Optimisation de la conception d'outils ROV subaquatiques : personnalisation, matériaux et résistance à la corrosion

Le processus complexe de conception et de personnalisation des véhicules téléopérés (ROV) tire parti de la précision et de la flexibilité de l'industrie de l'usinage CNC. L'usinage de pièces pour ROV exige une attention particulière aux détails, notamment la résistance à la corrosion des boîtiers en aluminium immergés, et la sélection stratégique de matériaux comme les plastiques techniques, reconnus pour leurs propriétés mécaniques et thermiques améliorées.

Cependant, ces complexités de conception et de fabrication présentent souvent des défis d'usinage. Dans cet article, nous examinons les aspects techniques du déploiement réussi de véhicules téléopérés en milieu subaquatique. Explorons ensemble !

1. Protection contre la corrosion dans la production de boîtiers en aluminium immergés

Les boîtiers de ROV immergés font partie des composants les plus critiques d'un ROV, protégeant l'électronique sensible et les mécanismes internes. La protection contre la corrosion est particulièrement essentielle dans la fabrication de boîtiers subaquatiques, où des matériaux comme l'aluminium prédominent.

Pour garantir la longévité et la fonctionnalité des composants, y compris les châssis, l'outillage et les accessoires, une approche à double volet est généralement employée : protection par revêtement et protection cathodique, avec un accent spécifique sur la protection cathodique de l'aluminium pour les pièces de ROV immergées.

Protection par revêtement contre la corrosion

La sensibilité des pièces de ROV immergées à la corrosion en milieu marin nécessite une stratégie de défense robuste. La protection par revêtement, guidée par des normes comme NORSOK M-501, Système 7, fournit une barrière initiale. Cette méthode est largement utilisée dans les structures subaquatiques telles que les boîtiers de ROV, les pièces et les collecteurs. Ces revêtements sont appliqués méticuleusement pour protéger contre les éléments marins corrosifs.

Protection cathodique

Le revêtement seul est insuffisant pour une protection complète des boîtiers immergés. Cette insuffisance fait intervenir le rôle crucial de la protection cathodique, notamment la protection cathodique par l'aluminium. L'aluminium est une anode sacrificielle efficace avec un potentiel d'environ -1,05 V. Lorsqu'il est déployé dans une configuration de protection cathodique galvanique, les anodes en aluminium protègent les matériaux à potentiel plus élevé, un principe crucial dans la personnalisation des composants de ROV.

Comment fonctionne la protection cathodique ?

La mécanique de la protection cathodique par l'aluminium en milieu immergé implique la transformation des sites anodiques actifs sur les surfaces métalliques en sites passifs ou cathodiques. Cela est réalisé en fournissant des électrons libres provenant d'une source plus active – les anodes sacrificielles, généralement constituées de métaux hautement actifs par rapport à l'acier. Dans ce système sacrificiel, les anodes en aluminium se corrodent à la place de la structure protégée, prolongeant ainsi considérablement la durée de vie du boîtier et des pièces du ROV.

Comprendre les processus électrochimiques sous-jacents à cette protection est essentiel pour la conception de prototypes de ROV et le développement de ROV personnalisés. L'interaction entre deux métaux dissemblables, en présence d'un électrolyte (eau de mer), initie un flux de courant du site le plus actif (anodique) vers le moins actif (cathodique). L'utilisation d'anodes en aluminium dans ce couple galvanique est un choix stratégique, compte tenu de leur niveau d'activité élevé par rapport à l'acier.

Cette approche garantit l'intégrité structurelle et l'efficacité opérationnelle du ROV, lui permettant d'accomplir des tâches complexes dans des environnements subaquatiques difficiles.

2. Amélioration des performances des outils subaquatiques ROV avec les plastiques techniques

Dans le domaine de la conception de véhicules téléopérés (ROV), l'utilisation de plastiques techniques, notamment le polyoxyméthylène (POM), est cruciale pour améliorer les performances des outils ROV immergés. Ces matériaux, reconnus pour leur légèreté, leur résistance à la corrosion et leur durabilité, sont devenus indispensables dans la construction de châssis de ROV, de buses de propulseurs, de dômes d'objectif de caméra et de diverses pièces structurelles.

