Otimizando o projeto da ferramenta ROV submarina:personalização, materiais e resistência à corrosão

O intrincado processo de projeto e personalização de Veículos Operados Remotamente (ROVs) aproveita a precisão e a flexibilidade da indústria CNC. A usinagem de peças de ROV exige consideração de detalhes, especialmente a resistência à corrosão em carcaças de alumínio subaquáticas, e a seleção estratégica de materiais como plásticos de engenharia, conhecidos por suas propriedades mecânicas e térmicas aprimoradas.

No entanto, essas complexidades de projeto e fabricação muitas vezes apresentam desafios de usinagem. Neste artigo, nos aprofundamos nos aspectos técnicos da implantação bem-sucedida de veículos operados remotamente em ambientes subaquáticos. Vamos explorar!

Projetar veículos operados remotamente e ferramentas submarinas exige consideração cuidadosa de vários fatores, incluindo proteção contra corrosão, seleção de materiais e acabamento superficial.

1. Proteção contra corrosão na produção de caixas de alumínio subaquáticas

As carcaças subaquáticas do ROV estão entre os componentes mais importantes de um ROV, protegendo componentes eletrônicos e mecanismos internos críticos. A proteção contra corrosão é especialmente essencial na fabricação de caixas subaquáticas, onde materiais como o alumínio são predominantes.

Para garantir a longevidade e a funcionalidade dos componentes, incluindo estruturas, ferramentas e acessórios, normalmente é empregada uma abordagem dupla para proteção contra corrosão:proteção de revestimento e proteção catódica, com foco específico na proteção catódica de alumínio para peças subaquáticas de ROV.

Proteção de revestimento contra corrosão

A suscetibilidade das peças subaquáticas do ROV à corrosão em ambientes marinhos exige uma estratégia de defesa robusta. A proteção do revestimento, orientada por normas como NORSOK M-501, Sistema 7, fornece uma barreira inicial. Este método é amplamente utilizado em estruturas submarinas, como carcaças, peças e coletores de ROV. Esses revestimentos são aplicados meticulosamente para proteger contra elementos marinhos corrosivos.

Proteção Catódica

O revestimento por si só é insuficiente para a proteção abrangente das caixas subaquáticas. Esta inadequação põe em jogo o papel crítico da protecção catódica, particularmente a protecção catódica do alumínio. O alumínio é um ânodo de sacrifício eficaz com um potencial em torno de -1,05. Quando implantados em uma configuração de proteção catódica galvânica, os ânodos de alumínio protegem materiais de maior potencial, um princípio crucial na personalização de componentes de ROV.

Como funciona a proteção catódica?

A mecânica da proteção catódica do alumínio em ambientes subaquáticos envolve a transformação de locais anódicos ativos em superfícies metálicas em locais passivos ou catódicos. Isto é conseguido através do fornecimento de elétrons livres de uma fonte mais ativa – os ânodos de sacrifício, normalmente feitos de metais altamente ativos em comparação com o aço. Neste sistema sacrificial, os ânodos de alumínio corroem no lugar da estrutura protegida, prolongando significativamente a vida útil da carcaça e das peças do ROV.

Compreender os processos eletroquímicos que sustentam esta proteção é essencial para o projeto de protótipos de ROV e para o desenvolvimento de um ROV personalizado. A interação entre os dois metais diferentes, na presença de um eletrólito (água salgada), inicia um fluxo de corrente dos locais mais ativos (anódicos) para os menos ativos (catódicos). A utilização de ânodos de alumínio neste par galvânico é uma escolha estratégica, dado o seu elevado nível de atividade em relação ao aço.

Esta abordagem garante a integridade estrutural e a eficácia operacional do ROV, permitindo-lhe executar tarefas complexas em ambientes submarinos desafiadores.

