用於深海維修的 3D 列印水下機器人

對於在水上或水下作業的海運業，例如漁業、水產養殖或離岸風電場，一切都變得十分複雜。不斷變化且常常惡劣的環境使供應鏈問題、維修、維護和日常營運變得更具挑戰性。

由於 3D 列印使複雜的客製化防水零件的製造成為可能，因此其應用幾乎是無窮無盡的。防水 3D 列印物件被用作最終用途發動機物件、研究工具、螺旋槳葉片、深海潛水設備部件等。新想法無所不在，但成功的產品仍需要正確的設計流程、廣泛的測試和強大的工具，才能使其在地下惡劣的環境中可行。

Southern Ocean Subsea (SoSub)是一家水下機器人設計商和製造商，多年來致力於開發用於水下作業的機器人工具。SoSub與 Formlabs 合作夥伴 ThingLab 合作，利用一台 Form 3 和四台 Form 3L 列印機創建複雜的機器人系統。

SoSub 創辦人 Kelsey Treloar 和工程師 Miles Lewis 降低了開發遠端操作水下航行器 (ROV) 等客製化解決方案的成本和交貨時間。如果沒有 3D 列印，製造像他們這樣複雜、防水的機器人系統幾乎是不可能的，這使他們能夠繞過傳統製造的新創公司成功的障礙。

「3D 列印消除了製造這瓶頸。瓶頸變成了我們自己的想像力——我們必須想出一個有趣的解決方案來解決一個棘手的問題，所以問題不是『這可能嗎』，而是『我們能想出它嗎』。這對現代工程師來說是一種榮幸。」Lewis說道。

維護並確定市場契合度

▲SoSub 的 ROV 最初被概念化為解決 Treloar 無數次遇到的問題 - 修復商業漁網的過程非常繁瑣並且可能很危險。必須有一個機器人解決方案。

Treloar 並沒有打算開發 ROV 並設計新的水下技術。最初，SoSub 最初是一家漁業設備和水下機械維護和修理公司。Treloar注意到，他們一次又一次地被要求修理工業漁網和設備，進行勞動密集型操作，需要潛水隊在水下手動將漁網重新縫合在一起。像這樣的手動重複性工作多年來一直由機器人技術在陸地上解決，但海洋環境增加了額外的複雜性和成本。現有的解決方案可能花費數十萬美元，並且通常保留給資金充足的研究探險。

Treloar 開始進行實驗 - 他自學如何使用 CAD，並開始尋找不同的方法來製造他正在設計的防水零件。「我們開始尋找非資源密集的製造方法，對於像我們這樣的公司來說是經濟的方法。首先使用 FDM 3D 列印機，然後探索其他方法，」Treloar 說。

▲修理漁網可能很危險 - 機器人系統降低了人類潛水員的危險，而 3D 列印使這些機器人系統對於SoSub來說具有成本效益。

正確的技術

▲FDM 3D 列印外殼（如左側的外殼）不防水，因為 FDM 3D 列印零件的細絲層之間存在微小間隙。

FDM 技術立即帶來了挑戰。 FDM 列印機無法製造防水零件——層與層之間沒有化學鏈結合的微小間隙會導致水滲入，尤其是當壓力隨著表面以下深度的增加而變高時。

幸運的是，一位同事有使用 SLA 3D 列印機的經驗。「他堅信樹脂技術已經足夠好了，所以我們就採用了它，結果成功了。到目前為止，我所見過的其他任何東西都無法做到這一點，而且我們也無法以任何其他方式開發這些零件，」Treloar 說。

自從開始使用樹脂 3D 列印機以來，SoSub 已將其 3D 列印設備擴展到四台大幅面 Form 3L SLA 列印機和一台 Form 3 桌面設備。「列印機為我們開始這項工作奠定了基礎，」劉易斯說。

次表面零件：迎接挑戰

水下機器人需要能夠處理重複負載、保持嚴格公差並實現精確尺寸精度的零件，以便它們可以創建用O 形圈緊密密封的組件，而不會因凸塊、脊線、線條或印刷偽影而產生任何間隙。符合此規格清單的零件傳統上是用金屬加工或射出成型的，但外包給供應商的成本很高，而且可能需要數週或數月的時間。

3D 列印為 Lewis 和 Treloar 提供了一種設計、原型製作和測試可以模仿注塑塑膠甚至機械加工塑膠的零件的方法。

「如果你看看 ROV 產業，你會發現它們是機械加工或射出成型的，交貨時間長，而且價格過高。由於這是一個利基市場，組件的價格可能高達數千美元。 SoSub 的競爭優勢之一是，我們可以透過 3D 列印非常快速地完成工作，而且成本也非常低廉。」－Kelsey Treloar，SoSub 創辦人兼CEO

