ROV Subaquático: Considerações de projeto e adaptação para componentes de ferramentas subaquáticas

O complexo 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 requer atenção aos detalhes, especialmente à resistência à corrosão das carcaças de alumínio subaquáticas, e à 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 detalhes técnicos da implantação bem-sucedida de veículos operados remotamente debaixo d'água. Vamos explorar isso!

Considerações sobre projeto de ROV subaquático

Ao projetar veículos operados remotamente e ferramentas subaquáticas, vários fatores devem ser cuidadosamente considerados, incluindo proteção contra corrosão, seleção de materiais e acabamento superficial.

1. Anticorrosão na produção de caixas de alumínio subaquáticas

Os gabinetes subaquáticos do ROV são um dos componentes mais importantes de um ROV, protegendo componentes eletrônicos e mecanismos internos críticos. A proteção contra corrosão é particularmente importante na fabricação de caixas subaquáticas, onde predominam materiais como o alumínio.

Para garantir a longevidade e a funcionalidade dos componentes (incluindo estruturas, ferramentas e acessórios), a proteção contra corrosão normalmente adota uma abordagem dupla: proteção de revestimento e proteção contra corrosão catódica, com ênfase particular na proteção contra corrosão catódica de alumínio para peças subaquáticas de ROV.

Proteção do revestimento contra corrosão

A suscetibilidade das peças subaquáticas do ROV à corrosão em ambientes marinhos requer uma estratégia de proteção robusta. Uma proteção de revestimento de acordo com normas como NORSOK M-501, Sistema 7, oferece uma barreira inicial. Este método é frequentemente usado em estruturas subaquáticas, como carcaças, peças e manifolds de ROV. Esses revestimentos são aplicados cuidadosamente para proteger contra elementos marinhos corrosivos.

Proteção catódica

Um revestimento por si só não é suficiente para fornecer proteção abrangente para habitações subaquáticas. Esta inadequação põe em jogo o papel crucial da protecção catódica, particularmente a protecção catódica do alumínio. O alumínio é um ânodo de sacrifício eficaz com um potencial de cerca de -1,05. Quando usados ​​na proteção catódica galvânica, os ânodos de alumínio protegem materiais de maior potencial, um princípio que é fundamental na personalização de componentes de ROV.

Como funciona a proteção catódica?

A mecânica da proteção contra corrosão catódica do alumínio em ambientes subaquáticos consiste em converter locais anódicos ativos em superfícies metálicas em locais passivos ou catódicos. Isto é conseguido fornecendo elétrons livres de uma fonte mais ativa – os ânodos de sacrifício, que normalmente são feitos de metais altamente ativos em comparação com o aço. Neste sistema sacrificial, os ânodos de alumínio corroem em vez da estrutura protegida, prolongando significativamente a vida útil da carcaça e das peças do ROV.

Compreender os processos eletroquímicos subjacentes a esta proteção é fundamental 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) desencadeia 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 decisão estratégica dado o seu elevado nível de atividade em comparação com o aço.

Esta abordagem garante a integridade estrutural e a eficiência operacional do ROV, permitindo-lhe executar tarefas complexas em ambientes subaquáticos exigentes.

2. Melhorando o desempenho das ferramentas subaquáticas de ROV com plásticos de engenharia

No campo do projeto de veículos operados remotamente (ROV), o uso de plásticos de engenharia, particularmente polioximetileno (POM), é fundamental para melhorar o desempenho das ferramentas subaquáticas de ROV. Conhecidos por seu peso leve, resistência à corrosão e durabilidade, esses materiais tornaram-se essenciais na construção de estruturas de ROV, bicos de motores, cúpulas de lentes de câmeras e diversas peças estruturais.

O POM é conhecido pela sua robustez e longa vida útil e é particularmente adequado para utilização no mar. Suas propriedades de baixo atrito eliminam a necessidade de lubrificação externa e reduzem os requisitos de manutenção para equipamentos ROV. A sua compatibilidade com diversas ferramentas subaquáticas e a resistência às influências ambientais tornam-no uma escolha preferida para a construção de ROV. As propriedades inerentes do POM, incluindo tenacidade, resistência ao impacto e capacidade de tolerar vibração e abrasão, atendem perfeitamente às necessidades das operações subaquáticas de ROV.

Plásticos técnicos como POM, PC, ABS e PP também oferecem liberdade de design. Eles permitem a produção de peças de ROV com diferentes cores e texturas de superfície e oferecem vantagens estéticas e funcionais. Além disso, as propriedades de isolamento elétrico dos plásticos protegem os componentes eletrônicos sensíveis do ROV, garantindo funcionalidade ininterrupta durante missões subaquáticas.

