Optimización del diseño de herramientas ROV submarinas:personalización, materiales y resistencia a la corrosión

El complejo proceso de diseño y personalización de vehículos operados remotamente (ROV) aprovecha la precisión y flexibilidad de la industria CNC. El mecanizado de piezas de ROV exige una consideración de los detalles, especialmente la resistencia a la corrosión en carcasas de aluminio submarinas y la selección estratégica de materiales como los plásticos de ingeniería, conocidos por sus propiedades mecánicas y térmicas mejoradas.

Sin embargo, estas complejidades de diseño y fabricación a menudo presentan desafíos de mecanizado. En este artículo, profundizamos en los aspectos técnicos del despliegue exitoso de vehículos operados remotamente en entornos submarinos. ¡Exploremos!

El diseño de vehículos operados remotamente y herramientas submarinas exige una cuidadosa consideración de varios factores, incluida la protección contra la corrosión, la selección de materiales y el acabado de la superficie.

1. Protección contra la corrosión en la producción de carcasas de aluminio submarinas

Las carcasas submarinas de ROV se encuentran entre los componentes más importantes de un ROV y protegen los mecanismos internos y electrónicos críticos. La protección contra la corrosión es especialmente esencial en la fabricación de carcasas submarinas, donde predominan materiales como el aluminio.

Para garantizar la longevidad y funcionalidad de los componentes, incluidos marcos, herramientas y accesorios, generalmente se emplea un enfoque doble para la protección contra la corrosión:protección de recubrimiento y protección catódica, con un enfoque específico en la protección catódica de aluminio para piezas de ROV subacuáticas.

Protección del revestimiento contra la corrosión

La susceptibilidad de las piezas submarinas de los ROV a la corrosión en entornos marinos requiere una estrategia de defensa sólida. La protección del recubrimiento, guiada por estándares como NORSOK M-501, System 7, proporciona una barrera inicial. Este método se utiliza ampliamente en estructuras submarinas como carcasas, piezas y colectores de ROV. Estos recubrimientos se aplican meticulosamente para proteger contra elementos marinos corrosivos.

Protección catódica

El recubrimiento por sí solo no es suficiente para una protección completa de las carcasas submarinas. Esta insuficiencia pone en juego el papel crítico de la protección catódica, particularmente la protección catódica del aluminio. El aluminio es un ánodo de sacrificio eficaz con un potencial de alrededor de -1,05. Cuando se implementan en una configuración de protección catódica galvánica, los ánodos de aluminio protegen materiales de mayor potencial, un principio crucial en la personalización de los componentes del ROV.

¿Cómo funciona la protección catódica?

La mecánica de la protección catódica del aluminio en ambientes submarinos implica transformar los sitios de ánodos activos sobre superficies metálicas en sitios pasivos o catódicos. Esto se logra suministrando electrones libres desde una fuente más activa:los ánodos de sacrificio, normalmente hechos de metales muy activos en comparación con el acero. En este sistema de sacrificio, los ánodos de aluminio se corroen en lugar de la estructura protegida, lo que extiende significativamente la vida útil de la carcasa y las piezas del ROV.

Comprender los procesos electroquímicos que sustentan esta protección es esencial para el diseño de prototipos de ROV y el desarrollo de un ROV personalizado. La interacción entre los dos metales diferentes, en presencia de un electrolito (agua salada), inicia un flujo de corriente desde los sitios más activos (anódicos) a los menos activos (catódicos). El uso de ánodos de aluminio en este par galvánico es una elección estratégica, dado su alto nivel de actividad en relación con el acero.

Este enfoque garantiza la integridad estructural y la eficacia operativa del ROV, lo que le permite realizar tareas complejas en entornos submarinos desafiantes.

2. Mejora del rendimiento de las herramientas submarinas ROV con plásticos de ingeniería

En el campo del diseño de vehículos operados remotamente (ROV), la utilización de plásticos de ingeniería, particularmente polioximetileno (POM), es fundamental para mejorar el rendimiento de las herramientas ROV submarinas. Estos materiales, reconocidos por su peso ligero, resistencia a la corrosión y durabilidad, se han vuelto indispensables en la construcción de marcos de ROV, boquillas de propulsión, cúpulas de lentes de cámaras y diversas piezas estructurales.

