Перейти к содержимому

Тысячи метров под водой: 3D-печать в исследовании океанских глубин

Главный исследователь лаборатории URI Deep Sea Robotics Lab Бреннан Филлипс.

Несмотря на международное увлечение космическими путешествиями, истинный последний рубеж может находиться ближе к дому. Океаны покрывают более 70% поверхности нашей планеты, но, по оценкам Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA), менее 20% океанов полностью изучены. По сравнению с масштабами космических исследований, изучение океанов недофинансируется и недооценивается. Тем не менее, некоторые исследователи упорно продолжают работать, несмотря на трудности, и обращаются к 3D-печати как способу более глубокого погружения.

В Лаборатории подводной робототехники и визуализации, входящей в кампус Bay Campus Университета Род-Айленда, профессор Бреннан Филлипс и его студенты создают инструменты, способные исследовать тысячи метров под поверхностью океана. Используя SLA 3D-принтеры Formlabs Form 3+ и Form 3L, лаборатория печатает водонепроницаемые корпуса для камер и разнообразные исследовательские инструменты для своей работы. 

Водонепроницаемые детали под давлением

Картографирование океана требует создания инструментов, которые не только водонепроницаемы, но и остаются таковыми даже под огромным давлением далеко под поверхностью океана. Филлипс и студенты лаборатории начали проектировать напечатанный корпус для камеры, который мог бы сохранять устройство абсолютно сухим даже под давлением и при этом легко разбираться для извлечения данных. После десятков итераций команда остановилась на цилиндрической конструкции, напечатанной из двух частей на Form 3+ из Clear Resin. Внутренняя структура корпуса удерживает печатную плату и заполнена эпоксидной смолой, которая удерживает объектив камеры в воздухе. Все, что находится под объективом, — эпоксидная смола, залитая через отверстия, встроенные в конструкцию корпуса.

"Перед нами поставлена задача: какую самую маленькую и дешевую глубоководную камеру мы можем сделать? Сейчас мы напечатали десятки таких камер разных форм, и поскольку это печатаемая вещь, мы можем сделать любую форму, какую захотим. Мы можем быстро спроектировать что-то, собрать электронику, поместить ее туда, оптимизировать размер, а затем залить эпоксидной смолой", - говорит Филлипс.

 3D-печать позволила лаборатории провести тщательную итерацию, не беспокоясь о превышении бюджета, а также обеспечила большую гибкость конструкции, чем при механической обработке.

В конструкции камеры DEEPi используется гибридная напечатанная форма и кольцевое уплотнение, а также заполненный эпоксидной смолой объем для компонентов печатной платы и внешнее прозрачное стекло смотрового окна.

Лаборатория использует резервуар высокого давления для моделирования глубоководных условий. Как только Филлипс и его ученики остановились на конструкции из двух частей с эпоксидной смолой, они поместили детали в барокамеру, увеличив давление, чтобы имитировать настоящую глубоководную среду. 

Почему SLA 3D-печать идеально подходит для глубоководной робототехники

При оценке различных 3D-принтеров для лаборатории Филлипса на первом месте стояли точность и свойства материала. Изотропная природа SLA деталей означает, что они не пористые и не пропускают воду, как это могут делать детали, напечатанные методом FDM. Гладкая поверхность SLA деталей также гарантирует, что функциональные узлы, такие как цилиндрические корпуса, состоящие из двух частей, могут соединяться друг с другом без шероховатой поверхности, вызывающей воздушные зазоры. Точность и высокое разрешение также способствуют водонепроницаемости - невероятно жесткие допуски и малый размер деталей позволяют печатать резьбу для винтов непосредственно в материале, и в лаборатории Филлипса это сделано как для корпуса из двух частей, так и для винтов, которые служат дополнительной защитой для крепления.

Полный напечатанный корпус, способный защитить электронику от морской воды на глубине более 1000 метров. Кольцевые уплотнения напечатаны непосредственно на деталях, а герметизация корпуса осуществляется с помощью привинчиваемого вручную ободка.

“Вам нужно стопроцентное заполнение деталей SLA - с помощью FDM вы, возможно, сможете получить от них рейтинг IP, но вы не сможете выдержать давление выше пары метров. Во-вторых, вам нужно разрешение, чтобы уплотнительное кольцо между двумя деталями обеспечивало полную герметичность. Эти детали выходят прямо из принтера, и мы немного шлифуем их, но затем ориентируем их так, чтобы критические поверхности были гладкими, и получаем идеальное уплотнение", - говорит Филлипс. "И третья причина заключается в том, что свойства материалов SLA намного лучше - тут вообще нет никакого сравнения. Они намного лучше с точки зрения предела текучести. Все модули упругости лучше, чем у любого другого материала".

