La fabricación aditiva mejora la flexibilidad y eficiencia en grandes estructuras marinas

La capacidad de construir rápidamente diferentes iteraciones de piezas, sin tener que desarrollar o comprar utillaje dedicado costoso, es por lo que la fabricación aditiva (AM) se usa a menudo en prototipado de piezas. Sin embargo, a medida que los materiales y las tecnologías de impresión siguen mejorando, más empresas pueden extender la velocidad y versatilidad de AM a piezas de uso final también, especialmente para aplicaciones de tiradas cortas o unitarias donde la capacidad de producir nuevos diseños rápidamente es una ventaja.

Recientemente, dos empresas han demostrado que las tecnologías de AM de compuestos pueden ser soluciones habilitadoras para personalizar grandes estructuras marinas como vehículos submarinos autónomos (AUV) y lanchas a motor.

Impresión 3D de gran formato para producción personalizable de AUV

Los vehículos submarinos autónomos son un tipo de vehículo robótico no tripulado capaz de viajar bajo el agua sin conexión física a un barco ni control remoto de un operador humano, y a menudo están equipados con cámaras o sensores para diversos casos de uso en defensa, investigación oceánica u aplicaciones de estudio offshore. Típicamente, los cascos exteriores de los AUV comprenden un gran recipiente a presión metálico, o se construyen con plástico termoformado o compuestos. Ambas opciones requieren el desarrollo y compra de utillaje dedicado, que puede ser caro y limita la personalización que se puede acomodar para los clientes de AUV. El fabricante de AUV Dive Technologies (Quincy, Massachusetts, EE. UU.) ha descubierto que la impresión 3D de compuestos resuelve muchas de las limitaciones de la fabricación tradicional.

En 2018, los cofundadores de Dive Technologies, Bill Lebo, Jerry Sgobbo y Sam Russo, decidieron formar su propia empresa para diseñar y lanzar un nuevo AUV más capaz que satisficiera las demandas de los clientes de larga autonomía y gran capacidad de carga.

Lo que ellos y su equipo desarrollaron es el DIVE-LD, un AUV comercial de 19 pies de largo y 4 pies de diámetro capaz de sumergirse a 6.000 metros y viajar hasta 500 millas, transportando una carga útil de hasta 1 metro cúbico. Originalmente, el equipo asumió que la estructura final para su vehículo usaría plásticos termoformados para el casco exterior. Para explorar y probar el diseño, Dive Technologies habló con el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, EE. UU.) sobre el uso de impresión 3D para prototipado rápido. A través de ORNL, el equipo de Dive fue presentado al especialista en fabricación aditiva de gran formato (LFAM) Additive Engineering Solutions (AES, Akron, Ohio, EE. UU.), y comenzó a trabajar con el equipo de AES en un proceso de fabricación para sus formas de casco de AUV.

A lo largo del trabajo en los prototipos impresos en 3D, Dive Technologies se dio cuenta del potencial de LFAM para producir rápidamente componentes terminados, no solo prototipos. No solo los componentes de prototipo impresos en 3D cumplían los requisitos de la pieza mejor de lo esperado, sino que adoptar AM para vehículos de producción también ahorraría costes de utillaje, permitiría a Dive producir productos finales más rápido que con métodos tradicionales y permitiría un nuevo nivel superior de personalización rápida para los clientes.

El casco exterior del DIVE-LD comprende nueve carenados tubulares impresos usando una de las cuatro impresoras 3D Big Area Additive Manufacturing (BAAM) de Cincinnati Inc. (Cincinnati, Ohio, EE. UU.) de AES. Estos carenados se imprimen con ABS relleno de fibra corta suministrado por Sabic (Riyadh, Arabia Saudita). Según el cofundador y VP de AES, Andrew Bader, AES puede imprimir todas las piezas para un casco completo en menos de dos días. Una vez entregados a Dive, los carenados impresos en 3D se fijan mecánicamente usando cuatro sujetadores por carenado y se recubren para producir una superficie exterior lisa e hidrodinámica. Tras pruebas iniciales exitosas en 2020, Dive está construyendo los primeros vehículos de cliente esta primavera y entregará el primer pedido en junio de 2021.

Según Russo, AM se ha convertido en una parte central de la propuesta de valor de Dive Technologies para futuros vehículos y productos. La asociación con Dive es un gran paso para AES e impresión 3D de compuestos también. Bader añade: “Normalmente, cuando la gente piensa en impresión 3D, piensa en prototipos, utillajes y herramientas, así que esto muestra en qué más es capaz la impresión 3D”.