El POM, conocido por su robustez y larga vida útil, es especialmente ventajoso en aplicaciones marinas. Sus propiedades de baja fricción eliminan la necesidad de lubricación externa, lo que reduce los requisitos de mantenimiento de los equipos ROV. Su compatibilidad con diversas herramientas submarinas y su resistencia a factores ambientales estresantes lo convierten en la opción preferida para el diseño de ROV. Las características inherentes del POM, incluida la dureza, la resistencia al impacto y la capacidad de tolerar vibraciones y abrasión, se alinean perfectamente con las demandas de las operaciones submarinas de ROV.

Los plásticos de ingeniería como POM, PC, ABS y PP también ofrecen flexibilidad de diseño. Permiten la creación de piezas de ROV con variados colores y texturas de superficie, proporcionando beneficios tanto estéticos como funcionales. Además, las propiedades de aislamiento eléctrico del plástico protegen los componentes electrónicos sensibles dentro del ROV, garantizando una funcionalidad ininterrumpida durante las misiones submarinas.

En la sostenibilidad del medio marino, los termoplásticos de ingeniería presentan una ventaja significativa. Muchos de estos materiales son reciclables, lo que coincide con el creciente enfoque en la gestión ambiental en el diseño y despliegue de equipos submarinos. La adopción de materiales reciclables en la fabricación de ROV reduce el impacto ambiental y respalda los objetivos de sostenibilidad de la industria.

3. Elegir el acabado superficial adecuado para las piezas del ROV

Las herramientas submarinas deben funcionar en condiciones extremas y el acabado de la superficie garantiza significativamente la eficiencia operativa. Se emplean varios acabados de superficies críticos, cada uno de ellos adaptado a las demandas únicas del entorno submarino.

• Anodizado: Este proceso electroquímico, que a menudo se aplica a componentes de aluminio, aumenta la resistencia a la corrosión y la portabilidad. Es ideal para marcos de ROV, herramientas de ROV y piezas de carcasas submarinas, ya que proporciona una superficie duradera y no conductora.
• Recubrimiento en polvo: Al ofrecer una resistencia superior a la corrosión, el recubrimiento en polvo se utiliza por su robustez frente al duro entorno marino. Es adecuado para componentes ROV más grandes, lo que garantiza longevidad y atractivo estético.
• Niquelado no electrolítico: Este acabado proporciona un espesor de recubrimiento uniforme, excelente resistencia a la corrosión y mayor dureza. Es particularmente beneficioso para herramientas y piezas mecánicas complejas de ROV que requieren dimensiones precisas y alta durabilidad.
• Recubrimientos cerámicos: Conocidos por su excepcional dureza y propiedades de barrera térmica, los recubrimientos cerámicos se utilizan en piezas sujetas a altas temperaturas y condiciones abrasivas, como las boquillas de propulsor.
• Recubrimiento de conversión de cromato: Aplicado principalmente a piezas de aluminio, este recubrimiento proporciona buena resistencia a la corrosión, conductividad eléctrica y una buena base para aplicaciones posteriores de pintura.

La industria CNC, con sus capacidades de mecanizado de precisión, es fundamental para aplicar estos acabados con precisión. La combinación correcta de estos acabados superficiales contribuye significativamente a la eficiencia, confiabilidad y longevidad de los ROV submarinos.

¿Cómo personalizar los componentes del equipo ROV con mecanizado CNC?

El ROV consta de un sistema de propulsión subacuática, un sistema de cámara subacuática, un sistema operativo y un marco principal. La profundidad de inmersión del ROV requiere que los materiales tengan suficiente resistencia y resistencia a la corrosión, la mayor resistencia requiere que las piezas sean livianas y compactas, y las piezas procesadas requieren un ensamblaje y sellado perfectos.

En esta sección, compartiremos el estudio de caso sobre cómo personalizar cada tipo de componente ROV.

