Optimierung des Subsea-ROV-Werkzeugdesigns: Anpassung, Materialien & Korrosionsbeständigkeit

Der komplexe Prozess der Entwicklung und Anpassung von ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen (ROVs) nutzt die Präzision und Flexibilität der CNC-Industrie. Die Bearbeitung von ROV-Teilen erfordert besondere Sorgfalt, insbesondere Korrosionsbeständigkeit bei Unterwasser-Aluminiumgehäusen und die strategische Auswahl von Materialien wie technischen Kunststoffen, die für ihre verbesserten mechanischen und thermischen Eigenschaften bekannt sind.

Solche Konstruktions- und Fertigungsdetails bringen jedoch oft Bearbeitungsherausforderungen mit sich. In diesem Artikel beleuchten wir die technischen Aspekte für den erfolgreichen Einsatz von ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen in Unterwasserumgebungen. Lassen Sie uns eintauchen!

Entwurfsüberlegungen für ROVs und Subsea-Werkzeuge

Die Konstruktion von ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen und Subsea-Werkzeugen erfordert sorgfältige Berücksichtigung mehrerer Faktoren, darunter Korrosionsschutz, Materialauswahl und Oberflächenveredelung.

1. Korrosionsschutz bei der Fertigung von Unterwasser-Aluminiumgehäusen

Unterwasser-ROV-Gehäuse gehören zu den wichtigsten Komponenten eines ROVs, da sie kritische Elektronik und interne Mechanismen schützen. Korrosionsschutz ist bei der Fertigung von Unterwassergehäusen, in denen Materialien wie Aluminium vorherrschen, besonders wichtig.

Um Langlebigkeit und Funktionalität der Komponenten – einschließlich Rahmen, Werkzeuge und Zubehör – zu gewährleisten, wird typischerweise ein dualer Ansatz zum Korrosionsschutz angewendet: Beschichtungsschutz und Kathodenschutz, mit besonderem Fokus auf Aluminium-Kathodenschutz für Unterwasser-ROV-Teile.

Beschichtungsschutz gegen Korrosion

Die Anfälligkeit von Unterwasser-ROV-Teilen für Korrosion in Meeresumgebungen erfordert eine robuste Verteidigungsstrategie. Der Beschichtungsschutz, geleitet durch Standards wie NORSOK M-501, System 7, bietet eine erste Barriere. Diese Methode wird umfangreich bei Subsea-Strukturen wie ROV-Gehäusen, -Teilen und -Verteilern eingesetzt. Diese Beschichtungen werden sorgfältig aufgetragen, um vor korrosiven Meeresbedingungen zu schützen.

Kathodenschutz

Beschichtung allein reicht nicht für den umfassenden Schutz von Unterwassergehäusen aus. Diese Unzulänglichkeit bringt die kritische Rolle des Kathodenschutzes ins Spiel, insbesondere des Aluminium-Kathodenschutzes. Aluminium ist eine effektive Opferanode mit einem Potenzial von ca. -1,05. In einem galvanischen Kathodenschutzsystem schützen Aluminium-Anoden Materialien mit höherem Potenzial – ein Prinzip, das bei der Anpassung von ROV-Komponenten entscheidend ist.

Funktionsweise des Kathodenschutzes

Die Mechanik des Aluminium-Kathodenschutzes in Unterwasserumgebungen umfasst die Umwandlung aktiver Anodenstellen auf Metalloberflächen in passive oder kathodische Stellen. Dies wird durch die Zufuhr freier Elektronen von einer aktiveren Quelle – den Opferanoden, typischerweise aus hochaktiven Metallen im Vergleich zu Stahl – erreicht. In diesem Opfersystem korrodieren die Aluminium-Anoden anstelle der geschützten Struktur, wodurch die Lebensdauer des ROV-Gehäuses und der Teile erheblich verlängert wird.

