3D-печатные подводные роботы для ремонта на глубине

Для морских отраслей, которые работают на воде или под водой, таких как рыболовство, аквакультура или оффшорные ветряные электростанции, все усложняется. Проблемы цепочки поставок, ремонт, техническое обслуживание и ежедневные операции становятся более сложными из-за постоянно меняющейся, зачастую неблагоприятной среды.

Поскольку 3D-печать делает возможным изготовление сложных, индивидуальных водонепроницаемых деталей, области применения почти бесконечны. Водонепроницаемые 3D-печатные детали используются в качестве конечных компонентов двигателя, исследовательских инструментов, лопастей гребных винтов, компонентов оборудования для глубоководного погружения и много другого. Новые идеи повсюду, но успешные продукты все еще требуют правильного процесса проектирования, обширных испытаний и мощных инструментов, чтобы сделать их жизнеспособными в суровой среде под поверхностью.

Southern Ocean Subsea (SoSub), разработчик и производитель подводных роботов, потратил годы на разработку роботизированных инструментов для подводных операций. Сотрудничая с партнером Formlabs ThingLab, SoSub использует принтер Form 3 и четыре принтера Form 3L для создания сложных роботизированных систем.

Основатель SoSub Келси Трелоар и инженер Майлз Льюис снизили стоимость и сроки разработки индивидуальных решений, таких как их телеуправляемые подводные аппараты (ТПА). Производство сложных, водонепроницаемых роботизированных систем, подобных их, было бы практически невозможно без 3D-печати, которая позволила им обойти препятствия традиционного производства для успеха стартапа.

«3D-печать устраняет производство как узкое место. Узким местом становится наше собственное воображение — мы должны придумать интересное решение сложной проблемы, так что вопрос не в том, "возможно ли это", а в том, "сможем ли мы это придумать". Что является привилегией современных инженеров», — говорит Льюис.

Техническое обслуживание и Определение Соответствия Рынку

ТПА SoSub изначально задумывалось как решение проблемы, с которой Трелоар сталкивался бесчисленное количество раз — процесс ремонта коммерческих рыболовных сетей был утомительным и мог быть опасным. Должно было существовать роботизированное решение.

Трелоар не планировал разрабатывать ТПА и создавать новые подводные технологии. Изначально SoSub начинала как предприятие по техническому обслуживанию и ремонту рыболовного оборудования и подводных механизмов. Трелоар заметил, что их снова и снова вызывали для ремонта промышленных рыболовных сетей и оборудования, проводя трудоемкие операции, которые требовали от команд водолазов вручную сшивать сети обратно под водой. Подобная ручная, повторяющаяся работа годами решается с помощью робототехники на суше, но океанская среда добавляет дополнительный уровень сложности и стоимости. Существующие решения могут стоить сотни тысяч долларов и, как правило, доступно только для хорошо финансируемых исследовательских экспедиций.

Трелоар начал экспериментировать — он самостоятельно научился работать с САПР и начал искать разные способы изготовления водонепроницаемых деталей, которые он проектировал. «Мы начали искать недорогие способы их изготовления, способы, которые были бы экономичны для такой компании, как наша. Сначала с FDM 3D-принтерами, затем исследуя другие пути», — говорит Трелоар.

Ремонт сетей может быть опасным - роботизированные системы ограничивают опасность для водолазов, а 3D-печать делает эти роботизированные системы рентабельными для рыболовств, нанимающих SoSub.

Правильная Технология

FDM 3D-печатные корпуса (как тот, что слева) не являются водонепроницаемыми, так как FDM 3D-печатные детали имеют микроскопические зазоры между слоями нити.

Сразу же FDM технология создала проблемы. FDM принтеры не могут создавать водонепроницаемые детали — микроскопические зазоры между слоями, которые не химически связаны друг с другом, позволяют воде просачиваться внутрь, особенно когда давление растет с глубиной под поверхностью.

К счастью, у коллеги был опыт работы с SLA 3D-принтерами. «Он был уверен, что технология смол достаточно хороша, поэтому мы воспользовались ею, и это сработало. Ничего другого, что я видел до сих пор, не может этого сделать, и мы не смогли бы разработать эти детали никаким другим способом», — говорит Трелоар.

С начала работы со смоляными 3D-принтерами SoSub расширила свой парк 3D-принтеров до четырех крупноформатных SLA принтеров Form 3L и одного настольного блока Form 3. «Принтеры заложили основу для нас, чтобы даже начать делать эту работу», — говорит Льюис.

Детали Под Поверхностью: На Уровне Задачи

Подводная робототехника требует деталей, которые могут выдерживать повторяющиеся нагрузки, сохранять жесткие допуски и достигать точной размерной точности, чтобы они могли создавать сборки, плотно герметизированные уплотнительными кольцами без каких-либо зазоров, вызванных выпуклостями, линиями или артефактами печати. Детали, соответствующие этому списку спецификаций, традиционно изготавливаются механической обработкой из металла или литьем под давлением, но аутсорсинг поставщикам дорог и может занять недели или месяцы.

3D-печать предоставляет метод для Льюиса и Трелоара проектировать, создавать прототипы и тестировать детали, которые могут имитировать литые под давлением пластики или даже механически обработанные пластики.