1. Sistema de propulsión submarina

El sistema de propulsión submarina del ROV consta de propulsores de hélice. Estas hélices proporcionan propulsión al vehículo para su control de movimiento. Ofrecen una excelente maniobrabilidad y una alta eficiencia de propulsión, lo que permite el ajuste directo de los ángulos de las palas y las velocidades de rotación. Generalmente, la mayoría de los ROV tienen múltiples propulsores, lo que permite que el ROV se mueva en múltiples direcciones. Los componentes de una hélice incluyen un motor de accionamiento, cojinetes, un deflector y palas.

Nombre

Material

Proceso（prototipo)

Proceso（producción)

Acabado superficial

Motor de accionamiento (carcasa protectora)

ABS, PC, nailon

Mecanizado CNC

Moldeo por inyección

Como mecanizado

Rodamiento

SS316

Mecanizado CNC

Fundición a presión

Como mecanizado

Deflector de aire

ABS, PC, nailon

Mecanizado CNC

Moldeo por inyección

Como mecanizado

Hélice

Aleación de aluminio

Mecanizado CNC

Fundición a presión

Lijado/Anodizado

El motor de accionamiento y el deflector están hechos de materiales ABS, PC y nailon, que tienen una resistencia y solidez superiores al impacto. Los rodamientos están hechos de material SS316. Los rodamientos de acero inoxidable son resistentes a la oxidación, presentan una alta resistencia a la corrosión y pueden adaptarse al entorno de las profundidades marinas, lo que garantiza una larga vida útil de los componentes.

La clave para fabricar componentes de hélices es la propia hélice. El material de la hélice puede ser aleación de aluminio o POM, que posee alta resistencia, alta resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión, adecuado para uso bajo el agua.

Es necesario garantizar que la hélice fabricada posea una alta precisión de procesamiento, un buen acabado superficial y sea liviana para mejorar la eficiencia y el rendimiento del ROV. La precisión de la superficie de la hélice es un factor clave para el control vectorial de múltiples hélices, lo que a menudo requiere un varillaje preciso de cinco ejes para un mecanizado perfecto de la superficie.

Después del procesamiento, la precisión se determina escaneando la diferencia de superficie con un escáner 3D. Las palas de la hélice, tras el mecanizado, necesitan un pulido manual para conseguir una rugosidad superficial inferior a Ra0,8μm. Una superficie lisa puede reducir la resistencia al flujo de agua, disminuir la fricción dañina y aumentar la vida útil de la hélice.

2. Marco principal

El bastidor principal del ROV se compone principalmente de un bastidor, una cabina resistente a la presión y un compartimento de batería, que desempeña un papel en la protección de los componentes centrales internos.

Nombre

Material

Proceso（prototipo)

Proceso（producción)

Acabado superficial

Marco

SS304

Mecanizado CNC

Fundición a presión

Como mecanizado

Cabina resistente a la presión

AL6061-T4

Mecanizado CNC

Fundición a presión

Anodizado duro

Carcasa del compartimento de la batería

Aleación de aluminio

Mecanizado CNC

Fundición a presión

Anodizado duro

La estructura general del ROV está soldada con acero inoxidable. La estructura tipo marco tiene un gran espacio interno, suficiente para instalar otros componentes centrales. SS304 tiene una excelente resistencia a la corrosión y resiste agentes corrosivos en el agua de mar. También tiene alta resistencia y durabilidad, lo que le permite soportar duras condiciones ambientales marinas, como alta humedad, cambios de temperatura y golpes mecánicos.

La cámara de presión está hecha de AL6061-T4. El tubo de aluminio de precisión 6061-T4 está fabricado de aluminio de alta calidad y ofrece una excelente resistencia al desgaste y a la corrosión. En comparación con otros materiales metálicos, la aplicación de AL6061-T4 puede reducir el peso total del ROV, mejorando la velocidad de propulsión y el rendimiento general del ROV. Durante la etapa de producción, comprar tubos huecos AL6061-T4 para su procesamiento puede ahorrar costos de material.