Das Verständnis der zugrunde liegenden elektrochemischen Prozesse ist essenziell für ROV-Prototypendesign und die Entwicklung eines kundenspezifischen ROVs. Die Wechselwirkung zwischen zwei ungleichen Metallen in Gegenwart eines Elektrolyten (Salzwasser) initiiert einen Stromfluss vom aktiveren (anodischen) zum weniger aktiven (kathodischen) Material. Die Verwendung von Aluminium-Anoden in diesem galvanischen Paar ist eine strategische Wahl, da sie eine hohe Aktivität im Vergleich zu Stahl aufweisen.

Dieser Ansatz gewährleistet die strukturelle Integrität und operative Wirksamkeit des ROVs und ermöglicht es, komplexe Aufgaben in anspruchsvollen Subsea-Umgebungen auszuführen.

2. Leistungssteigerung von ROV-Subsea-Werkzeugen durch technische Kunststoffe

Im Bereich der ROV-Konstruktion ist die Verwendung technischer Kunststoffe, insbesondere Polyoxymethylen (POM), entscheidend für die Leistungssteigerung von Unterwasser-ROV-Werkzeugen. Diese Materialien, bekannt für ihr geringes Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und Langlebigkeit, sind unverzichtbar beim Bau von ROV-Rahmen, Düsen für Strahltriebwerke, Kameralinsenkuppeln und verschiedenen Strukturteilen.

POM, bekannt für seine Robustheit und lange Verschleißfestigkeit, ist besonders vorteilhaft in marinen Anwendungen. Seine geringen Reibungseigenschaften eliminieren die Notwendigkeit externer Schmierung und reduzieren Wartungsanforderungen für ROV-Ausrüstung. Seine Kompatibilität mit verschiedenen Subsea-Werkzeugen und seine Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse machen es zur bevorzugten Wahl für ROV-Design. Die inhärenten Eigenschaften von POM – Zähigkeit, Schlagfestigkeit und Fähigkeit, Vibrationen und Abrieb zu widerstehen – passen perfekt zu den Anforderungen von Subsea-ROV-Operationen.

Technische Kunststoffe wie POM, PC, ABS und PP bieten zudem Designflexibilität. Sie ermöglichen die Herstellung von ROV-Teilen mit verschiedenen Farben und Oberflächentexturen, was sowohl ästhetische als auch funktionale Vorteile bietet. Zudem schützen die elektrischen Isoliereigenschaften von Kunststoffen empfindliche elektronische Komponenten im ROV und gewährleisten unterbrechungsfreie Funktionalität während Unterwassermissionen.

In puncto Nachhaltigkeit in der Meeresumwelt bieten technische Thermoplaste einen signifikanten Vorteil. Viele dieser Materialien sind recycelbar, was dem zunehmenden Fokus auf Umweltverantwortung bei der Entwicklung und dem Einsatz von Subsea-Ausrüstung entspricht. Die Verwendung recycelbarer Materialien in der ROV-Fertigung reduziert Umweltauswirkungen und unterstützt die Nachhaltigkeitsziele der Branche.

3. Wahl der richtigen Oberflächenveredelung für ROV-Teile

Subsea-Werkzeuge müssen unter extremen Bedingungen arbeiten, und die Oberflächenveredelung trägt wesentlich zur operativen Effizienz bei. Mehrere kritische Oberflächenveredelungen werden eingesetzt, jeweils angepasst an die einzigartigen Anforderungen der Subsea-Umgebung.