2. Melhorando o desempenho de ferramentas submarinas de ROV com plásticos de engenharia

No campo do projeto de Veículos Operados Remotamente (ROV), a utilização de plásticos de engenharia, particularmente Polioximetileno (POM), é crítica para melhorar o desempenho das ferramentas subaquáticas de ROV. Esses materiais, reconhecidos por sua leveza, resistência à corrosão e durabilidade, tornaram-se indispensáveis ​​na construção de estruturas de ROV, bicos de propulsores, cúpulas de lentes de câmeras e diversas peças estruturais.

O POM, conhecido por sua robustez e longa vida útil, é especialmente vantajoso em aplicações marítimas. Suas propriedades de baixo atrito eliminam a necessidade de lubrificação externa, reduzindo os requisitos de manutenção para equipamentos ROV. Sua compatibilidade com diversas ferramentas submarinas e sua resistência a estressores ambientais fazem dele a escolha preferida para projetos de ROV. As características inerentes do POM, incluindo tenacidade, resistência ao impacto e capacidade de tolerar vibração e abrasão, alinham-se perfeitamente com as demandas das operações submarinas de ROV.



Plásticos de engenharia como POM, PC, ABS e PP também oferecem flexibilidade de design. Eles permitem a criação de peças de ROV com cores e texturas de superfície variadas, proporcionando benefícios estéticos e funcionais. Além disso, as propriedades de isolamento elétrico dos plásticos protegem os componentes eletrônicos sensíveis do ROV, garantindo funcionalidade ininterrupta durante missões subaquáticas.

Na sustentabilidade do ambiente marinho, os termoplásticos de engenharia apresentam uma vantagem significativa. Muitos destes materiais são recicláveis, alinhando-se com o foco crescente na gestão ambiental no projeto e implantação de equipamentos submarinos. A adoção de materiais recicláveis ​​na fabricação de ROV reduz o impacto ambiental e apoia as metas de sustentabilidade da indústria.

3. Escolhendo o acabamento de superfície correto para as peças do ROV

As ferramentas submarinas devem operar em condições extremas e o acabamento superficial garante significativamente a eficiência operacional. Vários acabamentos superficiais críticos são empregados, cada um adaptado às demandas exclusivas do ambiente submarino.

• Anodização: Este processo eletroquímico, frequentemente aplicado a componentes de alumínio, aumenta a resistência à corrosão e a durabilidade. É ideal para estruturas de ROV, ferramentas de ROV e peças de carcaça subaquáticas, proporcionando uma superfície durável e não condutora.
• Revestimento em pó: Oferecendo resistência superior à corrosão, o revestimento em pó é usado por sua robustez contra o ambiente marinho hostil. É adequado para componentes maiores de ROV, garantindo longevidade e apelo estético.
• Níquel eletroless: Este acabamento proporciona espessura de revestimento uniforme, excelente resistência à corrosão e maior dureza. É particularmente benéfico para ferramentas de ROV complexas e peças mecânicas que exigem dimensões precisas e alta durabilidade.
• Revestimentos cerâmicos: Conhecidos por sua excepcional dureza e propriedades de barreira térmica, os revestimentos cerâmicos são usados em peças sujeitas a altas temperaturas e condições abrasivas, como bicos propulsores.
• Revestimento de conversão de cromato: Aplicado principalmente em peças de alumínio, esse revestimento oferece boa resistência à corrosão, condutividade elétrica e uma boa base para aplicações de pintura subsequentes.

A indústria CNC, com suas capacidades de usinagem de precisão, é fundamental na aplicação desses acabamentos com precisão. A combinação certa desses acabamentos de superfície contribui significativamente para a eficiência, confiabilidade e longevidade dos ROVs subaquáticos.

Como personalizar componentes de equipamentos ROV com usinagem CNC?

O ROV consiste em um sistema de propulsão subaquática, um sistema de câmera subaquática, um sistema operacional e uma estrutura principal. A profundidade de mergulho do ROV exige que os materiais tenham resistência e resistência à corrosão suficientes, a maior durabilidade exige que as peças sejam leves e compactas, e as peças processadas exigem montagem e vedação perfeitas.

Nesta seção, compartilharemos o estudo de caso sobre como customizar cada tipo de componente ROV.