La tecnología avanzada alimentada por baterías permite que el ROV sea autónomo y portátil sin estar controlado físicamente por correas. El compartimiento de la batería del ROV utiliza una carcasa de aleación de aluminio resistente e impermeable para proteger la batería de litio interna. Cuando está completamente cargado, el ROV puede funcionar normalmente durante 8 a 10 horas.

3. Sistema de imágenes auxiliar subacuático

El sistema de imágenes auxiliar subacuático del ROV consta principalmente de una cámara submarina y un sonar de imágenes. Las cámaras submarinas sirven como dispositivos de navegación y observación/medición, mientras que el sonar de imágenes puede detectar terreno submarino u objetos complejos mediante ondas sonoras, lo que resulta especialmente útil para evitar obstáculos grandes.

La cámara de alta definición de la cámara subacuática se encuentra en la cabina de detección. La parte frontal de la cabina de detección está equipada con una lente semicircular para cumplir con los requisitos de transmisión de luz de la cámara interna. La cabina de detección y la lente semicircular se procesan mediante CNC.

NombreMaterialProceso (prototipo) Proceso (producción) Acabado superficial Cabina de detección Aleación de aluminio/ POMC Mecanizado NC Fundición a presión/ Moldeo por inyección Anodizado duro Como mecanizado Resina Impresión 3D (SLA) Materias primas Lente semicircular Translúcido PMMA Mecanizado NC Moldeo por inyección Polaco transparenteResina translúcida Impresión 3D (SLA) Polaco transparente

Antes de la producción formal, podemos utilizar servicios de impresión 3D y mecanizado CNC para probar prototipos de la cabina de detección y la lente semicircular. La impresión 3D permite la producción rápida de prototipos para verificar la estructura y las dimensiones básicas. Sin embargo, la precisión del mecanizado de la impresión 3D no es alta y el material es relativamente frágil y no resistente a la presión. El efecto de transparencia de la lente semicircular fabricada mediante impresión 3D también es inferior al del mecanizado CNC. Para lograr un montaje preciso y un sellado impermeable, todavía se requiere mecanizado CNC.

La creación de prototipos mediante mecanizado CNC permite que la cámara de detección esté hecha de aleación de aluminio o POM. El POM y la aleación de aluminio anodizado tienen alta resistencia, alta resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión, lo que satisface el entorno submarino de alta presión. Para integrar una variedad de sensores acústicos y ópticos, la estructura del módulo de cabina de detección es compacta; al mismo tiempo, se debe garantizar un montaje y sellado precisos.

Existen requisitos estrictos para la tolerancia de la superficie de montaje y el acabado de la superficie. La tolerancia de la superficie del ensamblaje debe alcanzar ±0,025 mm y la rugosidad de la superficie debe alcanzar Ra0,8 μm. La lente semicircular emplea material PMMA y la superficie debe pulirse manualmente entre Ra 0,02 μm y Ra 0,04 μm para cumplir con los requisitos de resistencia a la presión y transmisión de luz para cámaras internas.

4. Sistema operativo

Los ROV de clase laboral pueden equiparse con brazos manipuladores para su funcionamiento. Los brazos manipuladores accionados hidráulicamente se utilizan ampliamente en operaciones en aguas profundas y ofrecen capacidades de carga sólidas y movimientos suaves que mejoran la eficiencia operativa y reducen los costos laborales. Los brazos manipuladores hidráulicos se componen principalmente de un cuerpo de brazo, un marco de pluma, un eje de transmisión y una empuñadura.

Nombre

Material

Proceso（prototipo)

Proceso（producción)

Acabado superficial

Cuerpo del brazo

AL 7075

Mecanizado CNC

Fundición a presión

Anodizado duro

Auge

SS304

Mecanizado CNC

Fundición a presión

Como mecanizado

Eje de transmisión

SS304

Mecanizado CNC

Fundición a presión

Como mecanizado

Agarre de mano

SS304

Mecanizado CNC

Fundición a presión

Como mecanizado

El cuerpo del brazo del manipulador está hecho de material AL7075, conocido por su naturaleza liviana, respuesta rápida, alta resistencia y resistencia mejorada a la corrosión debido a su tratamiento superficial anodizado duro. La estructura del brazo, el eje impulsor y la empuñadura están hechos de SS304, que es resistente a la corrosión, de alta resistencia y fácil de limpiar y mantener. Después de las operaciones, el brazo robótico se puede limpiar con agua.