Точность принтеров и доступность материалов Formlabs позволили процветать основной работе лаборатории - водонепроницаемым глубоководным корпусам как на суше, так и в море. В январе 2020 года Филлипс и его студенты опубликовали свой процесс 3D-печати с использованием стабилизационной установки на Form 2. Они смогли напечатать такие же корпуса без ощутимых отличий от их аналогов, напечатанных на суше, что означает, что эти устройства могут быть напечатаны и развернуты на месте, на кораблях по всему миру. Продолжая миссию лаборатории по демократизации глубоководной науки, эта работа предоставляет доказательства того, что эти важные инструменты могут быть изготовлены недорого и на месте.

Работа с Form 3L

Когда компания Formlabs объявила о выпуске крупноформатного 3D-принтера Form 3L, Филлипс и лаборатория были в числе первых, кто сразу же приступил к работе. "Мы были одними из первых, кто приобрел Form 3L", - говорит Филлипс. Большой формат Form 3L позволил им экспериментировать с более крупными подводными конструкциями и улучшить другие лабораторные функции с помощью инновационных исследовательских инструментов.

Для развертывания этих корпусов и других устройств мониторинга под водой лаборатория должна использовать и обслуживать тысячи футов тонкого оптоволоконного кабеля. Чтобы избежать путаницы или узлов, они сначала использовали перепрофилированные велосипедные колеса, чтобы направлять оптоволокно через борт лодки. Однако, имея под рукой широкоформатный SLA принтер, они смогли создать прототип конструкции, чтобы уменьшить размер и повысить производительность этого процесса.

Напечатанный на 3D-принтере «слайд» помогает плавно провести оптоволоконные кабели по борту лодки, не запутывая и не ломая их.

«Для лески мы не хотели использовать поворотный шкив или колесо. Нам нужен был слайд. Итак, мы напечатали примерно три или четыре итерации этого слайда. Он большой, красивый и гладкий, и эта гладкость помогает с более тонкими линиями», — говорит Филлипс. Слайд, напечатанный на Form 3L из Clear Resin, сокращает время, необходимое для бережного хранения лески для повторного использования, и сокращает количество раз, когда им потребуется заменить свое оборудование.

Инновации в волоконной оптике

Леска, несмотря на трудоемкость перемотки, не самый тонкий материал. Однако с оптоволоконными кабелями нельзя обращаться таким же образом, ведь они намного дороже в случае поломки. Лаборатория Филлипса в партнерстве с Nautilus Defense LL, базирующейся в Потакете, Род-Айленд, впервые изобрела волоконно-оптическую леску нового типа, или FOFL. «Волоконная оптика дает нам Ethernet, видео в прямом эфире и тому подобное. Это очень сложно сделать с медными кабелями на большие расстояния», — говорит Филлипс. 

Но оптоволоконная леска была не совсем пригодна для использования сама по себе - ей требовалась механическая точка подключения, чтобы можно было потянуть за нее, не сломав оптоволоконную жилу. Поскольку оптоволоконные кабели нельзя завязать узлом или манипулировать ими так же, как другими, более прочными лесками, лаборатории пришлось изобрести приспособление для конца кабеля.

С помощью напечатанной детали с жесткими допусками, достижимыми с помощью SLA принтеров Formlabs с высоким разрешением, несущие нагрузку внешние оплетки лески можно отделить от хрупкой оптоволоконной жилы. С помощью впрыскиваемой эпоксидной смолы плетеная леска приклеивается к напечатанному на 3D-принтере приспособлению, а оптоволокно проходит в металлическую трубку разветвления, которая может подключаться к компьютеру для получения информации, которую несет оптоволоконный кабель.

Детали, напечатанные методом SLA, используются в качестве механических заделок для "оптоволоконной лески" или FOFL), отделяя несущую нагрузку внешнюю оплетку от хрупкой оптоволоконной сердцевины.

"Этот тип крепления очень прочный, он выдерживает не менее ста килограммов. Мы подали заявку на патент, а также опубликовали ее в открытом доступе. Без 3D-печати, в обычном производственном процессе, они могли бы стоить $3,000 или $4,000", - говорит Филлипс. "Именно сочетание методов быстрого прототипирования, таких как принтеры Formlabs, и новой волоконно-оптической линии позволяет реализовать новые идеи, подобные этой".