Formlabs 材料不僅可以處理這些最終用途物件所需的光滑表面，還可以承受水下操作的壓力。 SoSub 對採用高強度 10K 樹脂、高韌性 2000 樹脂和灰色樹脂列印的外殼進行了評級，防水深度可達數百公尺。 Lewis說：「我們花了 100 美元買了一台小型現成伺服器，並用 3D 列印了一個外殼。它的表現明顯超出了我們的預期，下降了 600 公尺。您可以在半天內製作出額定工作深度為 600 公尺的海底伺服器執行器。」另一高強度 10K 樹脂外殼在地表以下 1000 公尺以上也取得了成功。

Formlabs 工作流程的一大優勢是 Autodesk Fusion 360 軟體中針對 Formlabs 樹脂的機械性質估計。「利用 Formlabs 工程材料，他們發布了 FEI 分析數據以進行模擬。我們無法用其他材料做到這一點。如果客戶想要對他們的部分進行強度估計，我們可以這樣做，並說，“它應該能夠處理這個問題。”然後我們可以進行測試來確認這一點，」劉易斯說。

增加複雜性以簡化事情

▲SoSub 的 3D Form 3L 3D 列印機使他們能夠設計、測試和生產防水且尺寸準確的最終用途零件。

除了成本和交貨時間之外，SoSub 還正在製造由於複雜性而無法以傳統方式製造的零件，這影響了他們製造新零件的方法。為了減少組件中單獨組件的數量，以便於處理和操作，SoSub 的設計考慮了積層製造。「傳統上透過機械加工製造的東西是完全不可能的，而且極其昂貴。所以你實際上必須轉變你的思維，在一個零件中製造盡可能複雜的零件才能列印整個東西。您可以消除八個製造流程，從而使組裝和設計過程更快、更輕鬆。

Squid Lock：從設計到最終使用的 3D 列印


▲高韌性 2000 樹脂具有良好的強度和出色的尺寸精度 - 因此非常適合 Squid Lock 主體上的防水外殼。	▲組裝好的 Squid lock有一個用高韌性 2000 樹脂列印的 Form 3L 外殼，帶有 3D 列印的金屬齒狀邊緣，可鎖定在網中。

3D 列印使 SoSub 能夠找到複雜問題的創意解決方案。 SoSub 團隊被派往墨爾本郊外的近海養魚場，為一項非常具體的工作開發 ROV。大型漁網需要從船上拉下來並鋪在水中，這項工作通常由潛水員完成，既費力又重複。困難在於設計一個執行器，當網子漂浮在水中時，它可以像人手一樣靈巧地動作，並充分抓住它。而 SoSub 的「Squid Lock」機器人部件，可以游到網前，抓住並鎖定漂浮的織物，然後將其拉開，施加約 400 公斤的力，而不會撕裂或脫落。

「我們花了一個半月的時間從一個非常粗略的概念到最終產品的製作，其中齒狀邊緣採用灰色樹脂，外殼採用高韌性 2000 樹脂 3D 列印測試原型。 3D 列印讓我們充滿信心，我們實際上可以在緊張的交貨時間內完成一些工作。它讓我們能夠承擔更多的設計風險。」Trealor說。

SoSub 在兩個月內向農場交付了八個功能齊全的 Squid lock。最終設計具有金屬 3D 列印的齒狀邊緣，但仍具有高韌性 2000 樹脂脂外殼。「灰色樹脂的細節表現非常出色，而高韌性 2000 樹脂是一種非常堅固的材料，適合當我們想要像灰色這樣的細節但更堅固的東西時，」Lewis 說。

未來的數位化計劃

SoSub 剛開始滿足海事產業對可客製化機械的巨大需求。未來，他們的目光將超越端到端解決方案。「最終我們希望每年生產數百台，並且我們仍將使用 3D 列印。我們可以讓客戶自己購買列印機，然後將檔案賣給他們，這樣一切都可以在現場製作，」Treloar 說。目前，SoSub 的全列印解決方案客戶群仍在成長，但 Treloar 和 Lewis 相信 3D 列印可以適應新的、更複雜的專案。「我們將它用於各種不同的事情。不僅僅是我們購買它們的最初目的，而且它開始讓你敞開心扉，嘗試新的事物，」Treloar 說。

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