Los manipuladores accionados hidráulicamente se caracterizan por su tamaño pequeño, peso ligero, baja inercia, estructura compacta y diseño flexible. Los puntos clave del procesamiento del manipulador hidráulico son la precisión del eje del orificio y los requisitos de acabado de la superficie. La tolerancia del orificio del eje impulsor del brazo del robot es H7, mientras que la rugosidad de la superficie de las piezas debe alcanzar Ra0,8μm. El mecanizado de alta precisión y las superficies lisas pueden reducir el desgaste del brazo robótico y prolongar su vida útil.

Desafíos del mecanizado ROV

El diseño y la fabricación de equipos submarinos presenta varios desafíos que la industria CNC debe abordar para lograr resultados óptimos.

1. Mantener la durabilidad con precisión

Un desafío primordial en el diseño de ROV es garantizar la durabilidad del marco y los componentes, considerando los impactos frecuentes y los entornos de alta presión que soportan. Las máquinas CNC destacan en la elaboración de paredes y esquinas de marcos con la máxima precisión, un factor clave para preservar la estructura general frente a los duros entornos marinos.

Además, la creación de orificios y secciones personalizados y el mantenimiento del espesor adecuado es vital para la durabilidad del ROV. La precisión en estos procesos garantiza que los componentes del ROV, incluido el marco, puedan resistir impactos repetidos típicos durante la exploración submarina.

Esto se debe a que los orificios y secciones personalizados, mecanizados según especificaciones exactas, distribuyen la tensión de manera más uniforme en toda la estructura, lo que reduce la probabilidad de falla bajo presión o impacto. Mantener el espesor requerido en áreas clave mejora aún más la resiliencia estructural de los ROV, asegurando que sigan siendo robustos y confiables durante las operaciones.

2. Aislamiento y sellado eléctricos adecuados

En la fabricación de ROV, el sellado y el aislamiento eléctrico son fundamentales.

Los termoplásticos de ingeniería como el polioximetileno (POM) desempeñan un papel importante en el aislamiento eléctrico y el sellado de los ROV. POM posee propiedades inherentes de baja absorción de agua y puede mantener la integridad bajo presión y en ambientes salinos. Esto garantiza la longevidad de los sistemas eléctricos y evita la entrada de agua, lo cual es crucial para la confiabilidad operativa de los ROV submarinos.

3. Cumplir con los requisitos personalizados

Personalizar los ROV para cumplir requisitos operativos específicos plantea desafíos importantes. El proceso de desarrollo generalmente comienza con el modelado 3D, seguido de pruebas rigurosas, incluido el análisis de elementos finitos (FEA) y el análisis estructural. Este enfoque identifica posibles debilidades y permite realizar ajustes antes de la producción.

El mecanizado de piezas complejas de ROV requiere el uso de máquinas integradoras de 5 ejes. Estas máquinas facilitan el mecanizado de precisión de piezas complejas, asegurando que cada componente cumpla con las especificaciones exactas del diseño personalizado del ROV. Esta precisión es vital para integrar con éxito todas las funciones de un ROV, garantizando su funcionalidad y confiabilidad en diversas tareas submarinas.

Conclusión

El diseño y mecanizado de piezas de ROV exige precisión, durabilidad y personalización para afrontar los desafíos únicos de los entornos submarinos. Abordar estos desafíos requiere un enfoque meticuloso en la selección de materiales, técnicas de mecanizado y pruebas de diseño. Para aquellos que buscan navegar estas complejidades en el diseño y mecanizado de piezas de ROV, se recomienda encarecidamente consultar con expertos en el campo para garantizar el rendimiento óptimo y la confiabilidad de los sistemas de ROV.