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.

флейта Пана [0]
флейта Пана [0]

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.

Хранилище бамбуковых трубок на производстве [1]
Хранилище бамбуковых трубок на производстве [1]

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

Точение трубок на токарном станке [2]
Точение трубок на токарном станке [2]

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.

Литье пластмасс в пресс-формах [6]
Литье пластмасс в пресс-формах [6]

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.

Пример 3д модели
Пример 3д модели

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.

Фрезерование плоских панфлейт
Фрезерование плоских панфлейт

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.

Фрезерование изогнутых панфлейт
Фрезерование изогнутых панфлейт

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].

Неудачный результат фрезерования
Неудачный результат фрезерования

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.

Нарезка панфлейты поперек
Нарезка панфлейты поперек

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

Результаты сборки
Результаты сборки

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.

Проектирование карбоновых панфлейт
Проектирование карбоновых панфлейт

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.

Реквизит для вакуумной инфузии
Реквизит для вакуумной инфузии

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 (:

Результат автоматической расстановки
Результат автоматической расстановки
Реализация в дереве
Реализация в дереве

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

Стеклопластиковые панфлейты
Стеклопластиковые панфлейты

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

Составляющие напечатанных панфлейт
Составляющие напечатанных панфлейт

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.

Пропаривание: ожидание и реальность
Пропаривание: ожидание и реальность

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.

Напечатанные панфлейты
Напечатанные панфлейты

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).

Проект целиком печатаемой панфлейты
Проект целиком печатаемой панфлейты
Взрыв-схема
Взрыв-схема

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.

Сборка трубок с обвязкой и лабиумом
Сборка трубок с обвязкой и лабиумом
Пример целиком напечатанной панфлейты
Пример целиком напечатанной панфлейты

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.

3д модель силиконовых пробок
3д модель силиконовых пробок

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

Литье силикона
Литье силикона

Планы, перспективы, потенциал

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

Петли в пробки
Петли в пробки
  • 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.

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

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

Литье металла
Литье металла

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

Проект идеальной панфлейты
Проект идеальной панфлейты

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.

Комментарии 43

    +1
    На самом деле по первому названию показалось, что ты сделал программируемую флейту. То есть можно регулировать частоту звука, тональность и все в этом духе. Но идея тебе на заметку, если конечно такое можно осуществить.
      +11
      Спасибо, интересно! Вот только с чего вы решили заняться этим? Есть какая то коммерческая выгода? Инструмент довольно специфический, не массовый
        0
        и возврат к изгибу деревянных частей флейты с помощью водяного пара.


        Когда-то в одной из книжек по химии для детей указывалось, что если деревяшку подержать в аммиаке, то её можно даже в узел завязывать.
          0

          А как потом развязывать?)

            0
            Так же. Снова в аммиак. :)
            0
            Аммиак жидкий при -33 и ниже, вероятно в книжке шла речь о нашатырном спирте
            0
            Это же флейта. Как к ней прикасаться после замачивания в аммиаке?
              +1
              Он же улетучится.
            0
            Классная штука флейта. И отвлечься немного от кода и шею размять.
              0
              А как изменится звук при использование конусных трубок?
              Я к тому что самый доступный на рынке материал из карбоновых трубок разного диаметра это коленья удочек без оснастки, на основе потом уже делают готовые удочки.
              То бишь там выбор размеров колен с постоянным диаметром не велик, но конусообразные коленья можно распилить на несколько трубочек нужных размеров например большей стороны трубки
                0
                Исходя из моего опыта, думаю небольшая конусность не помешает, может даже какие интересные обертона добавит. Но будет проблема с подстройкой — не получится так просто двигать пробку, придётся по старинке воском заливать.
                А вообще, если тема панфлейт заинтересовала, то рекомендую посмотреть здесь:
                www.blf.ru/forum/forumdisplay.php?f=47
                  0
                  image

                  Как раз для этого делаю конусность только на верхней половине. Нижняя половина трубки остается цилиндром и пробка двигается с одинаковым усилием в пределах настройки +-тон
                  0
                  Хорошая идея использовать удилище, что бы сделать себе флейту, но это явно схема не для массового изготовления:
                  — нет контроля над разницей диаметров сверху/снизу
                  — дорого (возможно приемлемый набор трубок не удастся набрать с одной удочки и потребуется брать несколько)
                  — нет понимания, как подгонять обвязку для трубок, ведь отрез производится «на глаз»
                  +1
                  Движение пробок по трубкам можно организовать в виде резьбы. Подкрутил куда надо по тюнеру и надолго забыл.

