Norwich University

„Das ein 'Prototyp' in Harz getaucht und als fertiges Teil verwendet werden konnte, war fast zu schön um wahr zu sein. Es war eindeutig der schnellste und einfachste Weg vom CAD-Modell zum fertigen Teil.“
– Blake Shaffer, Maschinenbau-Student, Norwich University

Langlebige, wasserdichte 3D-Druckteile helfen dem Unterwasser-Wettbewerbsfahrzeug der Norwich University beim Sprung ins

Einige Unterwassertätigkeiten sind zu gefährlich, zu teuer oder zu anspruchsvoll für ein bemanntes U-Boot: einen Hafen nach Sprengstoff zu durchkämmen, die Unterwasserregionen einer Bohrinsel zu untersuchen oder, irgendwann einmal, Leben in der Flüssigkeit unter der Eisschicht eines Jupiter-Mondes zu erforschen. Deshalb unterstützt die NASA seit Kurzem die Norwich University in Northfield, Vermont, USA bei der Entwicklung eines autonomen Unterwasserfahrzeugs (Autonomous Underwater Vehicle, AUV).

Dies ist für die viel beschäftigten Studenten ein ehrgeiziges Projekt. Um Zeit, Geld und Arbeitskräfte zu sparen und um innovative Produktionstechniken anzuwenden, werden viele der Fahrzeugteile vom AUV-Team der Universität in 3D „gedruckt“. Dies zeigt die Widerstandsfähigkeit und Leistung (sogar unter Wasser) von Teilen, die mithilfe von 3D-CAD-Daten schnell hergestellt werden können.

Die Herausforderung

Ein denkendes Fahrzeug

Kehren Sie das A in AUV nicht unter den Teppich. Autonom bedeutet, dass das Fahrzeug tatsächlich Hindernisse und Ziele, auf die es trifft, ausmacht, diese unterscheidet, erkennt, wonach es sucht und entscheidet, welche Maßnahmen ergriffen werden sollen. Im Gegensatz zu bemannten oder ferngesteuerten Fahrzeugen können Sie dieses Fahrzeug einfach zu Wasser lassen, sich zurücklehnen und es seine Arbeit tun lassen.

Bei der 11. International Autonomous Underwater Vehicle Competition (Internationaler Wettbewerb für autonome Unterwasserfahrzeuge) in San Diego, USA, navigierten AUVs ohne menschliche Hilfe durch einen Unterwasserparcours – im Fall des Fahrzeugs der Norwich University mithilfe von zwei Kameras und einem digitalen Kompass. Das Fahrzeug musste Zielbehälter finden, diese mit Markern füllen und von den Juroren festgelegte „Schätze“ suchen.

Die Vorbereitung auf diese großen Herausforderungen nahm den Großteil des Jahres 2008 in Anspruch. Drei Maschinenbaustudenten und sieben Studenten der Technischen Informatik, genannt Bot Rodders, waren daran beteiligt. Heraus kam Poseidon, ein 34 x 15 x 15 Zoll (ca. 86 x 38 x 38 cm) großes Fahrzeug mit einem Gewicht von etwa 13 kg, das von einem einzigartigen Antriebssystem angetrieben wird. Das AUV Poseidon verfügt nur über eine Schraube anstatt der fünf oder sechs, die kapitalkräftigere Teams verwenden. Die Kraft der einzelnen Schraube wird durch eine Reihe von direktionalen Düsen an den Eckpunkten des Fahrzeugs verstärkt, wobei jede Kombination dieser Düsen für ein bestimmtes Manöver aktiviert werden kann. „Unser Design bedeutet weit weniger Batteriemasse, wodurch das AUV wendiger, umweltverträglicher und sparsamer wird“, erklärt Maschinenbaustudent und Co-Teamleiter Ryan Wood.

Die Strategie

“Das 3D-Drucken von benutzerdefinierten Teilen

Während viele AUVs von Konkurrenzteams nur leicht von den Modellen der letzten Wettbewerbe abweichen, haben die Bot Rodders ihr Modell von Grund auf neu entwickelt, da Norwich 2008 zum ersten Mal an diesem Wettbewerb teilnahm. „Wir mussten Informationen darüber einholen, was die anderen Teams entwickelt hatten, wie die verschiedenen Modelle abgeschnitten hatten und wo wir einen Vorteil für uns herausarbeiten konnten“, erzählt Maschinenbaustudent und Teammitglied Blake Shaffer.

Das einzigartige Design des Fahrzeugs erforderte eine Reihe von benutzerdefinierten Teilen, die Bot Rodders mit der KeyCreator™ 3D-CAD-Software von Kubotek USA herstellten. Normalerweise würde ein Student diese Teile in der Werkstatt der Universität herstellen. Doch das Team entschied sich für einen schnelleren und einfacheren Weg. Sie verwendeten den 3D-Drucker der Universität, einen ZPrinter® 310 um die Teile herzustellen.