1. Sistema de propulsão subaquática

O sistema de propulsão subaquática do ROV consiste em propulsores de hélice. Essas hélices fornecem propulsão ao veículo para seu controle de movimento. Oferecem excelente manobrabilidade e alta eficiência de propulsão, permitindo ajuste direto dos ângulos das pás e velocidades de rotação. Geralmente, a maioria dos ROVs possui múltiplos propulsores, permitindo que o ROV se mova em múltiplas direções. Os componentes de uma hélice incluem um motor de acionamento, rolamentos, um defletor e pás.

Nome

Material

Processo（protótipo)

Processo（produção)

Acabamento de superfície

Motor de acionamento (capa protetora)

ABS, PC, náilon

Usinagem CNC

Moldagem por injeção

Como usinado

Rolamento

SS316

Usinagem CNC

Fundição sob pressão

Como usinado

Defletor de Ar

ABS, PC, náilon

Usinagem CNC

Moldagem por injeção

Como usinado

Hélice

Liga de alumínio

Usinagem CNC

Fundição sob pressão

Lixar/ Anodizar

O motor de acionamento e o defletor são feitos de materiais ABS, PC e náilon, que apresentam resistência e resistência ao impacto superiores. Os rolamentos são feitos de material SS316. Os rolamentos de aço inoxidável são resistentes à ferrugem, apresentam alta resistência à corrosão e podem se adaptar ao ambiente do mar profundo, garantindo uma longa vida útil aos componentes.



A chave para a fabricação dos componentes da hélice é a própria hélice. O material da hélice pode ser liga de alumínio ou POM, possuindo alta resistência, alta resistência ao desgaste e resistência à corrosão, adequado para uso subaquático.

É necessário garantir que a hélice fabricada possua alta precisão de processamento, bom acabamento superficial e seja leve para melhorar a eficiência e desempenho do ROV. A precisão da superfície da hélice é um fator chave para o controle vetorial de múltiplas hélices, muitas vezes necessitando de uma articulação precisa de cinco eixos para uma usinagem de superfície perfeita.

Após o processamento, a precisão é determinada pela digitalização da diferença de superfície usando um scanner 3D. As pás da hélice, após usinadas, necessitam de polimento manual para atingir uma rugosidade superficial inferior a Ra0,8μm. Uma superfície lisa pode reduzir a resistência ao fluxo de água, diminuir o atrito prejudicial e aumentar a vida útil da hélice.

2. Quadro Principal

A estrutura principal do ROV é composta principalmente por uma estrutura, uma cabine resistente à pressão e um compartimento de bateria, que desempenha um papel na proteção dos componentes centrais internos.

Nome

Material

Processo（protótipo)

Processo（produção)

Acabamento de superfície

Quadro

SS304

Usinagem CNC

Fundição sob pressão

Como usinado

Cabine Resistente à Pressão

AL6061-T4

Usinagem CNC

Fundição sob pressão

Anodizado duro

Invólucro do compartimento da bateria

Liga de alumínio

Usinagem CNC

Fundição sob pressão

Anodizado duro

A estrutura geral do ROV é soldada com aço inoxidável. A estrutura tipo frame possui um grande espaço interno, suficiente para instalar outros componentes principais. SS304 possui excelente resistência à corrosão e resiste a agentes corrosivos na água do mar. Também possui alta resistência e durabilidade, permitindo-lhe suportar condições ambientais marítimas adversas, como alta umidade, mudanças de temperatura e choques mecânicos.



A câmara de pressão é feita de AL6061-T4. O tubo de alumínio de precisão 6061-T4 é feito de alumínio de alta qualidade, oferecendo excelente resistência ao desgaste e à corrosão. Em comparação com outros materiais metálicos, a aplicação do AL6061-T4 pode reduzir o peso total do ROV, aumentando a velocidade de propulsão e o desempenho geral do ROV. Durante a fase de produção, a compra de tubos ocos AL6061-T4 para processamento pode economizar custos de material.

