Несмотря на международное рвение к космическим путешествиям, истинный последний рубеж может быть ближе к дому. Океаны покрывают более 70% поверхности нашей планеты, но, по оценкам экспертов, полностью исследовано менее 20% наших океанов. По сравнению с масштабами освоения космоса, исследования океана недостаточно финансируются. Тем не менее, некоторые исследователи проявляют настойчивость, несмотря на трудности, и используют 3D печать для совершения новых открытий.
В Лаборатории подводной робототехники и визуализации, которая является частью кампуса залива Университета Род-Айленда, профессор Бреннан Филлипс и его студенты создают инструменты для исследования глубин океана на тысячи метров. Используя стереолитографические (SLA) принтеры, лаборатория печатает водонепроницаемые корпуса камер и широкий спектр исследовательских инструментов для своей работы.
Картографирование океана требует создания инструментов, которые не только водонепроницаемы, но и остаются такими даже под огромным давлением глубоко под водой. Филлипс и студенты лаборатории начали проектировать 3D печатный корпус для камеры, который мог бы сохранять устройство полностью сухим даже под давлением, но при этом легко разбирался для извлечения данных.
После десятков итераций команда остановилась на дизайне,состоящем из двух частей. Внутренняя структура корпуса удерживает плату и заполнена эпоксидной смолой, которая удерживает объектив камеры. Все, что находится под объективом, — эпоксидная смола, залитая через отверстия, предусмотренные конструкцией корпуса.
3D печать позволила лаборатории провести тщательную разработку конструкции, не беспокоясь о превышении бюджета. Также технология 3D печати обеспечила большую гибкость конструкции, чем это было возможно при механической обработке.
Лаборатория использует гидроаккумулятор для имитации глубоководных условий. Как только Филлипс и его ученики остановились на двухкомпонентной конструкции с эпоксидной смолой, они поместили детали в камеру высокого давления для проведения испытаний работы в реальных условиях.
Почему SLA подходит для производства?
При оценке различных 3D принтеров точность и свойства материалов были на первом месте. Детали не должны быть пористыми и не должны пропускать воду. Гладкая поверхность деталей SLA также гарантирует, что функциональные узлы, такие как цилиндрические корпуса, состоящие из двух частей, могут соединяться друг с другом без образования воздушных зазоров на шероховатой поверхности.
Точность и высокое разрешение печати также важны для создания водонепроницаемых деталей. Невероятно жесткие допуски и небольшой размер элемента позволяют печатать резьбу непосредственно в материале, и лаборатория Филлипса делает это как для корпуса, состоящего из двух частей, так и для винтов, которые служат дополнительной защитой крепления.
В январе 2020 года Филлипс и его ученики опубликовали процесс 3D печати деталей. Они смогли напечатать корпуса непосредственно на корабле и они не отличались от своих аналогов, напечатанных наземным способом. Таким образом изготовление корпусов из пластика стало возможно непосредственно на местах.
3D печать для волоконной оптики
Для работы с оборудованием на огромной глубине используется оптоволокно. Это достаточно хрупкий и дорогостоящий материал, с которым нельзя обращаться как с обычным кабелем. Лаборатория Филлипса в сотрудничестве с Nautilus Defense LL, базирующейся в Потакете, Род-Айленд, впервые изобрела оптоволоконную леску нового типа, или FOFL, которая обеспечивает Интернет на глубине и позволяет снимать видео в режиме реального времени.
Но оптоволоконная леска сама по себе была не совсем пригодна для использования — ей требовалась механическая точка подключения, чтобы за нее можно было тянуть, не ломая волоконно-оптическую сердцевину. Поскольку волоконно-оптические кабели нельзя завязывать узлами или манипулировать ими так же, как с другими, более прочными линиями, лаборатории пришлось изобрести приспособление для кабеля.
Используя напечатанную на 3D принтере деталь с жесткими допусками, несущие внешние оплетки лески можно отделить от хрупкого волоконно-оптического сердечника. 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.
Снижение затрат с 3D печатью
До 3D печати разработка этих инструментов была дорогостоящей, что мешало исследователям вносить необходимые изменения в конструкцию и вообще не позволяло программам с недостаточным финансированием разрабатывать их.
Лаборатория подводной робототехники и визуализации является частью глобального движения «глубоко и дешево» — усилия по демократизации науки и открытию доступа к этим технологиям для лучшего понимания океанов, которые нас окружают.
Команда лаборатории не ограничилась печатью только деталей для конечного использования. Используя прозрачную смолу для печати, они организовали процесс печати пресс-форм. Конечным результатом является оптимизированный способ быстрого сращивания подводных кабелей с использованием форм, напечатанных на 3D принтере.
Возможности 3D печати для исследований
В лаборатории Филлипса 3D принтеры используются для создания прототипов, продуктов конечного использования, инструментов, приспособлений и даже медицинских устройств. Даже в небольшой исследовательской лаборатории Филлипс и его ученики открывают новые возможности и постоянно развиваются.
Во время пандемии COVID-19 Филлипс и его ученики осознали, что у них есть возможность реально повлиять на пандемию. Благодаря обширным испытаниям и исчерпывающим исследованиям лаборатория смогла рассказать о напечатанных на 3D принтере деталях вентиляторов, которые удаляют отравляющие вещества и газы. Они совершили подвиг не только как научная публикация, но и подали заявку на одобрение FDA и Emergency Use Authorization (EUA).
Более низкая стоимость производства деталей для глубоководных исследований не только выгодна для бюджета лаборатории, но также означает, что обучение (и неотъемлемая стадия неудач при попытке опробовать новые идеи) не запрещает студентам доступ к новым технологиям. Студенты бакалавриата, впервые проектирующие детали, могут получить доступ к технологии и изучить 3D печать, не опасаясь ошибок, которые могут стоить драгоценных ресурсов.
Студенты-второкурсники имеют возможность каждый год проектировать и печатать на 3D принтере корпусы для работы под давлением, внося свой вклад в исследования, одновременно изучая новые ценные навыки САПР и 3D печати.
Эти возможности не ограничиваются только студентами колледжей в Америке — Филлипс входит в международное сообщество, стремящееся улучшить доступ и доступность инструментов глубоководных исследований в слаборазвитых прибрежных странах по всему миру.
3D печать открывает новые возможности для исследований глубин океана. Технология позволяет создавать чрезвычайно прочные и водостойкие изделия, которые отлично справляются со своими задачами даже в агрессивной среде.
В DigitalCraft3D мы помогаем исследователям - студентам и профессионалам - в реализации проектов любой сложности. Узнайте больше о 3D печати в DC3D у менеджера!
