заклёпками, вырезал и согнул из той же оцинкованной кровельной стали. Саму ручку сделал из обрезка резьбовой шпильки М6 и пары гаек

Фото 9. Вид крышки печи в сборе

▍ Блок управления печью

Мини-печь проектировалась как экспресс-вариант. Временный и переходной. Блок же управления (БУ) к ней выполнен универсальным, с некоторым запасом по мощности, способным в дальнейшем управлять любой настольной однофазной электропечью в мастерской. БУ выполнен на базе фабричного ПИД-термоконтроллера китайского производства, кроме прочего, способного самостоятельно настраиваться под печь и работать с термопарой любого типа. Термоконтроллер выполняет все основные функции по управлению печью, его следует только снабдить силовым ключом, например, «твердотельным реле».

Рис. 10. Твердотельное реле — суть, компактный однокорпусный электронный ключ. На схеме его рукодельный аналог на имевшихся дискретных элементах. Тиристоры, в отличие от симистора позволяют лучше распределить тепло по радиаторам: цепочка С1-R4 улучшает динамические характеристики ключа, при этом меньшее значение R4 соответствует резистивной нагрузке узла, большее — индуктивной. Оптопара МОС3020, транзистор можно заменить на КТ315

Фото 11. Коробку для отдельно стоящего блока управления выполнил гнутьём из оцинкованной кровельной стали — вычертил развёртку, разметил кусок листа, вырезал ножницами по металлу. Гнул на ровном краю стола, прижав заготовку квадратной трубой с парой столярных струбцин

Фото 12. Скрепил стороны коробки алюминиевыми вытяжными заклёпками. Радиаторы для тиристоров сделал из кусков нетонкого алюминиевого листа, изолированно установил их в корпусе. Не забыл сверху-снизу насверлить поля отверстий для вентиляции

Фото 13. Крышка коробки выполнена аналогично гнутьём из листа оцинковки. Её короткие отгибы плотно вставляются в основную часть корпуса, и на всякий пожарный случай зафиксированы парой коротеньких саморезов с мелким шагом резьбы

Фото 14. Ряд компонентов БУ смонтирован навесным способом на жёстких выводах крупных и установочных деталей. Печатная платка с мелочью сделана односторонней и с импровизированным поверхностным монтажом, что позволило без церемоний приклепать её к жестяному дну. Ещё одна, аналогичная платка с неоновой лампочкой и её токоограничительным сопротивлением — на передней панели показывает включение нагрузки. Стрелочкой отмечен небольшой тумблер в управляющей цепи тиристоров. При его размыкании контроллер работает как термометр

Фото 15. Собранный и опробованный блок покрасил — демонтировал термоконтроллер и выступающие элементы, обезжирил смоченным бензином кусочком ветоши, изнутри прикрыл дыры бумагой и малярным скотчем. Попшикал снаружи зелёной эмалью из баллончика

Фото 16. Собрал блок, к винтовым клеммам контроллера подключил короткую жёсткую термопару (торчит вбок), проверил работоспособность и нагрузочную способность с масляным обогревателем 2/4 кВт

▍ Несколько слов о спекании стекла

Прежде всего — стекло — это материал хрупкий и плохо проводящий тепло. Не терпящий быстрых изменений температуры — при этом его внешние слои нагреваются или охлаждаются значительно быстрее внутренних, образуя термоудар и растрескивание материала. Процесс выражен тем больше, чем крупнее и толще заготовка, и в общем случае, чем выше у стекла КТР (коэффициент теплового расширения). Кроме того, детали сложной составной работы должны иметь одинаковый КТР, иначе работа при охлаждении разрушится.

Для витражной техники фьюзинг выпускаются специальные серии легкоплавких (~750 ̊ С) цветных стёкол с одинаковым КТР, следует только внимательно следить за их чистотой, не допуская попадания в работу стёкол других сортов. Процесс сплавления весьма длителен, занимает часы и даже десятки часов для работ заметного размера, причём само сплавление длится несколько минут. Основное же время тратится на плавный нагрев и остывание работы.

▍ Первые пробы

Фото 17. Под печи сделал из пенобетона — отпилил половину блока ножовкой по дереву, положил сверху кусок старого листового асбокартона. Кольцо-теплоизолятор от одной из своих конфорок постоянно лежит на поду для удобной укладки деталей

Фото 18. Мощность одной конфорки около 1.2 кВт, её нагрев слишком быстрый даже для мелких стеклянных работ, а скорость набора температуры простой контроллер не регулирует. Снизил мощность печи, включив последовательно с ней масляный обогреватель — дело было зимой, и его тепло не пропадало

Фото 19. Первый эксперимент — несколько кусочков обычного цветного витражного стекла. Температура его плавления градусов на сто выше, чем у специального для фьюзинга

Фото 20. Вид остывшего образца. И с первого раза удачный профиль поверхности — а-ля «растаявшая на солнце карамелька»

Фото 21. Первая практическая загрузка: ёлочные игрушки, пара свиней из этого же стекла. Пятачки и глаза из стеклянного бисера — «глазки-бусинки»