Os termoplásticos de engenharia oferecem uma vantagem significativa em termos de sustentabilidade do ambiente marinho. Muitos destes materiais são recicláveis, refletindo o foco crescente na proteção ambiental no desenvolvimento e utilização de equipamentos subaquáticos. O uso de materiais recicláveis ​​na fabricação de ROV reduz o impacto ambiental e apoia as metas de sustentabilidade da indústria.

3. Selecionando o acabamento superficial correto para as peças do ROV

As ferramentas subaquáticas devem funcionar em condições extremas e as condições da superfície são cruciais para garantir a eficiência operacional. São utilizados vários acabamentos superficiais críticos, cada um adaptado aos requisitos específicos do ambiente subaquático.

• Anodização: Este processo eletroquímico, frequentemente usado em componentes de alumínio, aumenta a resistência à corrosão e ao desgaste. É ideal para estruturas de ROV, ferramentas de ROV e peças de carcaças subaquáticas e fornece uma superfície durável e não condutora.
• Revestimento em pó: O revestimento em pó oferece excelente resistência à corrosão e é usado por sua robustez ao ambiente marinho hostil. É adequado para componentes maiores de ROV e garante durabilidade e aparência estética.
• Niquelagem química: Esta superfície proporciona espessura de revestimento uniforme, excelente resistência à corrosão e maior dureza. É particularmente benéfico para ferramentas complicadas de ROV e peças mecânicas que exigem dimensões precisas e alta durabilidade.
• Revestimentos cerâmicos: Conhecidos por sua excepcional dureza e propriedades de isolamento térmico, os revestimentos cerâmicos são utilizados em peças expostas a altas temperaturas e condições abrasivas, como bicos de motores.
• Revestimento de conversão de cromato: Este revestimento é aplicado principalmente em peças de alumínio e proporciona boa resistência à corrosão, condutividade elétrica e uma boa base para pintura posterior.

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

Como personalizar componentes de equipamentos ROV usando 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 vida útil mais longa requer peças leves e compactas, e as peças processadas requerem montagem e vedação perfeitas.

Nesta seção, compartilhamos o estudo de caso de personalização de cada tipo de componente de ROV.

1. Sistema de propulsão subaquática

O sistema de propulsão subaquática do ROV consiste em motores de hélice. Essas hélices fornecem ao veículo impulso 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 motores, permitindo que o ROV se mova em múltiplas direções. Os componentes de uma hélice incluem um motor de acionamento, rolamentos, um defletor e pás.

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

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

Para melhorar a eficiência e o desempenho do ROV, é necessário garantir que a hélice fabricada tenha alta precisão de processamento e bom acabamento superficial e seja leve. A precisão da superfície da hélice é um fator chave para a vetorização de múltiplas hélices e muitas vezes requer uma conexão precisa de cinco eixos para um acabamento superficial perfeito.

Após o processamento, a precisão é determinada pela digitalização das diferenças de superfície com um scanner 3D. As pás da hélice precisam ser polidas manualmente após o processamento para atingir uma rugosidade superficial inferior a Ra0,8 μm. Uma superfície lisa pode reduzir a resistência ao fluxo de água, reduzir o atrito prejudicial e prolongar a vida útil da hélice.

2. Quadro principal

A estrutura principal do ROV é composta principalmente por uma estrutura, uma cabine à prova de chamas e um compartimento de bateria, que é usado para proteger os componentes internos do núcleo.

Toda a estrutura do ROV é soldada em aço inoxidável. A estrutura em forma de moldura possui um grande espaço interno, suficiente para instalar outros componentes principais. SS304 possui excelente resistência à corrosão e resiste a substâncias corrosivas na água do mar. É também muito robusto e durável, permitindo-lhe resistir a condições ambientais marítimas adversas, como humidade elevada, flutuações 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 e oferece excelente resistência ao desgaste e à corrosão. Comparado com outros materiais metálicos, o uso do AL6061-T4 pode reduzir o peso total do ROV, melhorando assim 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.

Graças à avançada tecnologia alimentada por bateria, o ROV é autônomo e portátil, sem a necessidade de ser controlado fisicamente por amarras. O compartimento da bateria do ROV é feito de uma carcaça de liga de alumínio resistente 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 auxiliar de imagem subaquática 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 os sonares de imagem podem detectar terreno subaquático ou objetos complexos usando ondas sonoras, particularmente úteis para evitar grandes obstáculos.

A câmera de alta resolução 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. Tanto a cabine de detecção quanto a lente semicircular são usinadas por CNC.