Der 3D-Drucker verwendet Tintenstrahltechnologie, um Verbundwerkstoffpulver zu festen, physischen Teilen zu binden, was elektronischen 3D CAD-Modellen Substanz gibt, ähnlich wie ein Papierdrucker Dokumente aus Textverarbeitungsdateien erstellt. 3D-gedruckte Teile können gebohrt, mit Gewinden versehen, geschliffen, lackiert oder galvanisiert werden, um Aussehen und Wirkung des Endprodukts zu simulieren. Damit die Teile wasserdicht werden, tauchen die Bot Rodders sie in Epolam-Epoxidharz.

Die Studenten entdeckten das 3D-Drucken zunächst im Konstruktionsunterricht, in dem sie Prototypen der Teile für ihre Zwischenprüfungsprojekte erstellten. Jetzt stellen Sie Teile in Produktionsqualität her, die auch für längere Tauchgänge geeignet sind.

„Wie haben den Anwendungshinweis auf der Website haben es selbst ausprobiert und es hat funktioniert“, berichtet Wood. „Jetzt verwenden wir gedruckte 3D-Teile als Befestigungen für Servomotoren und als Hülle für unsere passiven 'Sonar-Hydrophone', mit deren Hilfe Poseidon navigiert.“

Das Ergebnis

Zeit und Geld werden gespart

Das Team hat nicht nur die Grenzen der Fertigungstechnologie weiter vorangetrieben, sondern hätte die extrem komplexen Teile in der Schulwerkstatt gar nicht herstellen können. Wenn die Werkzeuge doch verfügbar waren, verhinderten zeitliche Einschränkungen die manuelle Herstellung. Obwohl das Team die Herstellung an einen externen Dienstleister hätte vergeben können, beschloss es, dieses Budget stattdessen in die elektronischen Teile von Poseidon zu stecken.

„Das ein 'Prototyp' in Harz getaucht und als fertiges Teil verwendet werden konnte, war fast zu schön um wahr zu sein“, erzählt Shaffer. „Es war eindeutig der schnellste und einfachste Weg vom CAD-Modell zum fertigen Teil.“ Das Team sparte vermutlich über 5.000 USD und mehrere Monate Produktionszeit, indem es den Drucker für die Anfertigung der Teile einsetzte, schätzt R. Danner Friend, Associate Professor im Bereich Maschinenbau.

Außerdem nutze das Team den ZPrinter für die Herstellung der Abschlusskappen für die Zylinder im Rumpf des Fahrzeugs. Die Studenten druckten eine 3D-„Form-Form“, gossen sie mit gummiartigem Material aus, um die Hauptform zu erstellen, gossen diese wiederum mit einem Zweikomponentenkunststoff aus, entnahmen die fertigen Teile und setzen sie in das Fahrzeug ein.

„Wir gehen bis an die Grenzen des 3D Druckens, indem wir die 3D-Drucke als fertige Teile verwenden, und wir nehmen an, dass die Industrie im Laufe des nächsten Jahrzehnts ebenfalls diese Richtung einschlagen wird“, so Wood. „Für mich als zukünftigen Bewerber ist das gut, da ich auf meine umfassende und aussagekräftige Erfahrung mit der neuen Produktionstechnologie verweisen kann.“

Norwich entdeckte das 3D-Drucken vor fünf Jahren, und investierte in diese Technologie, um seine Werkstatt zu erweitern. Die Schule entschied sich für den ZPrinter, da dessen Geschwindigkeit, Erschwinglichkeit und ungefährliche Materialien für den Unterricht genau richtig erschienen. Er ist nicht nur der schnellste 3D-Drucker der Welt, sondern ermöglicht dem Benutzer auch, Teile in der Baukammer ineinander zu „verschachteln“ und so die Projekte einer ganzen Klasse innerhalb weniger Stunden zu drucken. Die Studenten waren von der Geschwindigkeit tief beeindruckt, da sie davon ausgingen, mindestens eine Woche auf die Modelle warten zu müssen.

„Wir haben den 3D-Drucker in den fünf Jahren seit der Anschaffung für immer mehr Projekte eingesetzt“, berichtet Friend. „Er ist ein echtes Arbeitstier. Wir sind weit über unsere ursprünglichen Erwartungen hinaus gegangen, indem wir ihn für echte, einsatzfähige Produkte verwendet haben, und wir möchten weiter erforschen, welche Möglichkeiten für alternative Fertigungsprozesse er noch bietet. Es ist ein spannendes Fachgebiet.“

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