Additieve manufacturing vergroot flexibiliteit en efficiëntie bij grote mariene structuren

De mogelijkheid om snel verschillende iteraties van onderdelen te bouwen – zonder dure speciale hulpmiddelen te hoeven ontwikkelen of kopen – is waarom additive manufacturing (AM) zo vaak wordt gebruikt bij prototyping. Naarmate materialen en printtechnologieën zich verbeteren, kunnen meer bedrijven de snelheid en veelzijdigheid van AM uitbreiden naar eindgebruiksonderdelen, met name voor kleine series of unieke toepassingen waar de mogelijkheid om snel nieuwe ontwerpen te produceren een voordeel is.

Onlangs hebben twee bedrijven aangetoond dat composiet AM-technologieën in staatstellende oplossingen kunnen zijn voor het customiseren van grote mariene structuren zoals autonome onderwatervoertuigen (AUV) en motorboten.

Grootformaat 3D-printen voor customizeerbare AUV-productie

Autonome onderwatervoertuigen zijn een type onbemande robotische voertuigen die onder water kunnen reizen zonder fysieke verbinding met een boot of afstandsbediening door een menselijke operator, en vaak uitgerust zijn met camera's of sensoren voor diverse toepassingen in defensie, oceaanonderzoek of offshore surveys. Typisch bestaan de buitenhullen van AUVs uit één grote metalen drukvaten, of ze zijn gebouwd uit thermogevormd plastic of composieten. Beide opties vereisen echter de ontwikkeling en aankoop van speciale hulpmiddelen, wat duur kan zijn en de mate van customisatie beperkt die voor AUV-klanten mogelijk is. AUV-fabrikant Dive Technologies (Quincy, Mass., VS) ontdekte dat composiet 3D-printen veel van de beperkingen van traditionele productie oplost.

In 2018 besloten Dive Technologies medeoprichters Bill Lebo, Jerry Sgobbo en Sam Russo hun eigen bedrijf op te richten om een nieuwe, capabelere AUV te ontwerpen en te lanceren die voldoet aan klanteisen voor lange uithoudingsvermogen en grote payload-capaciteit.

Wat ze en hun team ontwikkelden is de DIVE-LD, een 19 voet lange, 4 voet diameter commerciële AUV die kan duiken tot 6.000 meter en tot 500 mijl kan reizen, met een payload van maximaal 1 kubieke meter. Oorspronkelijk ging het team ervan uit dat de eindstructuur voor het voertuig thermogevormde kunststoffen zou gebruiken voor de buitenhuls. Om het ontwerp te verkennen en te testen, sprak Dive Technologies met Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tenn., VS) over het gebruik van 3D-printen voor rapid prototyping. Via ORNL werd het Dive-team geïntroduceerd bij grootformaat additive manufacturing (LFAM)-specialist Additive Engineering Solutions (AES, Akron, Ohio, VS), en begon te werken met het AES-team aan een productieproces voor de AUV-hulvormen.

Tijdens het werken aan de 3D-geprinte prototypes realiseerde Dive Technologies zich het potentieel van LFAM om afgeronde componenten snel te produceren, niet alleen prototypes. Niet alleen voldeden de 3D-geprinte prototype-onderdelen beter aan de eisen dan verwacht, maar het adopteren van AM voor productievoertuigen zou ook hulpmiddelkosten besparen, Dive in staat stellen eindproducten sneller te produceren dan met traditionele methoden en een nieuw, hoger niveau van snelle customisatie voor klanten mogelijk maken.

De buitenhuls van de DIVE-LD bestaat uit negen buisvormige fairings geprint met een van AES' vier Cincinnati Inc. (Cincinnati, Ohio, VS) Big Area Additive Manufacturing (BAAM) 3D-printers. Deze fairings worden geprint uit gehakte vezel-gevulde ABS geleverd door Sabic (Riyad, Saoedi-Arabië). Volgens AES-medoprichter en VP Andrew Bader kan AES alle onderdelen voor een complete huls in minder dan twee dagen printen. Eenmaal geleverd bij Dive, worden de 3D-geprinte fairings mechanisch bevestigd met vier bevestigingsmiddelen per fairing, en gecoat om een gladde, hydrodynamische buitenoppervlakte te produceren. Na succesvolle initiële tests in 2020 bouwt Dive de eerste klantvoertuigen deze lente en levert de eerste bestelling in juni 2021.

Volgens Russo is AM een kern onderdeel geworden van Dive Technologies' value proposition voor toekomstige voertuigen en producten. De samenwerking met Dive is een grote stap voor AES en composiet 3D-printen ook. Bader voegt toe: "Meestal denken mensen bij 3D-printen aan prototypes, fixaties en hulpmiddelen, dus dit laat zien wat 3D-printen nog meer kan."