                  Сколько стоит готовая флейта?
                    +2
                    Пробки не несут на себе нагрузки, поэтому достаточно плотной подгонки диаметров, что бы они не сползали сами под своим весом.
                    При настройке вниз часть резьбы окажется внутри игрового канала, что может негативно сказаться на звуке.
                      +2
                      Резьбы может быть достаточно только в нижней части трубки, несколько витков.
                    0
                    Задумка очень классная. Но я бы попробовал еще делать из бамбука. Материал сам по себе дешевый и то, как он растет дает большой плюс. Тут главное еще правильно выбрать бамбук. В ЛеруаМерлен его лучше не брать, он там тонкий и как декоративным выступает. в качестве оплетки можно брать самый дешевый металл, но это уже кому как понравится и кто какие имеет возможности :)
                      0
                      Эпично.
                      Кугиклы изготовляют их камыша. Что если камыш попробовать стабилизировать путём пропитки акрилом, например?
                        0

                        Ну вот так возвращаясь от принтера к дереву, можно сделать ещё один шаг и вернуться к бамбуку)
                        А если уж нужны конусы ( я немного сомневаюсь в их целесообразности) и калиброванные каналы, можно один раз заказать сделать развёртки нужной конусности и останется только подбирать более-менее подходящее по диаметрам сырье. Если развёртки окажется сделать дорого (хотя, миллион уже вбухан), можно сделать еще проще — выточить стержни нужной формы — цилиндр плюс конус, если я правильно понял, и наклеивать на них наждачную бумагу, также для расточки каналов.
                        А вообще, автоматизация производства музыкальных инструментов, с моей точки зрения, это путь на массмаркет. Типа как дешёвые пластиковые ямаховские блокфлейты. Минимум маржи, максимум продаж. Но если блокфлейта более-менее ходовой товар — дети, подарки, всякие мелкие фолк группы и т.д., то барыжить панфлейтой в таких объёмах, ну я хз.
                        А вот если у вас будут мастеровые флейты и имя, заработанное годами, то и цена у них будет соответствующая и спрос со стороны не бабушек в ларьке купить малому, чтоб подудел, а со стороны настоящих музыкантов.
                        Ведь даже электрухи, а их, наверное, больше всего в мире продаётся, и то — полуручного производства. И чем дороже гитара — тем более ручная она. Перкуссия — туда же. Тарелки как делали Зильджаны в 1700 году руками, так и делают, теми же руками. Этнические — туда же. Деревянные духовые — тоже все хорошие ручной работы.
                        В общем у меня вопрос — в чем практический смысл автоматизации производства панфлейт? Не выгоднее ли нанять трех боливийцев, которые родились с этой флейтой в руках, выдать им развёртки и получить ручной работы аутентичные инструменты, сделанные руками мастеров на родине этой самой флейты?)

                          0
                          Сама по себе ручная сборка ни добавляет ни убавляет к итоговой стоимости флейты, это в среднем вообще никак не коррелирует с ценой.
                          https://www.ebay.com/itm/Andean-Bamboo-Pan-Flute-9-x-9/324462530478?hash=item4b8b794fae:g:QJQAAOSwFu1gDK-8
                          Частные примеры с перкуссией и т.д. не доказывают и не опровергают ничего.

                          Отвечая на Ваш вопрос. Не берусь утверждать, что выгодней: автоматизировать или собирать дешевой раб. силой, но мне интересен только первый вариант.
                          Стремлюсь делать топ качества флейты по вменяемой цене.
                          aliexpress.ru/i/4000083392522.html?spm=a2g0v.12057483.0.0.b59f5a151DZ5Fa
                            0
                            Ну как не коррелирует ) Ручной труд в среднем дороже автоматизированного производства. И любые примеры с любыми музыкальными инструментами весьма математически об этом говорят. Кроме того, ручное изготовление музыкальных инструментов позволяет куда более точно контролировать параметры каждого инструмента, чем массовое производство. Это очевидно.

                            Ну то есть, как я и думал, расчетов насчет более выгодного производства не было, значит дело не в прибыли. Это хорошо. Но дело и не в музыкальном инструменте, а лишь в процессе его изготовления и инженерных решениях. А это уже не так и хорошо.

                            Потому что — что такое топ качество? Качество изготовления флейты вообще никак не коррелирует с ее звучанием. Дерево во флейтах применяется не просто так, а из-за его акустических свойств. И акустика пластиков весьма сильно отличается от акустики дерева.
                            То есть карбоновая флейта — это уже не флейта Пана, не кугикл и не най. Также как венова — это не гобой, не кларнет и не саксофон. Это другой класс инструмента.

                            Ну и цена в косарь зелени за народный, этнический, так сказать, инструмент — что-то на грани фантастики )

                            ЗЫ. Вы вообще как с музыкой? Я с той целью интересуюсь, чтобы понять смысл вашего подхода, вопрос без подвоха )
                              0
                              Ну и цена в косарь зелени за народный, этнический, так сказать, инструмент — что-то на грани фантастики )

                              Ну не знаю, духовыми не интересуюсь, но хорошие колёсные лиры примерно от 2k евро начинаются. Понятно, что там конструкция гораздо более сложная и обычно это ручная работа, но всё-таки. И даже полностью электронная MidiGurdy, производство которой скорее всего автоматизировано, 2400eur стоит.

                                0
                                Флейта Пана — это не колесная лира, все-таки. И цена хорошей приятной панфлейты — до 100 баксов. У меня есть за 15, строит чудесно, играть удобно. Инструмента все-таки не академический.
                                А Мидигурди вообще полностью ручной штучный. И срок ожидания там нынче написан как два года )
                                  0

                                  Да понятно на самом деле, я просто за "народный, этнический" зацепился :)


                                  А Мидигурди вообще полностью ручной штучный.