Le POM, connu pour sa robustesse et sa longue durée de vie en usure, est particulièrement avantageux dans les applications marines. Ses propriétés de faible frottement éliminent le besoin de lubrification externe, réduisant les besoins de maintenance des équipements ROV. Sa compatibilité avec divers outils subaquatiques et sa résistance aux contraintes environnementales en font un choix privilégié pour la conception de ROV. Les caractéristiques inhérentes du POM, notamment la ténacité, la résistance aux chocs et la capacité à tolérer les vibrations et l'abrasion, s'alignent parfaitement avec les exigences des opérations ROV subaquatiques.

Les plastiques techniques comme le POM, le PC, l'ABS et le PP offrent également une flexibilité de conception. Ils permettent la création de pièces de ROV avec des couleurs et textures de surface variées, offrant des avantages à la fois esthétiques et fonctionnels. De plus, les propriétés isolantes électriques des plastiques protègent les composants électroniques sensibles à l'intérieur du ROV, assurant une fonctionnalité ininterrompue lors des missions sous-marines.

En termes de durabilité en milieu marin, les thermoplastiques techniques présentent un avantage significatif. Nombre de ces matériaux sont recyclables, s'alignant sur l'accent croissant porté à la gestion environnementale dans la conception et le déploiement d'équipements subaquatiques. L'adoption de matériaux recyclables dans la fabrication de ROV réduit l'impact environnemental et soutient les objectifs de durabilité de l'industrie.

3. Choisir la bonne finition de surface pour les pièces de ROV

Les outils subaquatiques doivent fonctionner dans des conditions extrêmes, et la finition de surface joue un rôle significatif dans l'efficacité opérationnelle. Plusieurs finitions de surface critiques sont employées, chacune adaptée aux exigences uniques de l'environnement subaquatique.

• Anodisation : Ce processus électrochimique, souvent appliqué aux composants en aluminium, augmente la résistance à la corrosion et à l'usure. Il est idéal pour les châssis de ROV, l'outillage et les pièces de boîtiers immergés, fournissant une surface durable et non conductrice.
• Revêtement par poudre : Offrant une résistance supérieure à la corrosion, le revêtement par poudre est utilisé pour sa robustesse face à l'environnement marin hostile. Il convient aux composants de ROV plus grands, assurant longévité et attrait esthétique.
• Nickelage chimique : Cette finition fournit une épaisseur de revêtement uniforme, une excellente résistance à la corrosion et une dureté accrue. Elle est particulièrement bénéfique pour l'outillage complexe de ROV et les pièces mécaniques nécessitant des dimensions précises et une haute durabilité.
• Revêtements céramiques : Connus pour leur dureté exceptionnelle et leurs propriétés de barrière thermique, les revêtements céramiques sont utilisés sur les pièces soumises à des températures élevées et des conditions abrasives, telles que les buses de propulseurs.
• Revêtement de conversion chromate : Appliqué principalement aux pièces en aluminium, ce revêtement offre une bonne résistance à la corrosion, une conductivité électrique et une bonne base pour les applications de peinture ultérieures.

L'industrie CNC, avec ses capacités d'usinage de précision, est essentielle pour appliquer ces finitions avec exactitude. La bonne combinaison de ces finitions de surface contribue de manière significative à l'efficacité, la fiabilité et la longévité des ROV immergés.

Comment personnaliser les composants d'équipement ROV avec l'usinage CNC ?

Le ROV se compose d'un système de propulsion sous-marin, d'un système de caméra sous-marine, d'un système d'exploitation et d'un châssis principal. La profondeur de plongée du ROV exige que les matériaux aient une résistance et une résistance à la corrosion suffisantes, la plus grande autonomie nécessite des pièces légères et compactes, et les pièces usinées nécessitent un assemblage et une étanchéité parfaits.

Dans cette section, nous partagerons l'étude de cas sur la façon de personnaliser chaque type de composant ROV.

