Флейты, программист и производство

На объединение данных понятий мне потребовалось 5 лет и миллион рублей.

Я запустил производство флейт Пана Arra Lazur и продолжаю его развивать по настоящее время (2021г), при этом являюсь C++ разработчиком, преимущественно в области 3d моделирования для CAD/САПР (систем автоматизированного проектирования) и геометрических ядер.

Мне удалось достигнуть определенных успехов в этом деле и в этой статье я хотел бы поделиться ими, а также результатами проделанных экспериментов.

О панфлейте

Что же такое флейта Пана? Это музыкальный духовой инструмент. Является набором скрепленных между собой трубок различной длины. Музыкант дует на срез (лабиум) с одной стороны, а с другой трубки заткнуты пробками. Полученный внутренний объем трубки (игровой канал) определяет ее ноту.

Качественное звучание обеспечивается известными техническими аспектами [12], например:

• Диаметры трубок меняются логарифмически, постепенно от большего к меньшему. Это дает плавность изменения тембра на всем диапазоне звучания.

• Внутренние поверхности трубок должны быть гладкими, отполированными в “зеркало”. Это дает легкость звукоизвлечения и “чистоту” звука.

• Расстояние между игровыми каналами должно быть минимально. Это дает минимальную ширину инструмента и как следствие, увеличивает максимальную скорость игры.

• Пробки должны иметь вогнутую поверхность. Чем короче трубка, тем больше степень вогнутости. Это дает “мягкость” звучания высоких нот.

• Форма игровых каналов должна быть конусной (сужаться к верху). Это дает “отзывчивость” инструменту и снижает потребление воздуха музыкантом.

Методы производства

В большинстве своем такие флейты делаются из бамбука или тростника, поскольку этот природный материал уже имеет необходимую форму трубки. Главная проблема в нестабильности - невозможности иметь прогнозируемый, повторяемый результат.

Более современный подход – это вытачивание трубок на токарных станках. Тут основная проблема – это очень высокая трудоемкость.

Массовый и очень дешевый вариант производства – это литье пластмасс под давлением [6]. Тут главная проблема – это невозможность менять параметры индивидуально под клиента, а также требуется реализация больших партий для амортизации оборудования/пресс-форм.

Хочется же получить технологию/алгоритм действий, исключающий недостатки вышеописанных подходов, выполнив которые, можно получить флейту высокого качества.

Также хочется иметь гибкость при производстве. Например, индивидуально менять степень изгиба флейты, в зависимости от биомеханики шеи/головы играющего.

Автоматизация

Начал свой путь с написания программы – автоматического генератора 3д моделей панфлейт, поскольку подавляющее большинство оборудования, с функцией автоматического изготовления чего-либо, использует эти самые 3д модели.

Так достаточно лишь запустить приложение (.ехе) с новыми параметрами, и получить сразу готовую 3д модель для преобразования в траекторию движения режущего инструмента станка с ЧПУ (числовым программным управлением).

Саму флейту описывают порядка 50ти параметров: диаметры, толщины стенок, высота обвязки и т.д. Легкость перегенерации моделей поощряет эксперименты с этими параметрами и позволяет мне, например, измерив длину челюсти/рук и т.д., оптимизировать габариты/изгиб флейты под музыканта.

Далее я начал пробовать различные способы изготовления:

1) Вырезал плоские половинки флейт на фрезерном ЧПУ станке (фрезерование), а затем изгибал их, по известной технологии, при помощи водяного пара [7] (под воздействием влаги и высокой температуры дерево становится пластичным). Написал программу оптимальной расстановки деталей с целью экономии материала [8] и автоматическим запуском расчета управляющей программы для станка.

На деле оказался невозможным изгиб, потому что во время пропаривания флейта начинает расслаиваться по клеевым швам.

2) Тогда я решил попробовать фрезеровать сразу изогнутые флейты, где весь инструмент распиливается на отдельные трубки, а каждая трубка на две половинки.

Подход оказался неудачным из-за необходимости фрезеровать детали с очень высокой точностью, которая недостижима при работе с натуральными материалами (деревом) и ограничениями такого типа оборудования [9].

3) А что если попробовать нарезать флейту поперек и затем склеивать полученные куски?
Для этого пришлось дописать функциональность по расчету пересечений 3д объектов и плоскости. Также заиграла новыми красками уже готовая авто-расстановка.

При таком подходе оказалось сложно получить точную и аккуратную стыковку слоев между собой. Критичным оказалось еще и отсутствие прочности (древесина легко раскалывается вдоль волокон).

4) Далее решил попробовать наматывать композитные угле- или стеклопластиковые трубки [10], а фрезеровать только деревянную обвязку. На деревянной обвязке с самых краев не лишним будет дополнительный материал, для защиты от разрушения крайних трубок при падении флейты углами на твердые поверхности.

Суть формовки трубок заключается в намотке стекло-/углеткани на полированные стальные стержни, которые затем напитываются отверждаемым жидким пластиком в вакуумном пакете (метод вакуумной инфузии [11]). Трубки получаются сразу с гладкой внутренней поверхностью, легкие и прочные.

