Additive Fertigung erhöht Flexibilität und Effizienz bei großen Marine-Strukturen

Die Fähigkeit, schnell verschiedene Iterationen von Teilen zu bauen – ohne kostspielige dedizierte Werkzeuge entwickeln oder kaufen zu müssen – ist der Grund, warum additive Fertigung (AM) so oft im Prototyping eingesetzt wird. Da sich Materialien und Drucktechnologien jedoch weiter verbessern, können mehr Unternehmen die Geschwindigkeit und Vielseitigkeit von AM auch für Endverbrauchsteile nutzen, insbesondere für Kleinserien- oder Einzelanwendungen, bei denen die Fähigkeit, neue Designs schnell zu produzieren, ein Vorteil ist.

Kürzlich haben zwei Unternehmen demonstriert, dass composite AM-Technologien ermöglichende Lösungen für die Anpassung großer mariner Strukturen wie autonomer Unterwasserfahrzeuge (AUV) und Motorboote sein können.

Großformatiger 3D-Druck für anpassbare AUV-Produktion

Autonome Unterwasserfahrzeuge sind eine Art unbemannter Roboterfahrzeuge, die ohne physische Verbindung zu einem Boot oder Fernsteuerung durch einen menschlichen Operator unter Wasser navigieren können und oft mit Kameras oder Sensoren für verschiedene Anwendungen in Verteidigung, Ozeanforschung oder Offshore-Vermessung ausgestattet sind. Typischerweise bestehen die Außenrümpfe von AUVs entweder aus einem großen Metall-Druckbehälter oder sie werden aus thermogeformtem Kunststoff oder Verbundwerkstoffen gebaut. Beide Optionen erfordern jedoch die Entwicklung und Anschaffung dedizierter Werkzeuge, was teuer sein kann und die Anpassungsmöglichkeiten für AUV-Kunden begrenzt. AUV-Hersteller Dive Technologies (Quincy, Massachusetts, USA) hat entdeckt, dass Composite-3D-Druck viele Einschränkungen der traditionellen Fertigung löst.

2018 beschlossen die Dive Technologies-Mitgründer Bill Lebo, Jerry Sgobbo und Sam Russo, ihr eigenes Unternehmen zu gründen, um ein neues, leistungsfähigeres AUV zu entwerfen und auf den Markt zu bringen, das Kundenanforderungen an lange Ausdauer und große Nutzlastkapazität erfüllt.

Was sie und ihr Team entwickelten, ist das DIVE-LD, ein 19 Fuß (ca. 5,8 m) langes, 4 Fuß (ca. 1,2 m) im Durchmesser messendes kommerzielles AUV, das bis 6.000 Meter tauchen und bis zu 500 Meilen (ca. 800 km) zurücklegen kann, bei einer Nutzlast von bis zu 1 Kubikmeter. Ursprünglich ging das Team davon aus, dass die finale Struktur für sein Fahrzeug thermogeformte Kunststoffe für den Außenrumpf verwenden würde. Um das Design zu erforschen und zu testen, sprach Dive Technologies mit dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, USA) über den Einsatz von 3D-Druck für Rapid Prototyping. Über ORNL wurde das Dive-Team mit dem Large-Format Additive Manufacturing (LFAM)-Spezialisten Additive Engineering Solutions (AES, Akron, Ohio, USA) bekannt und begann mit dem AES-Team an einem Fertigungsprozess für seine AUV-Rumpfformen zu arbeiten.

Im Laufe der Arbeit an den 3D-gedruckten Prototypen erkannte Dive Technologies jedoch das Potenzial von LFAM, fertige Komponenten schnell zu produzieren, nicht nur Prototypen. Nicht nur erfüllten die 3D-gedruckten Prototypkomponenten die Teileanforderungen besser als erwartet, sondern die Einführung von AM für Serienfahrzeuge würde auch Werkzeugkosten sparen, Dive ermöglichen, Endprodukte schneller als mit traditionellen Methoden herzustellen, und ein neues, höheres Maß an schneller Anpassung für Kunden ermöglichen.

Der Außenrumpf des DIVE-LD besteht aus neun rohrförmigen Verkleidungen, die auf einem von AES' vier Cincinnati Inc. (Cincinnati, Ohio, USA) Big Area Additive Manufacturing (BAAM) 3D-Druckern gedruckt wurden. Diese Verkleidungen werden aus kurzfasergefülltem ABS gedruckt, geliefert von Sabic (Riad, Saudi-Arabien). Laut AES-Mitgründer und VP Andrew Bader kann AES alle Teile für einen kompletten Rumpf in weniger als zwei Tagen drucken. Nach der Lieferung an Dive werden die 3D-gedruckten Verkleidungen mit vier Befestigungselementen pro Verkleidung mechanisch befestigt und beschichtet, um eine glatte, hydrodynamische Außenoberfläche zu erzeugen. Nach erfolgreichen ersten Tests 2020 baut Dive die ersten Kundenfahrzeuge in diesem Frühling und wird die erste Bestellung im Juni 2021 ausliefern.