Фото 22. Готовые хрюшки. В целом работа удачная. По разнице оплавленности ушей видна некоторая неравномерность температуры — близко к наружной стенке, потери тепла выше. Рифление на спинах от асбестового листа

Фото 23. Внешний вид простого варианта мини-печи в сборе. Последовательный с печью масляный обогреватель под столом и на фото не виден. В целом, работало неплохо, но заготовка должна располагаться внутри, на некотором удалении от стенки. Хотя бы 15…20 мм, что сужает и так невеликий рабочий размер. Табельная теплоизоляция конфорки не слишком хороша, кожух здорово нагревается. Система полуавтоматическая: нужно было не пропустить температуру сплавления, выключить обогреватель, сменить на контроллере температуру на Т отжига, включить нагреватель, засечь около 30 минут выдержку при Т отжига, выключить обогреватель

Несмотря на неважные эксплуатационные характеристики, в печи удалось сделать несколько не самых простых работ

▍ Примеры работ

Фото 24. Сборка на подготовленном поду мини-печи первого панно

Фото 25. Панно с птичкой в сборе, перед спеканием. Стекло для фьюзинга с Т плавления 740 ̊ С. Кроме плоских деталей использованы стеклянные струны, завитушки и капли, сделанные в пламени горелки

Фото 26. Птичка перед спеканием

Фото 27. Готовое панно или крышка небольшой шкатулки. Яркий пример ряда ошибок при конструировании работы — детали встык сплавляются разве что случайно, если не организовать им нарочитые мостики для растекания стекла

Фото 28. Панно «Летающий слон» в сборе перед спеканием. Стекло для фьюзинга, стеклянные струны и крошки, запекаемая краска

Фото 29. Готовое панно. Послужило крышкой стеклянной шкатулки, собранной на УФ клей. Работа многострадальная — нам её расколотили, пришлось разбитые части сплавлять заново, отчего детали расплылись несколько больше задуманного. Так-то слоник у нас был стройняшкой

Фото 30. Сборка работы с котом и мышью. Как и прежние, сразу на поду печи. Здесь разделитель-сухой гипс заменён на керамическую бумагу, чтобы его пылинки, поднятые дыханием, не попадали на стекло

Фото 31. Кот с мышью в сборе перед спеканием. Материалы и техника работ, как и у прежних

Фото 32. Готовая крышка шкатулки «Летучая мышь с котом»

▍ Опробованные доработки мини-печи

Фото 33. Напрашивавшаяся дополнительная теплоизоляция рабочего пространства. Выполнена асбестовым картоном в 2…4 слоя, где сколько помещалось. Поверх припаял жестяной кожух

Фото 34. Общий вид теплоизолированной асбестом печи. На соседнем кирпичике видна проставка для углубления рабочего пространства, сформованная из мокрого асбеста. Печь в таком варианте работала заметно лучше, неравномерность Т удалось значительно уменьшить

Фото 35. Печь с проставкой

Фото 36. Проставка-металлический муфель для равномерного распределения температуры при отжиге стекла. Цилиндрическая часть сварена из двух одинаковых деталей, согнутых из полосы, и с дном не связана

Фото 37. Вариант муфеля для отжига с усиленным утеплением из базальтовой ваты

Фото 38. Усиленное утепление из мягкого рулонного огнеупора всей печи

Относительно самодельной внешней теплоизоляции, можно сказать: чем её было больше, тем печь работала лучше — уменьшались неравномерности на стекле, даже на крупных заготовках с краями около стенок. Однако утеплять следовало бы только рабочее пространство, тогда как здесь пришлось изолировать всю конструкцию. И для лучшего, последнего варианта (Фото 38) это была лебединая песня: начинали гореть железки внутри, отпаиваться провода, испортилась термопара. Длительно и прилично работал вариант с лёгким утеплением асбестом (Фото 33, 34).

Фото 39. Наконец, был приобретён, и навесным манером задействован специальный программируемый термоконтроллер Altec 410. Он умеет выполнять программу нагрева по времени, включая и поддержание заданных скоростей нагрева. Обычная область его применения — установки для пайки радиоэлементов в корпусах BGA с нагревом насквозь. В нашей печи новый контроллер работал с имеющимся электронным силовым ключом, при этом гасить избыточную мощность нагревателя конфорки не требовалось

▍ Итого

Несмотря на примитивную конструкцию, небольшие размеры рабочей камеры и ручное управление, подобная мини-печь может послужить доступной входной дверью в очаровательный мир некоторых горячих декоративно-прикладных техник. Если говорить о применениях стеклянных, то фьюзинг-работы не обязательно должны быть крупные и цельносплавленные. Соединять небольшие детали, в том числе и сплавленные в печи, в крупное изделие можно средствами других витражных техник, например, мозаики или Тиффани. Существенно при этом обогащая работу.

Фото 40. Детали-стенки витражного плафона светильника в комбинированной технике. Ряд мелких элементов сделан в технике фьюзинг с оплавлением в нашей мини-печи

▍ Используемые материалы

1. Управление нагрузкой на переменном токе. О. Николайчук. Russian HamRadio
2. Твердотельное реле. Схема, принципы работы твердотельного реле.

На благо всех разумных существ. Babay Mazay, май, 2024 г.

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