Optimalisatie van het ontwerp van onderzeese ROV-gereedschappen:maatwerk, materialen en corrosiebestendigheid

Het ingewikkelde proces van het ontwerpen en aanpassen van op afstand bediende voertuigen (ROV's) maakt gebruik van de precisie en flexibiliteit van de CNC-industrie. Het bewerken van ROV-onderdelen vereist aandacht voor details, vooral de corrosieweerstand in aluminium onderwaterbehuizingen, en de strategische selectie van materialen zoals technische kunststoffen, bekend om hun verbeterde mechanische en thermische eigenschappen.

Dergelijke ingewikkelde ontwerp- en productieproblemen brengen echter vaak machinale uitdagingen met zich mee. In dit artikel duiken we in de technische details van het succesvol inzetten van op afstand bediende voertuigen in onderwateromgevingen. Laten we het verkennen!

Het ontwerpen van op afstand bediende voertuigen en onderzeese gereedschappen vereist een zorgvuldige afweging van verschillende factoren, waaronder corrosiebescherming, materiaalkeuze en oppervlakteafwerking.

1. Corrosiebescherming bij de productie van aluminium onderwaterbehuizingen

Onderwater ROV-behuizingen behoren tot de meest cruciale componenten van een ROV en beschermen kritische elektronica en interne mechanismen. Corrosiebescherming is vooral essentieel bij het vervaardigen van onderwaterhuizen, waarbij materialen zoals aluminium de boventoon voeren.

Om de levensduur en functionaliteit van de componenten, inclusief frames, gereedschappen en accessoires, te garanderen, wordt doorgaans een tweeledige benadering van corrosiebescherming toegepast:coatingbescherming en kathodische bescherming, met een specifieke focus op kathodische bescherming van aluminium voor ROV-onderdelen onder water.

Coatingbescherming tegen corrosie

De gevoeligheid van onderwater-ROV-onderdelen voor corrosie in mariene omgevingen vereist een robuuste verdedigingsstrategie. Coatingbescherming, gebaseerd op normen als NORSOK M-501, Systeem 7, biedt een eerste barrière. Deze methode wordt op grote schaal gebruikt in onderzeese constructies zoals ROV-behuizingen, onderdelen en spruitstukken. Deze coatings worden zorgvuldig aangebracht om te beschermen tegen corrosieve maritieme elementen.

Kathodische bescherming

Coating alleen is onvoldoende voor de uitgebreide bescherming van onderwaterhuizen. Deze ontoereikendheid brengt de cruciale rol van kathodische bescherming, en met name van aluminium kathodische bescherming, in beeld. Aluminium is een effectieve opofferingsanode met een potentieel van ongeveer -1,05. Wanneer ze worden ingezet in een galvanische kathodische beschermingsopstelling, beschermen aluminiumanodes materialen met een hoger potentieel, een principe dat cruciaal is bij het aanpassen van ROV-componenten.

Hoe werkt kathodische bescherming?

De mechanica van kathodische bescherming van aluminium in onderwateromgevingen omvat het transformeren van actieve anodeplaatsen op metalen oppervlakken in passieve of kathodische plaatsen. Dit wordt bereikt door vrije elektronen te leveren vanuit een actievere bron:de opofferingsanodes, doorgaans gemaakt van zeer actieve metalen in vergelijking met staal. In dit opofferingssysteem corroderen de aluminiumanodes op de plaats van de beschermde structuur, waardoor de levensduur van de ROV-behuizing en onderdelen aanzienlijk wordt verlengd.

Het begrijpen van de elektrochemische processen die aan deze bescherming ten grondslag liggen, is essentieel voor het ROV-prototypeontwerp en de ontwikkeling van een aangepaste ROV. De interactie tussen de twee ongelijke metalen, in aanwezigheid van een elektrolyt (zout water), initieert een stroomstroom van de meer actieve (anodische) naar de minder actieve (kathodische) plaatsen. Het gebruik van aluminiumanodes in dit galvanische koppel is een strategische keuze, gezien hun hoge activiteitsniveau ten opzichte van staal.

Deze aanpak garandeert de structurele integriteit en operationele doeltreffendheid van de ROV, waardoor deze complexe taken kan uitvoeren in uitdagende onderzeese omgevingen.

2. Verbetering van de prestaties van ROV Subsea-gereedschappen met Engineering Plastics

Op het gebied van het ontwerp van Remotely Operated Vehicle (ROV) is het gebruik van technische kunststoffen, met name polyoxymethyleen (POM), van cruciaal belang voor het verbeteren van de prestaties van onderwater ROV-gereedschappen. Deze materialen, erkend om hun lichtgewicht, corrosieweerstand en duurzaamheid, zijn onmisbaar geworden bij de constructie van ROV-frames, boegschroefsproeiers, cameralenskoepels en verschillende structurele onderdelen.