«Если вы посмотрите на индустрию ТПА, они были бы механически обработаны или отлиты под давлением, с длительными сроками поставки и значительно завышены в цене. Поскольку это такой нишевый рынок, компоненты могли стоить тысячи долларов. Одним из конкурентных преимуществ SoSub является то, что мы можем делать вещи очень быстро, но также очень недорого с помощью 3D-печати».

Келси Трелоар, Основатель и Генеральный директор, SoSub

Материалы Formlabs могут выдерживать не только гладкие поверхности, необходимые для этих конечных деталей, но и давление подводных операций. SoSub сертифицировала корпуса, напечатанные из Rigid 10K Resin, Tough 2000 Resin и Grey Resin, на водонепроницаемость даже на сотни метров глубины. «Мы взяли небольшой готовый сервер за 100 долларов и напечатали на 3D-принтере корпус. Он значительно превзошел наши ожидания и опустился на 600 метров. Вы можете сделать подводный серверный привод, рассчитанный на 600 метров, за полдня», — говорит Льюис. Другой корпус из Rigid 10K Resin также преуспел beyond 1000 метров ниже поверхности.

Одним из значительным преимуществ рабочего процесса Formlabs была расчетная механическая производительность в программном обеспечении Autodesk Fusion 360 для смол Formlabs. «С инженерными материалами Formlabs они публикуют данные для FEI анализа для симуляции. Мы не можем делать это с другими материалами. Если клиент хочет оценку прочности для своей детали, мы можем сделать это и сказать: "он должен выдерживать это". Затем мы можем провести испытания, чтобы подтвердить это», — говорит Льюис.

Добавление Сложности для Упрощения Вещей

3D-принтеры Form 3L от SoSub позволяют им проектировать, испытывать и производить конечные детали, которые являются водонепроницаемыми и точными по размерам.

В дополнение к стоимости и времени поставки, SoSub создает детали, которые не могут быть изготовлены традиционными способами из-за сложности, и это повлияло на их подход к созданию новых деталей. Чтобы уменьшить количество отдельных компонентов в сборке для простоты обработки и эксплуатации, SoSub проектирует с учетом аддитивного производства. «Вещи, которые вы традиционно производили бы механической обработкой, были бы невозможны и очень дороги. Так что вы фактически должны перевернуть свое мышление и делать детали как можно более сложными в одной детали, чтобы напечатать все целиком. Вы можете просто исключить восемь производственных процессов, делая как сборку, так и процесс проектирования быстрее и проще», — говорит Льюис.

3D-Печать от Дизайна до Конечного Использования

Tough 2000 Resin обладает хорошей прочностью и отличной точностью размеров - поэтому он идеален для водонепроницаемых корпусов на основном корпусе захвата (Squid Lock).

Собранный захват имеет корпус, напечатанный из Tough 2000 Resin, с 3D-печатными металлическими 'зубьями' для фиксации в сети.

3D-печать позволила SoSub находить творческие решения сложных проблем. Команду SoSub вызвали на оффшорные рыбные фермы за пределами Мельбурна для разработки ТПА для очень конкретной работы. Большие рыболовные сети необходимо снимать с лодок и расправлять в воде, работа, которую обычно выполняют водолазы, была трудоемкой и повторяющейся. Сложность заключалась в проектировании привода, который мог бы действовать так же ловко, как человеческие руки, пока сеть плавает в воде, и достаточно цепко хвататься за нее. Ответом стал захват 'Squid Lock' от SoSub, роботизированная деталь, которая может подплывать к сети, захватывать и фиксироваться в плавающей ткани, а затем оттягивать ее, прилагая около 400 кг силы, не разрывая и не отсоединяясь.

«Мы перешли от очень грубой концепции к работе над конечным продуктом за полтора месяца с 3D-печатными тестовыми прототипами из Grey Resin для зубьев и Tough 2000 Resin для корпуса. 3D-печать дает нам уверенность в том, что мы действительно можем сделать что-то в сжатые сроки. Это позволяет нам принимать на себя больше рисков в дизайне», — говорит Трелоар.

SoSub поставила на ферму восемь полностью функциональных Squid Locks в течение двух месяцев. Окончательный дизайн имеет зубья, напечатанные на 3D-принтере из металла, но корпус по-прежнему из Tough 2000 Resin. «Grey Resin довольно хорош в детализации, а Tough 2000 Resin — довольно прочный материал, для случаев, когда нам нужно что-то, что имеет детализацию как Grey, но прочнее», — говорит Льюис.

Цифровые Планы на Будущее

SoSub только начала отвечать на высокий спрос на настраиваемые механизмы в морских отраслях. В будущем они смотрят на другие комплексные решения. «В конце концов мы хотим выйти на сотни единиц в год, и мы все еще будем использовать 3D-печать. Мы можем иметь клиентов, которые покупают принтеры сами, а затем продавать им файлы, чтобы все можно было изготовить на месте», — говорит Трелоар. На данный момент клиентская база SoSub для полностью печатных решений все еще растет, но Трелоар и Льюис уверены, что 3D-печать может адаптироваться к новым и более сложным проектам. «Мы используем ее для самых разных вещей. Не только для того, для чего мы их изначально приобрели, но это начинает открывать ваш разум для новых вещей, которые вы можете попробовать», — говорит Трелоар.