• Eloxieren: Dieser elektrochemische Prozess, oft angewendet auf Aluminiumkomponenten, erhöht Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit. Er ist ideal für ROV-Rahmen, ROV-Werkzeuge und Unterwassergehäuseteile und bietet eine langlebige, nicht-leitende Oberfläche.
• Pulverbeschichtung: Sie bietet überlegene Korrosionsbeständigkeit und wird wegen ihrer Robustheit gegen die raue Meeresumgebung eingesetzt. Sie eignet sich für größere ROV-Komponenten und gewährleistet Langlebigkeit und ästhetische Ansprache.
• Chemisches Vernickeln: Diese Veredelung bietet gleichmäßige Schichtdicke, hervorragende Korrosionsbeständigkeit und erhöhte Härte. Sie ist besonders vorteilhaft für komplexe ROV-Werkzeuge und mechanische Teile, die präzise Abmessungen und hohe Haltbarkeit erfordern.
• Keramikbeschichtungen: Bekannt für ihre außergewöhnliche Härte und thermische Barriereeigenschaften, werden Keramikbeschichtungen in Teilen eingesetzt, die hohen Temperaturen und abrasiven Bedingungen ausgesetzt sind, wie Strahltriebwerksdüsen.
• Chromat-Umwandlungsbeschichtung: Primär auf Aluminiumteile angewendet, bietet diese Beschichtung gute Korrosionsbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit und eine gute Basis für nachfolgende Lackanwendungen.

Die CNC-Industrie mit ihren präzisen Bearbeitungsfähigkeiten ist maßgeblich daran beteiligt, diese Veredelungen präzise anzuwenden. Die richtige Kombination dieser Oberflächenveredelungen trägt erheblich zur Effizienz, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Unterwasser-ROVs bei.

Wie werden kundenspezifische ROV-Ausrüstungskomponenten mit CNC-Bearbeitung hergestellt?

Das ROV besteht aus einem Unterwasserantriebssystem, einem Unterwasserkamerasystem, einem Betriebssystem und einem Hauptrahmen. Die Tauchtiefe des ROVs erfordert, dass die Materialien ausreichende Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen, die längere Ausdauer verlangt, dass Teile leicht und kompakt sind, und die bearbeiteten Teile perfekte Montage und Abdichtung erfordern.

In diesem Abschnitt teilen wir eine Fallstudie darüber, wie jeder Typ von ROV-Komponente angepasst wird.

1. Unterwasserantriebssystem

Das Unterwasserantriebssystem des ROVs besteht aus Propellertriebwerken. Diese Propeller liefern dem Fahrzeug Antrieb für die Bewegungssteuerung. Sie bieten hervorragende Manövrierfähigkeit und hohen Antriebseffizienz, was die direkte Anpassung von Blattwinkeln und Drehzahlen ermöglicht. Generell haben die meisten ROVs mehrere Triebwerke, die es dem ROV ermöglichen, sich in mehrere Richtungen zu bewegen. Komponenten eines Propellers umfassen Antriebsmotor, Lager, Leitblech und Blätter.

Name	Material	Prozess (Prototyp)	Prozess (Produktion)	Oberflächenveredelung
Antriebsmotor (Schutzgehäuse)	ABS, PC, Nylon	CNC-Bearbeitung	Spritzguss	Unbearbeitet
Lager	SS316	CNC-Bearbeitung	Druckguss	Unbearbeitet
Luftleitblech	ABS, PC, Nylon	CNC-Bearbeitung	Spritzguss	Unbearbeitet
Propeller	Aluminiumlegierung	CNC-Bearbeitung	Druckguss	Schleifen / Eloxieren

Antriebsmotor und Leitblech bestehen beide aus ABS, PC und Nylon-Materialien, die über überlegene Schlagfestigkeit und Festigkeit verfügen. Die Lager bestehen aus SS316-Material. Die Edelstahllager sind rostbeständig, weisen hohe Korrosionsbeständigkeit auf und können sich an die Tiefseeumgebung anpassen, was eine lange Lebensdauer der Komponenten gewährleistet.

Der Schlüssel zur Fertigung von Propellerkomponenten ist der Propeller selbst. Das Material des Propellers kann Aluminiumlegierung oder POM sein und besitzt hohe Festigkeit, hohe Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, geeignet für den Unterwassereinsatz.

Es ist notwendig sicherzustellen, dass der gefertigte Propeller hohe Bearbeitungspräzision, gute Oberflächenqualität und Leichtbauweise aufweist, um die Effizienz und Leistung des ROVs zu verbessern. Die Oberflächengenauigkeit des Propellers ist ein Schlüsselfaktor für die Vektorsteuerung mehrerer Propeller, was oft präzises Fünf-Achsen-Verfahren für perfekte Oberflächenbearbeitung erfordert.