POM, bekend om zijn robuustheid en lange levensduur, is vooral voordelig in maritieme toepassingen. De lage wrijvingseigenschappen maken externe smering overbodig, waardoor de onderhoudsvereisten voor ROV-apparatuur worden verminderd. De compatibiliteit met verschillende onderzeese gereedschappen en de weerstand tegen omgevingsstressoren maken het tot een voorkeurskeuze voor ROV-ontwerp. De inherente kenmerken van POM, waaronder taaiheid, slagvastheid en het vermogen om trillingen en slijtage te verdragen, sluiten perfect aan bij de eisen van onderzeese ROV-operaties.

Technische kunststoffen zoals POM, PC, ABS en PP bieden ook ontwerpflexibiliteit. Ze maken de creatie van ROV-onderdelen met gevarieerde kleuren en oppervlaktestructuren mogelijk, wat zowel esthetische als functionele voordelen oplevert. Bovendien beschermen de elektrisch isolerende eigenschappen van plastic gevoelige elektronische componenten in de ROV, waardoor een ononderbroken functionaliteit tijdens onderwatermissies wordt gegarandeerd.

Op het gebied van de duurzaamheid van het mariene milieu bieden technische thermoplastische materialen een aanzienlijk voordeel. Veel van deze materialen zijn recyclebaar, wat aansluit bij de toenemende aandacht voor milieubeheer bij het ontwerp en de inzet van onderzeese apparatuur. Het gebruik van recyclebare materialen bij de productie van ROV's vermindert de impact op het milieu en ondersteunt de duurzaamheidsdoelstellingen van de industrie.

3. De juiste oppervlakteafwerking kiezen voor de ROV-onderdelen

Onderzeese gereedschappen moeten onder extreme omstandigheden werken, en de oppervlakteafwerking zorgt voor een aanzienlijke operationele efficiëntie. Er worden verschillende kritische oppervlakteafwerkingen toegepast, elk afgestemd op de unieke eisen van de onderzeese omgeving.

• Anodiseren: Dit elektrochemische proces, vaak toegepast op aluminium componenten, verhoogt de corrosieweerstand en draagbaarheid. Het is ideaal voor ROV-frames, ROV-gereedschappen en onderwaterhuisonderdelen, en biedt een duurzaam, niet-geleidend oppervlak.
• Poedercoating: Poedercoating biedt superieure corrosieweerstand en wordt gebruikt vanwege zijn robuustheid tegen het barre maritieme milieu. Het is geschikt voor grotere ROV-componenten en garandeert een lange levensduur en esthetische aantrekkingskracht.
• Elektroloos vernikkelen: Deze afwerking zorgt voor een uniforme laagdikte, uitstekende corrosieweerstand en verhoogde hardheid. Het is vooral nuttig voor ingewikkelde ROV-gereedschappen en mechanische onderdelen die nauwkeurige afmetingen en hoge duurzaamheid vereisen.
• Keramische coatings: Keramische coatings staan bekend om hun uitzonderlijke hardheid en thermische barrière-eigenschappen en worden gebruikt in onderdelen die worden blootgesteld aan hoge temperaturen en schurende omstandigheden, zoals straalpijpen.
• Chroomconversiecoating: Deze coating wordt voornamelijk toegepast op aluminium onderdelen en biedt een goede corrosieweerstand, elektrische geleidbaarheid en een goede basis voor daaropvolgende verftoepassingen.

De CNC-industrie, met haar precisiebewerkingsmogelijkheden, speelt een belangrijke rol bij het nauwkeurig toepassen van deze afwerkingen. De juiste combinatie van deze oppervlakteafwerkingen draagt aanzienlijk bij aan de efficiëntie, betrouwbaarheid en levensduur van onderwater-ROV's.

Hoe componenten van ROV-apparatuur op maat maken met CNC-bewerking?

De ROV bestaat uit een onderwatervoortstuwingssysteem, een onderwatercamerasysteem, een besturingssysteem en een hoofdframe. De duikdiepte van ROV vereist dat de materialen voldoende sterkte en corrosiebestendigheid hebben, het langere uithoudingsvermogen vereist dat onderdelen lichtgewicht en compact zijn, en de verwerkte onderdelen vereisen een perfecte montage en afdichting.

In deze sectie delen we de casestudy over hoe u elk type ROV-component kunt aanpassen.