Para leer más sobre Dive Technologies y AES, lea “La impresión 3D de gran formato permite producción sin utillaje y rápida para AUVs”.

AM con fibra continua y automatización para diseño versátil de lanchas a motor

Desde que patentó su proceso de fabricación de fibra continua (CFM) en 2015, Moi Composites (Milán, Italia) ha explorado una gama de aplicaciones para su tecnología de impresión 3D por deposición de fibra continua CFM. Las señas de identidad de CFM incluyen el software de diseño personalizado de Moi Composites, el uso de brazos robóticos, curado UV y fabricación “híbrida”, laminación de compuestos más tradicional sobre un núcleo estructural impreso en 3D. Recientemente, la empresa ha demostrado su tecnología CFM como solución para un diseño de estructuras marinas más rentable, rápido e innovador, a través de un barco demostrador llamado MAMBO.

Según Gabriele Natale, cofundador de Moi Composites, él y su cofundador Michele Tonizzo asistieron al Salón Náutico de Génova en 2017 y se dieron cuenta de que los costes de utillaje y los procesos tradicionales de infusión de fibra de vidrio usados para muchos cascos de barcos limitan la capacidad de los diseñadores para explorar diseños nuevos y más complejos. Reconociendo que su tecnología de impresión 3D con fibra continua sin molde podría ser una solución habilitadora, Natale dice: “Desde allí, empezamos a desarrollar un plan y comenzamos a reunirnos con socios de la industria naval”.

El barco MAMBO resultante mide 6,5 metros de largo x 2,5 metros de ancho, con un peso en seco de aproximadamente 800 kilogramos, equipado con sistema de navegación, suelo de corcho, asientos de cuero blanco y motor de 115 caballos. Moi Composites trabajó con el estudio de ingeniería de diseño naval MICAD (Lecce, Italia) en el concepto de diseño estructural del barco, que combina formas orgánicas en sus elementos estructurales inspirados en el famoso catamarán Arcidiavolo de Sonny Levi. Se usaron el software CAD Fusion 360 de Autodesk (San Rafael, California, EE. UU.) y NETFABB de fabricación aditiva en el diseño y análisis de dinámica de fluidos de los componentes.

El casco y la cubierta del barco, impresos con fibra de vidrio unidireccional suministrada por Owens Corning (Toledo, Ohio, EE. UU.) y resina viniléster, fueron diseñados para fabricarse en 50 secciones individuales de tamaños variables. La mitad de las secciones se imprimieron en la instalación de Moi Composites en Milán, y la otra mitad en la Instalación Avanzada de Fabricación (ACF) de Birmingham, Reino Unido, del socio Autodesk. Se usó la tecnología de impresión 3D CFM de Moi Composites y robots duales Kuka (Augsburgo, Alemania) en ambas instalaciones. Según Dominique Müller, gestor de investigación en el equipo de fabricación aditiva de Autodesk, el sistema CFM en el centro tecnológico de Autodesk permitió imprimir el barco rápidamente y también permitió a Autodesk conocer mejor la tecnología que Moi estaba impulsando remotamente usando software de Autodesk. El tiempo total de impresión para todos los componentes fue de aproximadamente dos meses.

Las piezas impresas se enviaron al astillero Catmarine en Miggiano, Italia, donde se unieron y unieron adhesivamente. En un proceso de fabricación híbrido similar al que Moi ha usado con prótesis y otras piezas, todo el casco se laminó luego mediante estratificación manual con una capa adicional de fibra de vidrio/poliéster con núcleo de espuma PVC, que, dice Natale, varía de espesor a lo largo de la estructura. Tras el ensamblaje completo del casco y la cubierta, lijado y gel-coat, los socios de Moi Composites equiparon el barco con propulsión, navegación y otros sistemas para completar la embarcación.

Las pruebas iniciales de mar y estabilidad se realizaron en otoño de 2020, con MAMBO alcanzando hasta 26 nudos; Moi Composites planea continuar las pruebas de mar en verano de 2021 trabajando hacia la certificación del barco.

“La fabricación aditiva, la digitalización y la automatización pueden acelerar la creación de nuevos conceptos y proyectos futuristas, porque para cada barco que quieras diseñar, necesitas crear un nuevo molde. Usando esta tecnología, puedes modificar fácilmente tu modelo 3D e imprimirlo de nuevo. Esto es perfecto especialmente para barcos de tirada corta o unitarios”, dice Natale.

Para más sobre MAMBO, lea “MAMBO prueba las aguas para la impresión 3D de grandes estructuras marinas”.