Nach der Bearbeitung wird die Genauigkeit durch Scannen der Oberflächenunterschiede mit einem 3D-Scanner bestimmt. Die Propellerblätter benötigen nach der Bearbeitung manuelles Polieren, um eine Oberflächenrauheit von weniger als Ra 0,8 µm zu erreichen. Eine glatte Oberfläche kann Strömungswiderstand reduzieren, schädliche Reibung verringern und die Lebensdauer des Propellers erhöhen.

2. Hauptrahmen

Der Hauptrahmen des ROVs besteht hauptsächlich aus einem Rahmen, einer druckfesten Kabine und einem Batteriefach, die die internen Kernkomponenten schützen.

Name	Material	Prozess (Prototyp)	Prozess (Produktion)	Oberflächenveredelung
Rahmen	SS304	CNC-Bearbeitung	Druckguss	Unbearbeitet
Druckfeste Kabine	AL6061-T4	CNC-Bearbeitung	Druckguss	Harteloxiert
Batteriefach-Gehäuse	Aluminiumlegierung	CNC-Bearbeitung	Druckguss	Harteloxiert

Die gesamte Rahmenstruktur des ROVs wird aus Edelstahl geschweißt. Die Rahmenstruktur bietet einen großen Innenraum, der ausreicht, um andere Kernkomponenten zu installieren. SS304 hat hervorragende Korrosionsbeständigkeit und widersteht korrosiven Agenten im Meerwasser. Es hat auch hohe Festigkeit und Haltbarkeit, was es befähigt, rauen marinen Umweltbedingungen wie hoher Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen und mechanischen Stößen standzuhalten.

Die Druckkammer besteht aus AL6061-T4. Das 6061-T4-Präzisions-Aluminiumrohr besteht aus hochwertigem Aluminium und bietet hervorragende Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit. Im Vergleich zu anderen Metallmaterialien kann die Anwendung von AL6061-T4 das Gesamtgewicht des ROVs reduzieren und so den Antriebsgeschwindigkeit und die Gesamtleistung des ROVs verbessern. In der Produktionsphase kann der Einkauf von hohlem AL6061-T4-Rohr zur Bearbeitung Materialkosten sparen.

Fortschrittliche batteriebetriebene Technologie ermöglicht es dem ROV, autonom und tragbar zu sein, ohne physisch durch Kabel gesteuert zu werden. Das Batteriefach des ROVs verwendet ein starkes und wasserdichtes Aluminiumlegierungsgehäuse zum Schutz der internen Lithiumbatterie. Bei voller Ladung kann das ROV 8–10 Stunden normal arbeiten.

3. Unterwasser-Hilfsbildgebungssystem

Das Unterwasser-Hilfsbildgebungssystem des ROVs besteht hauptsächlich aus einer Unterwasserkamera und einem Bildgebungs-Sonar. Unterwasserkameras dienen sowohl als Navigations- als auch als Beobachtungs-/Messgeräte, während Bildgebungs-Sonar Unterwasserterrain oder komplexe Objekte mithilfe von Schallwellen erkennen kann, was besonders nützlich ist, um große Hindernisse zu vermeiden.

Die Hochgeschwindigkeitskamera der Unterwasserkamera befindet sich in der Detektionskabine. Das vordere Ende der Detektionskabine ist mit einer halbrunden Linse ausgestattet, um die Lichtdurchlässigkeitsanforderungen der internen Kamera zu erfüllen. Detektionskabine und Halbrundlinse werden beide per CNC bearbeitet.