Lees meer over Dive Technologies en AES in "Large-format 3D printing enables toolless, rapid production for AUVs."

Continue vezel AM en automatisering voor veelzijdig motorbootontwerp

Sinds het patenteren van zijn continuous fiber manufacturing (CFM) proces in 2015, heeft Moi Composites (Milaan, Italië) een reeks toepassingen verkend voor zijn depositie-gebaseerde, continue-vezel 3D-print CFM-technologie. Kenmerken van CFM zijn Moi Composites' custom ontwerpsoftware, het gebruik van robotarmen, UV-hardening en "hybride" productie – meer traditionele composietlaminatie bovenop een 3D-geprint structurele kern. Onlangs heeft het bedrijf zijn CFM-technologie gedemonstreerd als oplossing voor meer kosteneffectieve, snellere en innovatieve mariene structuren, via een demonstrator motorboot genaamd MAMBO.

Volgens Gabriele Natale, medeoprichter van Moi Composites, bezochten hij en medeoprichter Michele Tonizzo de Genoa Boat Show in 2017 en realiseerden zich dat hulpmiddelkosten en traditionele fiberglass infusieprocessen die voor veel boethullen worden gebruikt, de vermogen van bootontwerpers beperken om nieuwe en complexere ontwerpen te verkennen. In de herkenning dat hun hulpmiddelloze, continue vezel 3D-printtechnologie een in staatstellende oplossing kon zijn, zegt Natale: "Vanaf daar begonnen we een plan te ontwikkelen en gingen we bijeenkomsten hebben met partners binnen de mariene industrie."

De resulterende MAMBO-boot is 6,5 meter lang x 2,5 meter breed, met een drooggewicht van ongeveer 800 kilogram, uitgerust met een navigatiesysteem, kurkvloer, witte leer stoelen en een 115 pk motor. Moi Composites werkte met marien design engineering studio MICAD (Lecce, Italië) aan het structurele ontwerpconcept voor de boot, dat organische vormen combineert in structurele elementen geïnspireerd op de beroemde Arcidiavolo catamaran door Sonny Levi. Autodesk (San Rafael, Californië, VS) Fusion 360 CAD en NETFABB additive manufacturing software werden gebruikt in het ontwerp en de vloeistofdynamische analyse van de componenten.

De huls en het dek van de boot, geprint uit unidirectioneel E-glas geleverd door Owens Corning (Toledo, Ohio, VS) en vinylesterhars, werden ontworpen om in 50 individuele secties van variërende afmetingen geproduceerd te worden. De helft van de secties werd geprint bij Moi Composites' faciliteit in Milaan, en de andere helft bij partner Autodesk's Advanced Manufacturing Facility (ACF) in Birmingham, VK. Moi Composites' CFM 3D-printtechnologie en dubbele Kuka (Augsburg, Duitsland) robots werden op beide faciliteiten gebruikt. Volgens Dominique Müller, research manager bij het additive manufacturing team van Autodesk, stelde het CFM-systeem op Autodesk's technologiecentrum de boot in staat om snel te printen, en stelde Autodesk ook in staat de technologie die Moi op afstand aandreef met Autodesk software beter te leren kennen. Totale printtijd voor alle componenten was ongeveer twee maanden.

De geprinte onderdelen werden verzonden naar Catmarine scheepswerf in Miggiano, Italië, waar ze samengevoegd en lijmtechnisch gebonden werden. In een hybride productieproces vergelijkbaar met wat Moi heeft gebruikt bij prothesen en andere onderdelen, werd de gehele huls vervolgens gelamineerd via hand lay-up met een extra fiberglass/polyester laag gekernd met PVC-schaum, die, aldus Natale, in dikte varieert langs de structuur. Na volledige montage, schuren en gelcoaten van huls en dek, voorzagen Moi Composites' partners de boot van aandrijving, navigatie en andere systemen om de boot te voltooien.

Initiële zeetests en stabiliteitstesten werden in de herfst van 2020 uitgevoerd, waarbij MAMBO tot 26 knopen haalde; Moi Composites plannet zeetests in de zomer van 2021 voort te zetten naar certificering van de boot.

"Additieve manufacturing, digitalisering en automatisering kunnen de creatie van nieuwe concepten en futuristische projecten versnellen, want voor elke boot die je wilt ontwerpen, heb je een nieuwe vorm nodig. Met deze technologie kun je je 3D-model eenvoudig aanpassen en opnieuw printen. Dit is perfect vooral voor kleine series of unieke boten," zegt Natale.

Meer over MAMBO in "MAMBO tests the waters for 3D printing large marine structures."