1. Système de propulsion sous-marin

Le système de propulsion sous-marin du ROV se compose de propulseurs à hélice. Ces hélices fournissent au véhicule la propulsion pour son contrôle de mouvement. Elles offrent une excellente manœuvrabilité et une haute efficacité de propulsion, permettant un ajustement direct des angles de pales et des vitesses de rotation. Généralement, la plupart des ROV ont plusieurs propulseurs, permettant au ROV de se déplacer dans plusieurs directions. Les composants d'une hélice comprennent un moteur d'entraînement, des roulements, un déflecteur et des pales.

Nom	Matériau	Processus (prototype)	Processus (production)	Finition de surface
Moteur d'entraînement (boîtier de protection)	ABS, PC, nylon	Usinage CNC	Moulage par injection	Brut d'usinage
Roulement	SS316	Usinage CNC	Moulage sous pression	Brut d'usinage
Déflecteur d'air	ABS, PC, nylon	Usinage CNC	Moulage par injection	Brut d'usinage
Hélice	Alliage d'aluminium	Usinage CNC	Moulage sous pression	Sablage / Anodisation

Le moteur d'entraînement et le déflecteur sont tous deux faits d'ABS, PC et nylon, qui ont une résistance aux chocs et une résistance supérieures. Les roulements sont en matériau SS316. Les roulements en acier inoxydable résistent à la rouille, présentent une haute résistance à la corrosion et peuvent s'adapter à l'environnement des grands fonds, assurant une longue durée de vie aux composants.

La clé de la fabrication des composants d'hélice est l'hélice elle-même. Le matériau de l'hélice peut être un alliage d'aluminium ou du POM, possédant une haute résistance, une haute résistance à l'usure et une résistance à la corrosion, adapté à une utilisation sous-marine.

Il est nécessaire de s'assurer que l'hélice fabriquée possède une haute précision d'usinage, une bonne finition de surface et est légère pour améliorer l'efficacité et les performances du ROV. La précision de surface de l'hélice est un facteur clé pour le contrôle vectoriel de plusieurs hélices, nécessitant souvent une liaison précise à cinq axes pour un usinage de surface parfait.

Après traitement, la précision est déterminée en scannant la différence de surface à l'aide d'un scanner 3D. Les pales d'hélice, après usinage, nécessitent un polissage manuel pour atteindre une rugosité de surface inférieure à Ra 0,8 µm. Une surface lisse peut réduire la résistance à l'écoulement de l'eau, diminuer les frottements nuisibles et augmenter la durée de vie de l'hélice.

2. Châssis principal

Le châssis principal du ROV est principalement composé d'un cadre, d'une cabine résistante à la pression et d'un compartiment à batterie, qui joue un rôle dans la protection des composants internes essentiels.

Nom	Matériau	Processus (prototype)	Processus (production)	Finition de surface
Cadre	SS304	Usinage CNC	Moulage sous pression	Brut d'usinage
Cabine résistante à la pression	AL6061-T4	Usinage CNC	Moulage sous pression	Anodisation dure
Boîtier du compartiment à batterie	Alliage d'aluminium	Usinage CNC	Moulage sous pression	Anodisation dure

La structure globale du cadre du ROV est soudée en acier inoxydable. La structure de type cadre a un grand espace interne, suffisant pour installer d'autres composants essentiels. Le SS304 a une excellente résistance à la corrosion, résistant aux agents corrosifs dans l'eau de mer. Il a également une haute résistance et durabilité, lui permettant de supporter des conditions marines difficiles, telles que l'humidité élevée, les changements de température et les chocs mécaniques.

La chambre de pression est en AL6061-T4. Le tube en aluminium de précision 6061-T4 est fait d'aluminium de haute qualité, offrant une excellente résistance à l'usure et à la corrosion. Comparé à d'autres matériaux métalliques, l'application de l'AL6061-T4 peut réduire le poids global du ROV, améliorant la vitesse de propulsion et les performances globales du ROV. Pendant la phase de production, l'achat de tubes creux AL6061-T4 pour le traitement peut économiser les coûts de matériau.