Name	Material	Prozess (Prototyp)	Prozess (Produktion)	Oberflächenveredelung
Detektionskabine	Aluminiumlegierung / POM	CNC-Bearbeitung	Druckguss / Spritzguss	Harteloxieren / Unbearbeitet
Halbrunde Linse	Transluzentes PMMA	CNC-Bearbeitung	Spritzguss	Transparent polieren
Transluzentes Harz	3D-Druck (SLA)	Rohmaterial	Transparent polieren

Vor der Serienfertigung können wir 3D-Druck und CNC-Bearbeitungsdienstleistungen für Prototypentests der Detektionskabine und der halbrunden Linse nutzen. 3D-Druck ermöglicht die schnelle Herstellung von Prototypen zur Überprüfung der grundlegenden Struktur und Abmessungen. Die Bearbeitungspräzision des 3D-Drucks ist jedoch nicht hoch, und das Material ist relativ spröde und nicht druckbeständig. Der Transparenzeffekt der halbrunden Linse, die durch 3D-Druck hergestellt wird, ist auch dem CNC-Bearbeitung unterlegen. Um präzise Montage und wasserdichte Abdichtung zu erreichen, ist CNC-Bearbeitung dennoch erforderlich.

Beim Prototyping mit CNC-Bearbeitung kann die Detektionskammer aus Aluminiumlegierung oder POM hergestellt werden. POM und eloxierte Aluminiumlegierung haben hohe Festigkeit, hohe Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit und erfüllen die hochdruckige Unterwasserumgebung. Um eine Vielzahl von akustischen und optischen Sensoren zu integrieren, ist die Struktur des Detektionskabinen-Moduls kompakt; gleichzeitig müssen präzise Montage und Abdichtung gewährleistet sein.

Es gibt strenge Anforderungen an Montageflächentoleranz und Oberflächenveredelung. Die Montageflächentoleranz muss ±0,025 mm erreichen, und die Oberflächenrauheit muss Ra 0,8 µm betragen. Die halbrunde Linse verwendet PMMA-Material, und die Oberfläche muss manuell zwischen Ra 0,02 µm und Ra 0,04 µm poliert werden, um die Anforderungen an Druckbeständigkeit und Lichtdurchlässigkeit für interne Kameras zu erfüllen.

4. Betriebssystem

Arbeitsklasse-ROVs können mit Manipulatorarmen für Operationen ausgestattet werden. Hydraulisch angetriebene Manipulatorarme werden in Tiefseeoperationen weit eingesetzt und bieten robuste Tragfähigkeit und sanfte Bewegungen, die die betriebliche Effizienz steigern und Arbeitskosten senken. Die hydraulischen Manipulatorarme bestehen hauptsächlich aus einem Armkörper, einem Auslegerrahmen, einer Antriebswelle und einem Handgriff.

Name	Material	Prozess (Prototyp)	Prozess (Produktion)	Oberflächenveredelung
Armkörper	AL 7075	CNC-Bearbeitung	Druckguss	Harteloxieren
Ausleger	SS304	CNC-Bearbeitung	Druckguss	Unbearbeitet
Antriebswelle	SS304	CNC-Bearbeitung	Druckguss	Unbearbeitet
Handgriff	SS304	CNC-Bearbeitung	Druckguss	Unbearbeitet

Der Armkörper des Manipulators besteht aus AL7075-Material, bekannt für seine Leichtbauweise, schnelle Reaktion, hohe Festigkeit und verbesserte Korrosionsbeständigkeit durch seine harteloxierte Oberflächenbehandlung. Die Armstruktur, Antriebswelle und Handgriff bestehen alle aus SS304, das korrosionsbeständig, hochfest und einfach zu reinigen und zu warten ist. Nach Operationen kann der Roboterarm mit Wasser gereinigt werden.

Hydraulisch angetriebene Manipulatoren zeichnen sich durch ihre kleine Größe, Leichtbauweise, geringe Trägheit, kompakte Struktur und flexible Anordnung aus. Die Schlüsselpunkte bei der Bearbeitung des hydraulisch angetriebenen Manipulators sind die Passgenauigkeit der Bohrungsachse und die Oberflächenveredelungsanforderungen. Die Bohrungstoleranz des Roboterarm-Antriebswellen ist H7, während die Oberflächenrauheit der Teile Ra 0,8 µm erreichen muss. Hochpräzise Bearbeitung und glatte Oberflächen können den Verschleiß des Roboterarms reduzieren und seine Lebensdauer verlängern.