1. Onderwater voortstuwingssysteem

Het onderwatervoortstuwingssysteem van de ROV bestaat uit propellerschroeven. Deze propellers voorzien het voertuig van voortstuwing voor de bewegingscontrole. Ze bieden uitstekende manoeuvreerbaarheid en een hoog voortstuwingsrendement, waardoor directe aanpassing van de bladhoeken en rotatiesnelheden mogelijk is. Over het algemeen hebben de meeste ROV's meerdere stuwraketten, waardoor de ROV in meerdere richtingen kan bewegen. Onderdelen van een propeller zijn onder meer een aandrijfmotor, lagers, een deflector en bladen.

Naam

Materiaal

Proces（prototype)

Proces（productie)

Oppervlakafwerking

Aandrijfmotor (beschermkap)

ABS, PC, nylon

CNC-bewerking

Spuitgieten

Zoals machinaal bewerkt

Lager

SS316

CNC-bewerking

Spuitgieten

Zoals machinaal bewerkt

Luchtdeflector

ABS, PC, nylon

CNC-bewerking

Spuitgieten

Zoals machinaal bewerkt

Propeller

Aluminiumlegering

CNC-bewerking

Spuitgieten

Schuren/Anodiseren

De aandrijfmotor en deflector zijn beide gemaakt van ABS-, PC- en nylonmaterialen, die superieure slagvastheid en sterkte hebben. De lagers zijn gemaakt van SS316-materiaal. De roestvrijstalen lagers zijn bestand tegen roest, vertonen een hoge corrosieweerstand en kunnen zich aanpassen aan de diepzeeomgeving, waardoor een lange levensduur van de componenten wordt gegarandeerd.

De sleutel tot het vervaardigen van propellercomponenten is de propeller zelf. Het materiaal van de propeller kan een aluminiumlegering of POM zijn, met een hoge sterkte, hoge slijtvastheid en corrosieweerstand, geschikt voor gebruik onder water.

Het is noodzakelijk om ervoor te zorgen dat de vervaardigde propeller een hoge verwerkingsprecisie, een goede oppervlakteafwerking en een laag gewicht heeft om de efficiëntie en prestaties van de ROV te verbeteren. De oppervlaktenauwkeurigheid van de propeller is een sleutelfactor voor vectorcontrole van meerdere propellers, waarbij vaak een nauwkeurige vijfassige koppeling nodig is voor een perfecte oppervlaktebewerking.

Na verwerking wordt de nauwkeurigheid bepaald door het oppervlakteverschil te scannen met een 3D-scanner. De propellerbladen moeten na het bewerken handmatig worden gepolijst om een ​​oppervlakteruwheid van minder dan Ra0,8μm te bereiken. Een glad oppervlak kan de waterstromingsweerstand verminderen, schadelijke wrijving verminderen en de levensduur van de propeller verlengen.

2. Hoofdframe

Het hoofdframe van de ROV bestaat hoofdzakelijk uit een frame, een drukbestendige cabine en een batterijcompartiment, dat een rol speelt bij het beschermen van de interne kerncomponenten.

Naam

Materiaal

Proces（prototype)

Proces（productie)

Oppervlakafwerking

Kader

SS304

CNC-bewerking

Spuitgieten

Zoals machinaal bewerkt

Drukbestendige cabine

AL6061-T4

CNC-bewerking

Spuitgieten

Hard geanodiseerd

Batterijcompartimentomhulsel

Aluminiumlegering

CNC-bewerking

Spuitgieten

Hard geanodiseerd

De algehele raamwerkstructuur van de ROV is gelast met roestvrij staal. De frameachtige structuur heeft een grote interne ruimte, wat voldoende is om andere kerncomponenten te installeren. SS304 heeft een uitstekende corrosieweerstand en is bestand tegen corrosieve stoffen in zeewater. Het heeft ook een hoge sterkte en duurzaamheid, waardoor het bestand is tegen zware omstandigheden op zee, zoals hoge luchtvochtigheid, temperatuurveranderingen en mechanische schokken.

De drukkamer is gemaakt van AL6061-T4. De 6061-T4 precisie aluminium buis is gemaakt van hoogwaardig aluminium en biedt uitstekende slijtvastheid en corrosiebestendigheid. Vergeleken met andere metalen materialen kan de toepassing van AL6061-T4 het totale gewicht van de ROV verminderen, waardoor de voortstuwingssnelheid en algehele prestaties van de ROV worden verbeterd. Tijdens de productiefase kan de aanschaf van holle AL6061-T4-buizen voor verwerking materiaalkosten besparen.