Laut Russo ist AM zu einem Kernbestandteil von Dive Technologies' Wertversprechen für zukünftige Fahrzeuge und Produkte geworden. Die Partnerschaft mit Dive ist auch ein großer Schritt für AES und Composite-3D-Druck. Bader fügt hinzu: „Normalerweise denken Menschen bei 3D-Druck an Prototypen, Vorrichtungen und Werkzeuge, daher zeigt dies, wozu 3D-Druck noch fähig ist.“

Mehr über Dive Technologies und AES erfahren Sie in „Large-format 3D printing enables toolless, rapid production for AUVs.“

Endlosfaser-AM und Automatisierung für vielseitiges Motorboot-Design

Seit der Patentierung seines Continuous Fiber Manufacturing (CFM)-Prozesses 2015 hat Moi Composites (Mailand, Italien) eine Reihe von Anwendungen für seine ablagerungsbasierte, endlosfaserverstärkte 3D-Druck-CFM-Technologie erforscht. Markenzeichen von CFM sind die kundenspezifische Designsoftware von Moi Composites, der Einsatz von Roboterarmen, UV-Härtung und „hybride“ Fertigung – traditionellere Verbundwerkstofflaminierung auf einem 3D-gedruckten strukturellen Kern. Kürzlich hat das Unternehmen seine CFM-Technologie als Lösung für kosteneffektivere, schnellere und innovativere Marine-Strukturen demonstriert, durch ein Demonstrator-Motorboot namens MAMBO.

Laut Gabriele Natale, Mitgründer von Moi Composites, besuchten er und Mitgründer Michele Tonizzo 2017 die Genua Bootsmesse und erkannten, dass Werkzeugkosten und traditionelle GFK-Infusionsprozesse, die für viele Bootsrümpfe verwendet werden, Bootsdesignern die Erkundung neuer und komplexerer Designs erschweren. Da sie erkannten, dass ihre werkzeuglose, endlosfaserverstärkte 3D-Drucktechnologie eine ermöglichende Lösung sein könnte, sagt Natale: „Von dort aus begannen wir, einen Plan zu entwickeln, und trafen Partner innerhalb der Marineindustrie.“

Das resultierende MAMBO-Boot ist 6,5 Meter lang, 2,5 Meter breit, mit einem Trockengewicht von ca. 800 kg, ausgestattet mit Navigationssystem, Korkboden, weißen Ledersitzen und 115 PS Motor. Moi Composites arbeitete mit dem Marine-Design-Engineering-Studio MICAD (Lecce, Italien) am strukturellen Designkonzept für das Boot, das organische Formen in seine Strukturelemente integriert, inspiriert vom berühmten Arcidiavolo-Katamaran von Sonny Levi. Autodesk (San Rafael, Kalifornien, USA) Fusion 360 CAD und NETFABB Additive Manufacturing Software wurden im Design und in der Strömungsdynamikanalyse der Komponenten eingesetzt.

Rumpf und Deck des Bootes, gedruckt aus unidirektionalem E-Glas von Owens Corning (Toledo, Ohio, USA) und Vinylesterharz, wurden so entworfen, dass sie in 50 Einzelsektionen unterschiedlicher Größen gefertigt werden. Die Hälfte der Sektionen wurde in der Moi Composites-Anlage in Mailand gedruckt, die andere Hälfte in der Advanced Manufacturing Facility (ACF) von Partner Autodesk in Birmingham, UK. Moi Composites' CFM-3D-Drucktechnologie und duale Kuka (Augsburg, Deutschland) Roboter wurden an beiden Standorten eingesetzt. Laut Dominique Müller, Forschungsleiter im Additive Manufacturing Team bei Autodesk, ermöglichte das CFM-System im Autodesk Technology Center den schnellen Druck des Bootes und ermöglichte Autodesk auch, die Technologie, die Moi remote mittels Autodesk-Software steuerte, besser kennenzulernen. Die Gesamtdruckzeit für alle Komponenten betrug ca. zwei Monate.

Die gedruckten Teile wurden zur Catmarine-Werft in Miggiano, Italien, verschifft, wo sie zusammengefügt und klebend verbunden wurden. In einem hybriden Fertigungsprozess, ähnlich dem, den Moi bei Prothesen und anderen Teilen verwendet, wurde der gesamte Rumpf anschließend per Handlaminierung mit einer zusätzlichen Glasfaser/Polyester-Schicht, mit PVC-Schaum gekernt, laminiert, deren Dicke entlang der Struktur variiert, so Natale. Nach vollständiger Montage, Schleifung und Gelcoat-Beschichtung von Rumpf und Deck statteten Moi Composites' Partner das Boot mit Antrieb, Navigation und anderen Systemen aus, um das Boot zu vervollständigen.

Erste Seetests und Stabilitätstests wurden im Herbst 2020 durchgeführt, wobei MAMBO bis zu 26 Knoten erreichte; Moi Composites plant, die Seetests im Sommer 2021 fortzusetzen, um auf die Zertifizierung des Bootes hinzuarbeiten.

„Additive Fertigung, Digitalisierung und Automatisierung können die Erstellung neuer Konzepte und futuristischer Projekte beschleunigen, weil man für jedes Boot, das man entwerfen will, eine neue Form erstellen muss. Mit dieser Technologie können Sie Ihr 3D-Modell einfach modifizieren und erneut drucken. Das ist perfekt, besonders für Kleinserien- oder Einzelboote“, sagt Natale.

Mehr zu MAMBO in „MAMBO tests the waters for 3D printing large marine structures.“