Antes da produção oficial, 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 produção rápida de protótipos para verificar a estrutura básica e as dimensões. No entanto, a precisão do processamento da impressão 3D não é alta e o material é relativamente frágil e não resistente à impressão. O efeito de transparência da lente semicircular feita pela impressão 3D também é pior que o da usinagem CNC. A usinagem CNC ainda é necessária para obter uma montagem precisa e vedação à prova d'água.

Através da prototipagem utilizando usinagem CNC, a câmara de detecção pode ser feita de liga de alumínio ou POM. POM e ligas de alumínio anodizado possuem alta resistência, resistência ao desgaste e resistência à corrosão, adequadas para ambientes subaquáticos de alta pressão. Para poder integrar uma variedade de sensores acústicos e ópticos, a estrutura do módulo da cabine de detecção é compacta; Ao mesmo tempo, a montagem e vedação precisas devem ser garantidas.

Requisitos rigorosos se aplicam à tolerância da superfície de montagem e ao acabamento superficial. A tolerância da superfície de montagem deve ser de ±0,025mm e a rugosidade da superfície deve atingir Ra0,8μm. A lente semicírculo é feita de 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 transmitância 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 águas profundas e fornecem capacidades de elevação robustas e movimentos suaves que melhoram a eficiência operacional e reduzem os custos de mão de obra. Os braços do manipulador hidráulico consistem principalmente em um corpo de braço, uma estrutura de lança, um eixo de transmissão e uma alça.

O corpo do braço do manipulador é feito de material AL7075, que é conhecido por seu peso leve, resposta rápida, alta resistência e melhor resistência à corrosão devido ao seu tratamento de superfície anodizado rígido. A estrutura do braço, o eixo de transmissão e a alça são todos feitos de SS304, que é resistente à corrosão, de alta resistência e fácil de limpar e manter. Após a operação, o braço do robô pode ser limpo com água.

Os manipuladores acionados hidraulicamente são caracterizados por seu pequeno tamanho, baixo peso, baixa inércia, estrutura compacta e design flexível. Os pontos mais importantes ao processar o manipulador acionado hidraulicamente são a precisão do ajuste do eixo do furo e os requisitos de qualidade da superfície. A tolerância do furo do eixo de transmissão do braço do robô é H7, enquanto a rugosidade superficial das peças deve atingir Ra0,8μm. Usinagem de alta precisão e superfícies lisas podem reduzir o desgaste do braço do robô e prolongar sua vida útil.

Desafios no processamento de ROV

Para alcançar resultados ideais, o desenvolvimento e a fabricação de equipamentos subaquáticos apresentam vários desafios que a indústria CNC deve enfrentar.

1. Mantenha a durabilidade com precisão

Um dos maiores desafios no projeto de ROVs é garantir a durabilidade da estrutura e dos componentes, dados os impactos frequentes e os ambientes de alta pressão a que estão sujeitos. As máquinas CNC são excelentes na produção de paredes e cantos com a mais alta precisão, um fator chave na resistência da estrutura geral a ambientes marinhos agressivos.

Além disso, criar furos e seções personalizadas e manter a espessura adequada é fundamental para a durabilidade do ROV. A precisão desses processos garante que os componentes do ROV, incluindo a estrutura, possam suportar impactos repetidos típicos da exploração subaquática.

Isso ocorre porque furos e seções sob medida, fabricados de acordo com especificações precisas, distribuem a tensão de maneira mais uniforme pela estrutura, reduzindo a probabilidade de falha sob compressão ou impacto. Manter a espessura necessária em áreas-chave melhora ainda mais a resiliência estrutural dos ROVs e garante que eles permaneçam robustos e confiáveis ​​durante a operação.

2. Isolamento elétrico e vedação adequados

A vedação e o isolamento elétrico são essenciais na fabricação de ROV.

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

3. Atendendo aos requisitos específicos do cliente

A adaptação dos ROVs aos 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 vulnerabilidades potenciais e permite ajustes antes da produção.

A usinagem de peças complexas de ROV requer o uso de máquinas integrativas de 5 eixos. Essas máquinas permitem a usinagem precisa de peças complexas, garantindo que cada componente atenda às especificações exatas do projeto personalizado do ROV. Esta precisão é crucial para a integração bem-sucedida de todas as funções em um ROV, garantindo sua funcionalidade e confiabilidade em diversas tarefas subaquáticas.

Concluindo

Projetar e usinar peças de ROV exige precisão, durabilidade e personalização para atender aos desafios únicos do ambiente subaquático. Enfrentar esses desafios requer uma abordagem cuidadosa na seleção de materiais, técnicas de usinagem e testes de projeto. Para aqueles que desejam navegar por essas complexidades ao projetar e usinar peças de ROV, é altamente recomendável consultar especialistas na área para garantir desempenho e confiabilidade ideais dos sistemas de ROV.