A tecnologia avançada alimentada por bateria permite que o ROV seja autônomo e portátil sem ser fisicamente controlado por amarras. O compartimento da bateria do ROV usa um invólucro de liga de alumínio forte e à prova d'água para proteger a bateria interna de lítio. Quando totalmente carregado, o ROV pode funcionar normalmente por 8 a 10 horas.

3. Sistema Auxiliar de Imagem Subaquática

O sistema de imagem auxiliar subaquático do ROV consiste principalmente em uma câmera subaquática e um sonar de imagem. As câmeras subaquáticas servem tanto como dispositivos de navegação quanto de observação/medição, enquanto o sonar de imagem pode detectar terreno subaquático ou objetos complexos usando ondas sonoras, o que é particularmente útil para evitar grandes obstáculos.

A câmera de alta definição da câmera subaquática está localizada na cabine de detecção. A extremidade frontal da cabine de detecção está equipada com uma lente semicircular para atender aos requisitos de transmissão de luz da câmera interna. A cabine de detecção e a lente semicírculo são processadas por CNC.
NomeMaterialProcesso(protótipo)Processo(produção)Acabamento de superfícieCabine de detecçãoLiga de alumínio/usinagem POMCNCFundição sob pressão/moldagem por injeçãoAnodização duraComo usinadoResinaImpressão 3D (SLA)Matérias-primasLente semicircularTranslúcida usinagem PMMACNCMoldagem por injeçãoPolonês transparenteResina translúcidaImpressão 3D (SLA) Polonês transparente
Antes da produção formal, podemos usar serviços de impressão 3D e usinagem CNC para testes de protótipos da cabine de detecção e lentes semicirculares. A impressão 3D permite a rápida produção de protótipos para verificar a estrutura e as dimensões básicas. No entanto, a precisão de usinagem da impressão 3D não é alta e o material é relativamente frágil e não resistente à pressão. O efeito de transparência da lente semicírculo fabricada por impressão 3D também é inferior ao da usinagem CNC. Para obter uma montagem precisa e vedação à prova d'água, a usinagem CNC ainda é necessária.



A prototipagem usando usinagem CNC permite que a câmara de detecção seja feita de liga de alumínio ou POM. POM e liga de alumínio anodizado têm alta resistência, alta resistência ao desgaste e resistência à corrosão, satisfazendo o ambiente subaquático de alta pressão. Para integrar uma variedade de sensores acústicos e ópticos, a estrutura do módulo da cabine de detecção é compacta; ao mesmo tempo, devem ser garantidas montagem e vedação precisas.

Existem requisitos rigorosos para tolerância de superfície de montagem e acabamento superficial. A tolerância da superfície de montagem precisa atingir ± 0,025 MM e a rugosidade da superfície precisa atingir Ra0,8 μm. A lente semicírculo emprega material PMMA, e a superfície precisa ser polida manualmente entre Ra 0,02μm e Ra 0,04μm para atender aos requisitos de resistência à pressão e transmissão de luz para câmeras internas.

4. Sistema operacional

ROVs de classe de trabalho podem ser equipados com braços manipuladores para operação. Os braços manipuladores acionados hidraulicamente são amplamente utilizados em operações em alto mar, oferecendo capacidades robustas de suporte de carga e movimentos suaves que melhoram a eficiência operacional e reduzem os custos de mão de obra. Os braços do manipulador hidráulico são compostos principalmente por um corpo de braço, uma estrutura de lança, um eixo de transmissão e uma empunhadura manual.

Nome

Material

Processo（protótipo)

Processo（produção)

Acabamento de superfície

Corpo do braço

AL 7075

Usinagem CNC

Fundição sob pressão

Anodização dura

Boom

SS304

Usinagem CNC

Fundição sob pressão

Como usinado

Eixo de transmissão

SS304

Usinagem CNC

Fundição sob pressão

Como usinado

Aperto de mão

SS304

Usinagem CNC

Fundição sob pressão

Como usinado

O corpo do braço do manipulador é feito de material AL7075, conhecido por sua natureza leve, resposta rápida, alta resistência e maior resistência à corrosão devido ao seu tratamento de superfície anodizado duro. A estrutura do braço, o eixo de transmissão e o punho são todos feitos de SS304, que é resistente à corrosão, de alta resistência e fácil de limpar e manter. Após as operações, o braço robótico pode ser limpo com água.