La technologie avancée alimentée par batterie permet au ROV d'être autonome et portable sans être physiquement contrôlé par des câbles. Le compartiment à batterie du ROV utilise un boîtier en alliage d'aluminium solide et étanche pour protéger la batterie lithium interne. Une fois complètement chargé, le ROV peut fonctionner normalement pendant 8 à 10 heures.

3. Système d'imagerie auxiliaire sous-marin

Le système d'imagerie auxiliaire sous-marin du ROV se compose principalement d'une caméra sous-marine et d'un sonar d'imagerie. Les caméras sous-marines servent à la fois de dispositifs de navigation et d'observation/mesure, tandis que le sonar d'imagerie peut détecter le terrain sous-marin ou des objets complexes à l'aide d'ondes sonores, ce qui est particulièrement utile pour éviter les gros obstacles.

La caméra haute définition de la caméra sous-marine est située dans la cabine de détection. L'extrémité avant de la cabine de détection est équipée d'un objectif semi-circulaire pour répondre aux exigences de transmission de lumière de la caméra interne. La cabine de détection et l'objectif semi-circulaire sont tous deux traités par CNC.

Nom	Matériau	Processus (prototype)	Processus (production)	Finition de surface
Cabine de détection	Alliage d'aluminium / POM	Usinage CNC	Moulage sous pression / Moulage par injection	Anodisation dure / Brut d'usinage
Résine	Impression 3D (SLA)	Matériaux bruts
Objectif semi-circulaire	PMMA translucide	Usinage CNC	Moulage par injection	Poli transparent
Résine translucide	Impression 3D (SLA)	Poli transparent

Avant la production formelle, nous pouvons utiliser l'impression 3D et les services d'usinage CNC pour les tests de prototype de la cabine de détection et de l'objectif semi-circulaire. L'impression 3D permet la production rapide de prototypes pour vérifier la structure de base et les dimensions. Cependant, la précision d'usinage de l'impression 3D n'est pas élevée, et le matériau est relativement cassant et non résistant à la pression. L'effet de transparence de l'objectif semi-circulaire fabriqué par impression 3D est également inférieur à celui de l'usinage CNC. Pour atteindre un assemblage précis et une étanchéité imperméable, l'usinage CNC est toujours nécessaire.

Le prototypage par usinage CNC permet à la chambre de détection d'être faite soit en alliage d'aluminium, soit en POM. Le POM et l'alliage d'aluminium anodisé ont une haute résistance, une haute résistance à l'usure et une résistance à la corrosion, satisfaisant l'environnement sous-marin à haute pression. Pour intégrer une variété de capteurs acoustiques et optiques, la structure du module de cabine de détection est compacte ; en même temps, un assemblage précis et une étanchéité doivent être assurés.

Il y a des exigences strictes pour la tolérance de surface d'assemblage et la finition de surface. La tolérance de surface d'assemblage doit atteindre ±0,025 mm, et la rugosité de surface doit atteindre Ra 0,8 µm. L'objectif semi-circulaire utilise du matériau PMMA, et la surface doit être polie manuellement entre Ra 0,02 µm et Ra 0,04 µm pour répondre aux exigences de résistance à la pression et de transmission de lumière pour les caméras internes.

4. Système d'exploitation

Les ROV de classe travail peuvent être équipés de bras manipulateurs pour l'opération. Les bras manipulateurs à entraînement hydraulique sont largement utilisés dans les opérations en eaux profondes, offrant de robustes capacités de charge et des mouvements fluides qui améliorent l'efficacité opérationnelle et réduisent les coûts de main-d'œuvre. Les bras manipulateurs hydrauliques sont principalement composés d'un corps de bras, d'une flèche, d'un arbre d'entraînement et d'une pince.

Nom	Matériau	Processus (prototype)	Processus (production)	Finition de surface
Corps du bras	AL 7075	Usinage CNC	Moulage sous pression	Anodisation dure
Flèche	SS304	Usinage CNC	Moulage sous pression	Brut d'usinage
Arbre d'entraînement	SS304	Usinage CNC	Moulage sous pression	Brut d'usinage
Pince	SS304	Usinage CNC	Moulage sous pression	Brut d'usinage

Le corps du manipulateur est fait de matériau AL7075, connu pour sa légèreté, sa réactivité rapide, sa haute résistance et sa résistance à la corrosion améliorée grâce à son traitement de surface par anodisation dure. La structure du bras, l'arbre d'entraînement et la pince sont tous en SS304, qui est résistant à la corrosion, haute résistance et facile à nettoyer et à entretenir. Après les opérations, le bras robotique peut être nettoyé à l'eau.