                                  Интересно, почему они тогда практически никакой кастомизации не предлагают.

                              0
                              Да, забыл сказать. Вариант с развертками автоматизируется достаточно просто. Достаточно взять старый токарный прутковый полуавтомат и потратить месяц на его доработку до требуемой задачи.
                            0
                            На объединение данных понятий мне потребовалось...


                            Хорошо сказано. Нет, отлично!
                              0
                              А как со звуком? Вроде бы сказано что для него нужны зеркальные поверхности.
                                0
                                Тоже интересен этот момент.
                                Еще в процессе чтения статьи возникла мысль, что можно использовать 3Д-принтер, но мысль была сразу откинута из-за того, что внутренняя поверхность будет по сути не пригодной для работы.
                                Как это победили? Или это не так критично?
                                По идее у фотополимерного принтера качество поверхности существенно лучше, чем у FDM.
                                  0
                                  Верно, над этим стоит еще поработать.
                                  Можно лакировать и полировать внутренний канал напечатанных трубок, а можно на зеркальных стержнях наматывать углеткань и формовать карбоновые трубки сразу с зеркальным внутренним каналом.

                                  Возможно это благодаря разбивке на сегменты (трубка, ступенька в обвязке, лабиум), благодаря которым проекция стержня не имеет точек экстремума (диаметр на любой высоте трубки всегда уменьшается как у удочек). Это позволяет стянуть отформованный углепластик с оправки.

                                  При этом снятые фаски между соседними игровыми каналами создают эти самые точки экстремума (минимального диаметра по середине трубки)
                                    0
                                    Еще нужно понимать, что со временем материал может потерять зеркальность, это учитываете?
                                  0
                                  надо ж было до такого додуматься) это очень круто!
                                    0
                                    работа проделана конечно колоссальная, надеюсь автор получит выхлоп в деньгах, а не только от процесса.
                                      +1
                                      Я родился в Молдавии. Най — это национальный молдавский инструмент. Это панфлейта.
                                      Так как уже 20 лет я не живу в Молдавии, ностальгия берет свое. Может ли Ваше производство конкурировать с традиционным в Молдавии с не столь высокой стоимостью оплаты труда?

                                      Какой максимальный рынок панфлейт? Особенно нетрадиционных?

                                      Допустим у Вас уже есть панфлейта, как у меня. Вы разучите одинокого пастуха, а что дальше?

                                      Как я www.instagram.com/p/B43-K_5qFHw

                                      Где толковые самоучители, какие песни играть? Большинство песен достаточно быстрые и требуют понимания национального культурного кода.

                                      Если Вы о панфлейтах южной Америки, то они другой формы, в несколько рядов. Будет ли Ваша модель под них подстраиваться?
                                        0
                                        Так я написал программу-самоучитель, по которому снимаю видео-обучалки:
                                        +1
                                        Неискушенному пользователю достаточно стандартной пластиковой отливки или из типовых труб. Профессионалы выбирают из какого сорта абрикосового дерева звук более правильный, а тут 3д печать. Не понятно какая целевая аудитория. Новичкам не нужна кастомизация, а профессионалы будут морщиться от пластика, если только вы не совершили в этой области какую-нибудь революцию. Что говорят специалисты о вашем продукте в плане звучания?
                                        Было бы бомбически, если бы вы написали программу, которая по 3д модели и материалу смогла бы смоделировать звук. А если бы этот звук примерно совпадал с реальностью… Вот это, я думаю, профессионалов могло бы заинтересовать. Но это задача совсем другого порядка…
                                          +1
                                          Это известное заблуждение в панфлейтовой среде. Профи знают, что от материала звук в духовых не зависит
                                          forum.blf.ru/showthread.php?t=985 коммент от «Злого Сердца» или книга из источников
                                            +2
                                            из не сильно отличающихся по жесткости материалов, с одинаковыми степенями шероховатости поверхностей внутри трубок

                                            Ну вот при таких оговорках можно согласиться. Однако жесткость пластика и дерева — разная. И шероховатость у них одинаковую не получить. И дерево неоднородно в объеме, что тоже может влиять. Так что, мне кажется, что не все так однозначно.
                                              +1
                                              Если постучать тонким твёрдым предметом по кускам дерева и пластика одного размера (такой себе упрощённый процесс получения импульсной характеристики), то как минимум они будут иметь разный набор резонансных частот. Жёстче материал — уже пики и выше добротность — резче звук.
                                          0
                                          Интересно, а промежуточные варианты флейты звучат в итоге интереснее, чем доступные на массовом рынке модели?
                                          0
                                          Отличный рассказ, можно использовать как пример для ответа на пару вечных вопросов:

                                          — Как программирование и математика могут пригодиться вне программирования?
                                          — Как в действительности выглядит деятельность стартапа?
                                            0

                                            Как говорится, методом проб и ошибок, но результат того стоил) Я даже не представлял, что у этого инструмента такая не простая форма, как может показаться с первого взгляда.

                                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                            Самое читаемое