Os manipuladores acionados hidraulicamente são caracterizados por seu tamanho pequeno, peso leve, baixa inércia, estrutura compacta e layout flexível. Os pontos-chave do processamento do manipulador acionado hidraulicamente são a precisão correspondente do eixo do furo e os requisitos de acabamento superficial. A tolerância do furo do eixo de acionamento do braço do robô é H7, enquanto a rugosidade da superfície das peças precisa atingir Ra0,8μm. Usinagem de alta precisão e superfícies lisas podem reduzir o desgaste do braço do robô e prolongar sua vida útil.

Desafios de usinagem de ROV

Projetar e fabricar equipamentos submarinos apresenta vários desafios que a indústria CNC deve enfrentar para alcançar resultados ideais.

1. Mantendo a durabilidade com precisão

Um desafio fundamental no projeto de ROV é garantir a durabilidade da estrutura e dos componentes, considerando os impactos frequentes e os ambientes de alta pressão que eles suportam. As máquinas CNC se destacam na elaboração de paredes e cantos com a máxima precisão, um fator chave na preservação da estrutura geral contra ambientes marinhos agressivos.

Além disso, a criação de furos e seções personalizadas e a manutenção da espessura adequada são vitais para a durabilidade do ROV. A precisão nesses processos garante que os componentes do ROV, incluindo a estrutura, possam suportar impactos repetidos típicos durante a exploração subaquática.

Isso ocorre porque furos e seções personalizadas, usinadas de acordo com especificações exatas, distribuem a tensão de maneira mais uniforme pela estrutura, reduzindo a probabilidade de falha sob pressão ou impacto. Manter a espessura necessária em áreas-chave aumenta ainda mais a resiliência estrutural dos ROVs, garantindo que permaneçam robustos e confiáveis ​​durante as operações.

2. Isolamento e vedação elétrica adequados

Na fabricação de ROV, a vedação e o isolamento elétrico são essenciais.

Termoplásticos de engenharia como o polioximetileno (POM) desempenham um papel importante no isolamento elétrico e na vedação de ROVs. O POM possui propriedades inerentes de baixa absorção de água e pode manter a integridade sob pressão e em ambientes salinos. Isto garante a longevidade dos sistemas elétricos e evita a entrada de água, o que é crucial para a confiabilidade operacional dos ROVs subaquáticos.

3. Atendendo aos requisitos personalizados

A personalização de ROVs para atender a requisitos operacionais específicos apresenta desafios significativos. O processo de desenvolvimento normalmente começa com modelagem 3D, seguido por testes rigorosos, incluindo Análise de Elementos Finitos (FEA) e análise estrutural. Esta abordagem identifica potenciais fraquezas e permite ajustes antes da produção.

A usinagem de peças complexas de ROV requer o uso de máquinas integrativas de 5 eixos. Essas máquinas facilitam a usinagem precisa de peças complexas, garantindo que cada componente atenda às especificações exatas do projeto personalizado do ROV. Tal precisão é vital para integrar com sucesso todos os recursos de um ROV, garantindo sua funcionalidade e confiabilidade em diversas tarefas submarinas.

Conclusão

Projetar e usinar peças de ROV exige precisão, durabilidade e personalização para atender aos desafios únicos dos ambientes submarinos. Enfrentar esses desafios requer uma abordagem meticulosa na seleção de materiais, técnicas de usinagem e testes de projeto. Para aqueles que buscam navegar por essas complexidades no projeto e usinagem de peças de ROV, consultar especialistas na área é altamente recomendado para garantir desempenho e confiabilidade ideais dos sistemas ROV.