Фрезеровка плоской части обвязки не отличается от предыдущего способа, но вот фрезеровка изогнутой проблематична. Написал модуль, который нарезает эту часть на кучу небольших деталей, каждая из которых не имеет нависающих частей и может быть отфрезерована за один проход. Теперь уже требуется не просто расставить оптимально в заготовке, но и помнить, где какой кусок, чтобы правильно собрать воедино, так как деталей много и все они похожи друг на друга. Хороший такой пазл получился (:

Проблемой при таком подходе является высокая вероятность собрать неправильно нижнюю часть обвязки. Тонкие части деревянных кусков легко скалываются. Да и вся флейта получается хрупкой.

5) Следующий этап – это печать трубок на 3d принтере и возврат к изгибу деревянных частей флейты с помощью водяного пара.

При печати возможно придать трубкам сложную, конусную форму с выступами, которая недостижима при формовке на стальных стержнях из-за неизбежного разрушения трубок во время снятия со стержней (так называемый замок).

Для корректного изгибания деревянной обвязки требуется умение предсказывать, какую деталь нужно отфрезеровать, чтобы при изгибе она приобрела задуманную форму (ближняя и дальняя половинки обвязки имеют разную длину и требуются разные алгоритмы их генерации). Для этого пришлось реализовать дополнительный модуль в программе, моделирующий физический изгиб деревянной, тонкой пластины.

Детали по размерам небольшие и их удается фрезеровать целиком из одной доски и впоследствии успешно изгибать с пропариванием, без расслоений и поломок. Таким образом это рабочая технология сборки флейт, но приходится вручную заниматься шлифованием места стыка трубок и обвязки на торцах.

6) Пока итоговый вариант – это 3d печать флейты целиком с использованием композитных пластиков, дерево-наполненным пластиком для обвязки, угле-наполненным пластиком для трубок и фотополимерным пластиком для вставок с торцов (лабиум).

Потребовались очередные корректировки генератора моделей. При этом для изготовления всех отдельных составляющих достаточно нажать на одну кнопку. А сборка напоминает конструктор “лего”, где все детали без усилий стыкуются друг с другом. Основной минус в ограниченном наборе возможных материалов.

7) Также хочется отдельно отметить изготовление пробок. Каждая пробка в зависимости от того, для какой ноты она предназначается, имеет свою степень вогнутости дна. Чем меньше длина трубки (чем выше нота), тем сильнее должна быть вогнутость.

В целом все относительно просто. Изготавливается форма под литье силикона (фрезеровка, печать…) и она заполняется силиконом.

Планы, перспективы, потенциал

• Будет очень удобно, если в пробки будут встроены петли, за которые специальным крюком их можно будет двигать для подстройки нот.

• Наматывать карбоновые трубки на отполированные стержни с использованием технологии препрегов (проще, чем вакуумная инфузия), а не печатать их из угле-наполненного пластика [3]. Тогда получится делать зеркальный внутренний канал.

• Фрезеровать обвязку из ценных пород древесины по уже отработанной технологии с изгибом [4], что просто эстетически красиво и прочнее, чем напечатанный пластик.

• Отливка из латуни лабиума (вставок с торцов) по технологии выжигаемых моделей [5], для прочности остро заточенных кромок.

Таким образом рендер 3d модели идеальной флейты Пана может выглядеть как-то так:

Итого

Удалось получить достаточно автоматизированную технологию изготовления флейт Пана, в которой без дополнительных накладных расходов могут вноситься изменения хоть в каждую выпускаемую единицу товара.

Но не все еще идеально. Есть аспекты, требующие улучшений, в связи с чем планирую продолжать работу над проектом.

P.S.
Фото отчет: https://www.instagram.com/arra.lazur/
Видео материалы: https://www.youtube.com/channel/UCVlFogcnEd2hL9x5DVbyb8Q

Использованные источники:

[0] https://vplate.ru/flejta/pana/

[1] https://sites.google.com/site/radu63353/panflute-shop

[2] https://www.youtube.com/watch?v=CNRBoFL0U28&feature=emb_logo&ab_channel=BradWhite

[3] https://carbonkevlarsupply.com/products/carbon-fiber-tubing-10mm-x-8mm-x-500mm-3k-roll-wrapped-100-carbon-fiber-tube-glos

[4] https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=k4uVozxt6vY&ab_channel=mtmwood

[5] https://lk-casting.ru/izgotovlenie-juvelirnyh-izdelij/  

[6] https://3dvision.su/services/lite-plastmass/v-press-formy/

[7] https://woodjig.net/parovaja-gibka/

[8] https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%B4%D0%B0%D1%87%D0%B0_%D1%80%D0%B0%D1%81%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%8F

[9] https://prototechasia.com/en/plastic-cnc-machining/questions-cnc-machining

[10] https://www.youtube.com/watch?v=wMJ3b2QhFkk&ab_channel=World4Carp

[11] https://zakbus.ru/vakuumnaya-infuziya/

[12] Флейта Пана: инструмент и техника игры. Денис Климов. Стр 39.