Аддитивное производство повышает гибкость и эффективность крупных морских конструкций

Способность быстро создавать разные итерации деталей — без разработки или закупки дорогого выделенного инструмента — делает аддитивное производство (AM) популярным для прототипирования. Но по мере улучшения материалов и технологий печати больше компаний переносят скорость и универсальность AM на серийные детали, особенно для малых серий или единичных изделий, где быстрое производство новых проектов — актив.

Недавно две компании продемонстрировали, что композитные AM-технологии могут быть решающими для кастомизации крупных морских конструкций: автономных подводных аппаратов (АПА) и моторных лодок.

Крупноформатная 3D-печать для кастомизируемого производства АПА

Автономные подводные аппараты — беспилотные роботы, способные перемещаться под водой без физической связи с кораблем или дистанционного управления. Часто оснащены камерами или датчиками для обороны, океанических исследований или оффшорных съемок. Обычно внешние корпуса АПА — либо один большой металлический герметичный корпус, либо термоформованные пластик или композиты. Оба варианта требуют разработки и закупки инструментов, что дорого и ограничивает кастомизацию для клиентов. Производитель АПА Dive Technologies (Квинси, штат Массачусетс, США) обнаружил, что композитная 3D-печата решает многие ограничения традиционного производства.

В 2018 году сооснователи Dive Technologies Бил Лебо, Джерри Сгоббо и Сэм Руссо решили создать свою компанию для проектирования и запуска нового, более способного АПА, отвечающего требованиям клиентов к долгой выносливости и большой полезной нагрузке.

Результат — DIVE-LD, 19-футовый (5,8 м) коммерческий АПА диаметром 4 фута (1,2 м), способный нырять на 6000 м и проходить до 500 миль (800 км) с полезной нагрузкой до 1 м³. Изначально команда предполагала термоформованный пластик для внешнего корпуса. Для изучения и тестирования дизайна Dive Technologies обратилась в Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Оук-Ридж, штат Теннесси, США) о 3D-печати для быстрого прототипирования. Через ORNL команду познакомили со специалистом по крупноформатному аддитивному производству (LFAM) Additive Engineering Solutions (AES, Акрон, штат Огайо, США), и они начали работу над процессом производства корпусов АПА.

В ходе работы над 3D-печатными прототипами Dive Technologies осознала потенциал LFAM для быстрого производства готовых компонентов, а не только прототипов. Не только прототипы лучше соответствовали требованиям, но и переход на AM для серийных аппаратов сэкономил бы затраты на инструменты, ускорил выпуск и позволил новый уровень быстрой кастомизации для клиентов.

Внешний корпус DIVE-LD состоит из девяти трубчатых обтекателей, напечатанных на одном из четырех принтеров Big Area Additive Manufacturing (BAAM) Cincinnati Inc. (Синциннати, штат Огайо, США) у AES. Обтекатели печатаются из ABS с рубленым волокном от Sabic (Эр-Рияд, Саудовская Аравия). По словам сооснователя и вице-президента AES Эндрю Бадера, AES может напечатать все детали полного корпуса менее чем за два дня. Поставленные в Dive, 3D-печатные обтекатели механически крепятся четырьмя крепежами на обтекатель и покрываются для гладкой гидродинамической поверхности. После успешных испытаний в 2020 г. Dive строит первые серийные аппараты весной и сдаст первый заказ в июне 2021 г.

По словам Руссо, AM стала ключевой частью ценностного предложения Dive Technologies для будущих аппаратов. Партнерство с Dive — большой шаг для AES и композитной 3D-печати. Бадер добавляет: «Обычно когда думают о 3D-печати, имеют в виду прототипы, приспособления и инструменты, так что это показывает, на что еще способна 3D-печать».

Подробнее о Dive Technologies и AES читайте в «Крупноформатная 3D-печать обеспечивает безинструментальное быстрое производство для АПА».

Аддитивное производство с непрерывным волокном и автоматизация для универсального дизайна моторных лодок

С патентом на процесс непрерывного волокнистого производства (CFM) в 2015 г. Moi Composites (Милан, Италия) исследовала применения своей депонирующей 3D-печати с непрерывным волокном. Особенности CFM: собственный ПО для дизайна, роботизированные манипуляторы, UV-отверждение и «гибридное» производство — традиционная ламинация композитов поверх 3D-печатного структурного ядра. Недавно компания продемонстрировала CFM как решение для более экономичного, быстрого и инновационного дизайна морских конструкций через демонстратор моторной лодки MAMBO.

По словам сооснователя Moi Composites Габриэле Натале, он и сооснователь Микеле Тониццо посетили Генуэзский лодочный салон в 2017 г. и поняли, что затраты на инструменты и традиционные процессы инфузии стеклопластика для корпусов лодок ограничивают способность дизайнеров исследовать новые сложные формы. Узнав, что их бесформенная 3D-печать с непрерывным волокном может быть решением, Натале говорит: «С тех пор мы начали разрабатывать план и встречаться с партнерами в судостроении».

Результирующая лодка MAMBO: 6,5 м длины × 2,5 м ширины, сухой вес ~800 кг, навигационная система, пробковое покрытие, белые кожаные сиденья, двигатель 115 л.с. Moi Composites работала с морским дизайн-бюро MICAD (Лечче, Италия) над структурной концепцией, комбинирующей органические формы в структурные элементы, вдохновленные известным катамараном Arcidiavolo Сонни Леви. Использовались Autodesk Fusion 360 CAD и NETFABB для дизайна и гидродинамического анализа.

Корпус и палуба, напечатанные из однонаправленного стекловолокна Owens Corning (Толедо, штат Огайо, США) и винилэфирной смолы, спроектированы как 50 отдельных секций разного размера. Половина напечатана в Милане у Moi Composites, половина — на объекте Advanced Manufacturing Facility (ACF) Autodesk в Бирмингеме (Великобритания). Использовались технология CFM и два робота Kuka (Аугсбург, Германия) в обоих местах. По словам Доминик Мюллер, менеджера по исследованиям AM в Autodesk, система CFM в их технологическом центре позволила быстро напечатать лодку и лучше узнать технологию, которую Moi управлял удаленно через ПО Autodesk. Общее время печати — около двух месяцев.

Напечатанные детали доставлены на верфь Catmarine в Миджано (Италия), где собраны и склеены клеевым соединением. В гибридном процессе, похожем на то, что Moi использовал для протезов и других деталей, весь корпус затем ламинирован вручную дополнительным слоем стеклопластика/полиэстера с ПВХ-пенным ядром, толщина которого варьируется по конструкции. После сборки, шлифовки и гелькоутинга партнеры Moi оснастили лодку движителем, навигацией и другими системами.

Первые морские испытания и тесты стабильности прошли осенью 2020 г., MAMBO разогналась до 26 узлов; Moi Composites планирует продолжить испытания летом 2021 г. к сертификации.

«Аддитивное производство, цифровизация и автоматизация ускоряют создание новых концепций и футуристических проектов, потому что для каждой лодки нужен новый молд. Этой технологией можно легко изменить 3D-модель и напечатать снова. Идеально для малых серий или единичных изделий», — говорит Натале.

Подробнее о MAMBO: «MAMBO тестирует воду для 3D-печати крупных морских конструкций».