Herausforderungen bei der ROV-Bearbeitung

Die Entwicklung und Fertigung von Subsea-Ausrüstung stellt mehrere Herausforderungen dar, die die CNC-Industrie bewältigen muss, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

1. Haltbarkeit bei Präzision bewahren

Eine vorrangige Herausforderung im ROV-Design ist die Gewährleistung der Haltbarkeit von Rahmen und Komponenten, berücksichtigt man die häufigen Stöße und Hochdruckumgebungen, denen sie ausgesetzt sind. CNC-Maschinen zeichnen sich durch die Herstellung von Rahmenwänden und -ecken mit höchster Präzision aus, ein Schlüsselfaktor für den Erhalt der Gesamtstruktur gegen raue Meeresumgebungen.

Zudem ist die Erstellung von kundenspezifischen Bohrungen und Abschnitten sowie die Aufrechterhaltung angemessener Wandstärken entscheidend für die ROV-Haltbarkeit. Präzision in diesen Prozessen stellt sicher, dass ROV-Komponenten, einschließlich des Rahmens, wiederholten Stößen standhalten können, die bei der Unterwassererkundung typisch sind.

Dies liegt daran, dass kundenspezifische Bohrungen und Abschnitte, die nach genauen Spezifikationen bearbeitet werden, Spannungen gleichmäßiger über die Struktur verteilen und die Wahrscheinlichkeit von Versagen unter Druck oder Stoß verringern. Die Aufrechterhaltung der erforderlichen Dicke in kritischen Bereichen erhöht die strukturelle Widerstandsfähigkeit von ROVs weiter und stellt sicher, dass sie während Operationen robust und zuverlässig bleiben.

2. Richtige elektrische Isolierung und Abdichtung

In der ROV-Fertigung sind Abdichtung und elektrische Isolierung kritisch.

Technische Thermoplaste wie Polyoxymethylen (POM) spielen eine wichtige Rolle bei der elektrischen Isolierung und Abdichtung von ROVs. POM verfügt über inhärent niedrige Wasseraufnahmeeigenschaften und kann Integrität unter Druck und in salinen Umgebungen bewahren. Dies gewährleistet die Langlebigkeit der elektrischen Systeme und verhindert Wassereintritt, was für die operationelle Zuverlässigkeit von Unterwasser-ROVs entscheidend ist.

3. Erfüllung kundenspezifischer Anforderungen

Die Anpassung von ROVs an spezifische betriebliche Anforderungen stellt erhebliche Herausforderungen dar. Der Entwicklungsprozess beginnt typischerweise mit 3D-Modellierung, gefolgt von strengen Tests, einschließlich Finite-Elemente-Analyse (FEA) und Strukturanalyse. Dieser Ansatz identifiziert potenzielle Schwachstellen und ermöglicht Anpassungen vor der Produktion.

Die Bearbeitung komplexer ROV-Teile erfordert den Einsatz integrierter 5-Achsen-Maschinen. Diese Maschinen ermöglichen die präzise Bearbeitung komplexer Teile und stellen sicher, dass jede Komponente den genauen Spezifikationen des kundenspezifischen ROV-Designs entspricht. Solche Präzision ist entscheidend für die erfolgreiche Integration aller Funktionen in einem ROV und gewährleistet dessen Funktionalität und Zuverlässigkeit bei verschiedenen Subsea-Aufgaben.

Fazit

Die Entwicklung und Bearbeitung von ROV-Teilen erfordert Präzision, Haltbarkeit und Anpassung, um den einzigartigen Herausforderungen von Subsea-Umgebungen zu begegnen. Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert einen sorgfältigen Ansatz bei Materialauswahl, Bearbeitungstechniken und Designtests. Für diejenigen, die diese Komplexitäten im ROV-Teiledesign und -Bearbeitung meistern möchten, wird die Beratung mit Experten auf diesem Gebiet dringend empfohlen, um optimale Leistung und Zuverlässigkeit von ROV-Systemen zu gewährleisten.