Geavanceerde batterijgevoede technologie zorgt ervoor dat de ROV autonoom en draagbaar is zonder fysiek te worden bestuurd door kabels. Het batterijcompartiment van de ROV maakt gebruik van een sterke en waterdichte behuizing van aluminiumlegering om de interne lithiumbatterij te beschermen. Wanneer de ROV volledig is opgeladen, kan deze 8-10 uur normaal werken.

3. Onderwater hulpbeeldvormingssysteem

Het onderwater-hulpbeeldvormingssysteem van de ROV bestaat voornamelijk uit een onderwatercamera en een beeldsonar. Onderwatercamera's dienen zowel als navigatie- als observatie-/meetapparatuur, terwijl beeldsonar onderwaterterrein of complexe objecten kan detecteren met behulp van geluidsgolven, wat vooral handig is bij het vermijden van grote obstakels.

De high-definition camera van de onderwatercamera bevindt zich in de detectiecabine. De voorkant van de detectiecabine is uitgerust met een halfronde lens om te voldoen aan de lichttransmissie-eisen van de interne camera. De detectiecabine en de halfronde lens zijn beide CNC-bewerkt.

NaamMateriaalProces (prototype) Proces (productie) Oppervlakafwerking Detectiecabine Aluminiumlegering / POMCNC-bewerking Spuitgieten / spuitgieten Hard anodiseren Zoals machinaal bewerkt Hars 3D-printen (SLA) Grondstoffen Halfronde lens Doorschijnend PMMA CNC-bewerking Spuitgieten Pools transparant Doorschijnende hars 3D-printen (SLA) Pools transparant

Vóór de formele productie kunnen we 3D-printen en CNC-bewerkingsdiensten gebruiken voor het testen van prototypen van de detectiecabine en de halfronde lens. 3D-printen maakt de snelle productie van prototypes mogelijk om de basisstructuur en afmetingen te verifiëren. De bewerkingsprecisie van 3D-printen is echter niet hoog en het materiaal is relatief bros en niet bestand tegen druk. Het transparantie-effect van de halfronde lens vervaardigd door 3D-printen is ook inferieur aan dat van CNC-bewerking. Om een nauwkeurige montage en waterdichte afdichting te bereiken, is nog steeds CNC-bewerking vereist.

Door prototypen te maken met behulp van CNC-bewerkingen kan de detectiekamer worden gemaakt van een aluminiumlegering of POM. POM en geanodiseerde aluminiumlegering hebben een hoge sterkte, hoge slijtvastheid en corrosieweerstand en voldoen aan de hogedruk onderwateromgeving. Om een ​​verscheidenheid aan akoestische en optische sensoren te integreren, is de structuur van de detectiecabinemodule compact; tegelijkertijd moet een nauwkeurige montage en afdichting worden gegarandeerd.

Er zijn strenge eisen aan de oppervlaktetolerantie en oppervlakteafwerking van de montage. De tolerantie van het assemblageoppervlak moet ± 0,025 MM bereiken en de oppervlakteruwheid moet Ra0,8 μm bereiken. De halfronde lens maakt gebruik van PMMA-materiaal en het oppervlak moet handmatig worden gepolijst tussen Ra 0,02 μm en Ra 0,04 μm om te voldoen aan de vereisten voor drukweerstand en lichttransmissie voor interne camera's.

4. Besturingssysteem

ROV's van werkklasse kunnen worden uitgerust met manipulatorarmen voor bediening. Hydraulisch aangedreven manipulatorarmen worden veel gebruikt bij diepzeeoperaties en bieden robuuste draagvermogens en soepele bewegingen die de operationele efficiëntie verbeteren en de arbeidskosten verlagen. De hydraulische manipulatorarmen bestaan hoofdzakelijk uit een armlichaam, een giekframe, een aandrijfas en een handgreep.

Naam

Materiaal

Proces（prototype)

Proces（productie)

Oppervlakafwerking

Armlichaam

AL 7075

CNC-bewerking

Spuitgieten

Hard anodiseren

Boem

SS304

CNC-bewerking

Spuitgieten

Zoals machinaal bewerkt

Aandrijfas

SS304

CNC-bewerking

Spuitgieten

Zoals machinaal bewerkt

Handgreep

SS304

CNC-bewerking

Spuitgieten

Zoals machinaal bewerkt

Het armlichaam van de manipulator is gemaakt van AL7075-materiaal, bekend om zijn lichtgewicht karakter, snelle respons, hoge sterkte en verbeterde corrosieweerstand dankzij de hard geanodiseerde oppervlaktebehandeling. De armstructuur, aandrijfas en handgreep zijn allemaal gemaakt van SS304, dat corrosiebestendig, zeer sterk en gemakkelijk schoon te maken en te onderhouden is. Na de operatie kan de robotarm met water worden gereinigd.