Напечатанные на 3D-принтере опускные уплотнения с меньшими затратами

До появления 3D-печати разработка этих инструментов была дорогостоящей, что удерживало исследователей от внесения необходимых изменений в конструкцию и не позволяло программам с недостаточным финансированием разрабатывать их вообще. Лаборатория подводной робототехники и визуализации является частью глобального движения "deep and cheap" - попытки демократизировать науку и открыть доступ к этим технологиям, позволяющим лучше понять окружающие нас океаны.

"Я начал печатать с помощью 3D-принтеров торцевые крышки, в которые были встроены кольцевые уплотнения, и это сработало. Если печатать на станке — это стоит сотни, а то и тысячи долларов, а чертежи должны быть точными. С помощью этих принтеров я могу напечатать три или четыре штуки и добиться точной подгонки, потратив на материал около 50 долларов", - говорит Филлипс. 

Команда лаборатории не ограничилась печатью только конечных деталей; используя Clear Resin, они разработали успешный рабочий процесс для печати форм. Конечным результатом является оптимизированный способ быстрого сращивания подводных кабелей с помощью напечатанных форм.

Разнообразные случаи применения

В лаборатории Филлипса принтеры Formlabs используются для прототипирования, создания конечных продуктов, быстрой оснастки, заготовок и приспособлений, и даже медицинских приборов.  Даже в небольшой исследовательской лаборатории инновационный дух Филлипса и его студентов постоянно расширяет возможности применения принтеров. 

Во время COVID-19 Филлипс и его студенты поняли, что у них есть возможность внести реальный вклад в борьбу с пандемией в Род-Айленде. Благодаря обширным испытаниям и исчерпывающим исследованиям лаборатория смогла опубликовать результаты химического дегазации смолы Formlabs Surgical Guide Resin для использования в напечатанных на 3D-принтере деталях аппарата искусственной вентиляции легких. Они совершили подвиг не только научной публикации, но и подали заявку на одобрение FDA и разрешение на экстренное использование.

“Во время пандемии предпринимались огромные усилия, и мы хотели действительно подключиться и помочь там, где мы могли бы принести наибольшую пользу. Благодаря качеству принтеров Formlabs и наличию Surgical Guide Resin, мы смогли внести свой вклад на более высоком уровне”, - говорит Филлипс.

Детали аппарата ИВЛ с Y-образным разветвителем, разработанные в сотрудничестве с исследователями из Университета Брауна и больницы Род-Айленда, печатаются на 3D-принтере с использованием смолы Surgical Guide на ранних стадиях пандемии COVID-19.

Демократизация глубин

Более низкая стоимость изготовления этих деталей не только выгодна для бюджета лаборатории, но и означает, что обучение (и неизбежная стадия неудачи при попытке новых идей) не лишает студентов доступа к этим машинам. Студенты старших курсов, впервые проектирующие детали, могут получить доступ к технологии и научиться 3D-печати, не опасаясь каких-либо ошибок, которые стоят драгоценных ресурсов. 

Студенты второго курса URI имеют возможность ежегодно проектировать и 3D-печатать корпуса для опрессовки, внося свой вклад в исследования и одновременно приобретая новые ценные навыки работы с САПР и 3D-печатью. "До появления 3D-принтеров студенты не проектировали и не делали собственные подводные корпуса, пока не становились аспирантами или не работали в промышленности, и не могли пройти обучение, потому что стоимость и доступ были просто ограничены. Но принтеры Formlabs открывают двери - у меня был ученик средней школы, который сделал корпус под давлением", - говорит Филлипс.

Эти возможности не ограничиваются только студентами колледжей в Америке - Филлипс является частью международного сообщества, стремящегося улучшить доступ к инструментам для глубоководных исследований в слаборазвитых прибрежных странах по всему миру. "Мы работаем над развитием потенциала стран, которые хотят проводить собственные исследования в глубоком океане. Деньги - это ограничение, обучение - тоже ограничение, но эти методы имеют потенциал, чтобы действительно открыть эту возможность и демократизировать глубоководные исследования", - говорит Филлипс. 

Предыдущая статья 3D-принтеры для большой печати: сравнение UltiMaker S5 и BCN3D Epsilon W27