Les manipulateurs à entraînement hydraulique se caractérisent par leur petite taille, leur légèreté, leur faible inertie, leur structure compacte et leur flexibilité d'agencement. Les points clés du traitement du manipulateur à entraînement hydraulique sont la précision d'ajustement de l'axe de trou et les exigences de finition de surface. La tolérance de trou de l'arbre d'entraînement du bras robotique est H7, tandis que la rugosité de surface des pièces doit atteindre Ra 0,8 µm. Un usinage de haute précision et des surfaces lisses peuvent réduire l'usure du bras robotique et prolonger sa durée de vie.

Défis d'usinage des ROV

La conception et la fabrication d'équipements subaquatiques présentent plusieurs défis que l'industrie CNC doit relever pour obtenir des résultats optimaux.

1. Maintenir la durabilité avec la précision

Un défi majeur dans la conception de ROV est d'assurer la durabilité du cadre et des composants, compte tenu des impacts fréquents et des environnements à haute pression qu'ils endurent. Les machines CNC excellent dans la fabrication de parois et de coins de cadre avec une précision extrême, un facteur clé pour préserver la structure globale contre les environnements marins hostiles.

De plus, la création de trous et sections personnalisés, et le maintien d'une épaisseur appropriée sont vitaux pour la durabilité du ROV. La précision dans ces processus garantit que les composants du ROV, y compris le cadre, peuvent résister aux impacts répétés typiques lors de l'exploration sous-marine.

C'est parce que les trous et sections personnalisés, usinés selon des spécifications exactes, distribuent les contraintes plus uniformément à travers la structure, réduisant la probabilité de défaillance sous pression ou impact. Le maintien de l'épaisseur requise dans les zones clés renforce encore la résilience structurelle des ROV, assurant qu'ils restent robustes et fiables pendant les opérations.

2. Isolation électrique et étanchéité appropriées

Dans la fabrication de ROV, l'étanchéité et l'isolation électrique sont critiques.

Les thermoplastiques techniques comme le polyoxyméthylène (POM) jouent un rôle important dans l'isolation électrique et l'étanchéité des ROV. Le POM possède des propriétés inhérentes de faible absorption d'eau et peut maintenir son intégrité sous pression et dans des environnements salins. Cela assure la longévité des systèmes électriques et empêche l'infiltration d'eau, ce qui est crucial pour la fiabilité opérationnelle des ROV sous-marins.

3. Répondre aux exigences personnalisées

La personnalisation des ROV pour répondre à des exigences opérationnelles spécifiques pose des défis importants. Le processus de développement commence généralement par la modélisation 3D, suivie de tests rigoureux, y compris l'analyse par éléments finis (AEF) et l'analyse structurelle. Cette approche identifie les faiblesses potentielles et permet des ajustements avant la production.

L'usinage de pièces complexes de ROV nécessite l'utilisation de machines 5 axes intégrées. Ces machines facilitent l'usinage de précision de pièces complexes, garantissant que chaque composant répond aux spécifications exactes de la conception personnalisée du ROV. Une telle précision est vitale pour l'intégration réussie de toutes les fonctionnalités dans un ROV, assurant sa fonctionnalité et sa fiabilité dans diverses tâches subaquatiques.

Conclusion

La conception et l'usinage de pièces de ROV exigent précision, durabilité et personnalisation pour relever les défis uniques des environnements subaquatiques. Relever ces défis nécessite une approche méticuleuse de la sélection des matériaux, des techniques d'usinage et des tests de conception. Pour ceux qui cherchent à naviguer dans ces complexités dans la conception et l'usinage de pièces de ROV, il est vivement recommandé de consulter des experts du domaine pour garantir une performance et une fiabilité optimales des systèmes ROV.