Hydraulisch aangedreven manipulatoren worden gekenmerkt door hun kleine formaat, lichtgewicht, lage traagheid, compacte structuur en flexibele indeling. De belangrijkste punten bij het verwerken van de hydraulisch aangedreven manipulator zijn de bijpassende nauwkeurigheid van de gatas en de eisen aan de oppervlakteafwerking. De gattolerantie van de aandrijfas van de robotarm is H7, terwijl de oppervlakteruwheid van de onderdelen Ra0,8 μm moet bereiken. Zeer nauwkeurige bewerking en gladde oppervlakken kunnen de slijtage van de robotarm verminderen en de levensduur ervan verlengen.

ROV-bewerkingsuitdagingen

Het ontwerpen en vervaardigen van onderzeese apparatuur brengt verschillende uitdagingen met zich mee die de CNC-industrie moet aanpakken om optimale resultaten te bereiken.

1. Duurzaamheid behouden met precisie

Een van de grootste uitdagingen bij het ROV-ontwerp is het garanderen van de duurzaamheid van het frame en de componenten, gezien de frequente schokken en hoge drukomgevingen die ze ondergaan. CNC-machines blinken uit in het met uiterste precisie vervaardigen van framewanden en hoeken, een sleutelfactor bij het beschermen van de algehele structuur tegen zware maritieme omstandigheden.

Bovendien is het maken van op maat gemaakte gaten en secties en het behouden van de juiste dikte van cruciaal belang voor de duurzaamheid van ROV's. Precisie in deze processen zorgt ervoor dat ROV-componenten, inclusief het frame, bestand zijn tegen herhaalde schokken die typisch zijn voor onderwateronderzoek.

Dit komt omdat op maat gemaakte gaten en secties, vervaardigd volgens exacte specificaties, de spanning gelijkmatiger over de constructie verdelen, waardoor de kans op falen onder druk of impact wordt verkleind. Het handhaven van de vereiste dikte op belangrijke gebieden vergroot de structurele veerkracht van ROV's verder, waardoor ze robuust en betrouwbaar blijven tijdens operaties.

2. Goede elektrische isolatie en afdichting

Bij de productie van ROV's zijn afdichting en elektrische isolatie van cruciaal belang.

Technische thermoplastische materialen zoals polyoxymethyleen (POM) spelen een belangrijke rol bij de elektrische isolatie en afdichting van ROV's. POM bezit inherente lage waterabsorptie-eigenschappen en kan de integriteit behouden onder druk en in zoute omgevingen. Dit garandeert de levensduur van de elektrische systemen en voorkomt het binnendringen van water, wat cruciaal is voor de operationele betrouwbaarheid van onderwater-ROV's.

3. Voldoen aan aangepaste vereisten

Het aanpassen van ROV's om aan specifieke operationele vereisten te voldoen, brengt aanzienlijke uitdagingen met zich mee. Het ontwikkelingsproces begint doorgaans met 3D-modellering, gevolgd door rigoureuze tests, waaronder Finite Element Analysis (FEA) en structurele analyse. Deze aanpak identificeert potentiële zwakke punten en maakt aanpassingen vóór de productie mogelijk.

Voor het bewerken van complexe ROV-onderdelen is het gebruik van geïntegreerde 5-assige machines nodig. Deze machines vergemakkelijken de precisiebewerking van complexe onderdelen en zorgen ervoor dat elk onderdeel voldoet aan de exacte specificaties van het aangepaste ROV-ontwerp. Een dergelijke precisie is essentieel voor het succesvol integreren van alle functies in een ROV, waardoor de functionaliteit en betrouwbaarheid ervan bij diverse onderzeese taken wordt gegarandeerd.

Conclusie

Het ontwerpen en bewerken van ROV-onderdelen vereist precisie, duurzaamheid en maatwerk om de unieke uitdagingen van onderzeese omgevingen het hoofd te bieden. Het aanpakken van deze uitdagingen vereist een nauwgezette benadering van materiaalselectie, bewerkingstechnieken en ontwerptesten. Voor degenen die door deze complexiteiten bij het ontwerpen en bewerken van ROV-onderdelen willen navigeren, wordt overleg met experts in het veld ten zeerste aanbevolen om optimale prestaties en betrouwbaarheid van ROV-systemen te garanderen.