Optimisation de la conception des outils ROV sous-marins :personnalisation, matériaux et résistance à la corrosion

Le processus complexe de conception et de personnalisation des véhicules télécommandés (ROV) exploite la précision et la flexibilité de l’industrie CNC. L'usinage de pièces de ROV exige une attention particulière aux détails, en particulier la résistance à la corrosion des boîtiers sous-marins en aluminium, et la sélection stratégique de matériaux comme les plastiques techniques, connus 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 approfondissons les aspects techniques du déploiement réussi de véhicules télécommandés dans des environnements sous-marins. Explorons !

La conception de véhicules télécommandés et d'outils sous-marins nécessite une prise en compte attentive de plusieurs facteurs, notamment la protection contre la corrosion, la sélection des matériaux et la finition de surface.

1. Protection contre la corrosion dans la production de boîtiers sous-marins en aluminium

Les boîtiers sous-marins de ROV font partie des composants les plus cruciaux d’un ROV, protégeant les composants électroniques critiques et les mécanismes internes. La protection contre la corrosion est particulièrement essentielle dans la fabrication de boîtiers sous-marins, où les matériaux tels que l'aluminium sont prédominants.

Pour garantir la longévité et la fonctionnalité des composants, y compris les cadres, les outils et les accessoires, une double approche de la protection contre la corrosion est généralement utilisée :protection par revêtement et protection cathodique, avec un accent particulier sur la protection cathodique en aluminium pour les pièces sous-marines du ROV.

Revêtement de protection contre la corrosion

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

Protection cathodique

Le revêtement seul ne suffit pas pour assurer une protection complète des boîtiers sous-marins. Cette insuffisance fait jouer le rôle critique de la protection cathodique, notamment de la protection cathodique en aluminium. L'aluminium est une anode sacrificielle efficace avec un potentiel d'environ -1,05. Lorsqu'elles sont déployées 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 du ROV.

Comment fonctionne la protection cathodique ?

La mécanique de la protection cathodique de l'aluminium dans les environnements sous-marins implique la transformation des sites anodiques actifs sur les surfaces métalliques en sites passifs ou cathodiques. Ceci est réalisé en fournissant des électrons libres à partir 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 qui sous-tendent cette protection est essentiel pour la conception de prototypes de ROV et le développement d'un ROV personnalisé. L'interaction entre les deux métaux différents, en présence d'un électrolyte (eau salée), initie un flux de courant des sites les plus actifs (anodiques) vers les sites les moins actifs (cathodiques). Utiliser des 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'effectuer des tâches complexes dans des environnements sous-marins difficiles.

2. Améliorer les performances des outils sous-marins ROV avec des plastiques techniques

Dans le domaine de la conception de véhicules télécommandés (ROV), l'utilisation de plastiques techniques, en particulier le polyoxyméthylène (POM), est essentielle pour améliorer les performances des outils ROV sous-marins. Ces matériaux, reconnus pour leur légèreté, leur résistance à la corrosion et leur durabilité, sont devenus indispensables dans la construction des cadres de ROV, des tuyères de propulseur, des dômes d'objectif de caméra et de diverses pièces structurelles.

Le POM, connu pour sa robustesse et sa longue durée de vie, est particulièrement avantageux dans les applications marines. Ses propriétés de faible friction éliminent le besoin de lubrification externe, réduisant ainsi les besoins de maintenance des équipements ROV. Sa compatibilité avec divers outils sous-marins et sa résistance aux facteurs de stress environnementaux 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 sous-marines des ROV.

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 ROV avec des couleurs et des textures de surface variées, offrant des avantages à la fois esthétiques et fonctionnels. De plus, les propriétés d'isolation électrique des plastiques protègent les composants électroniques sensibles du ROV, garantissant ainsi une fonctionnalité ininterrompue pendant les missions sous-marines.

En matière de durabilité de l’environnement marin, les thermoplastiques techniques présentent un avantage significatif. Beaucoup de ces matériaux sont recyclables, ce qui correspond à l’attention croissante accordée à la gestion de l’environnement dans la conception et le déploiement d’équipements sous-marins. L'adoption de matériaux recyclables dans la fabrication des ROV réduit l'impact environnemental et soutient les objectifs de développement durable de l'industrie.

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

Les outils sous-marins doivent fonctionner dans des conditions extrêmes et la finition de surface garantit de manière significative l’efficacité opérationnelle. Plusieurs finitions de surface critiques sont utilisées, chacune adaptée aux exigences uniques de l'environnement sous-marin.

• Anodisation : Ce processus électrochimique, souvent appliqué aux composants en aluminium, augmente la résistance à la corrosion et la résistance à l'usure. Il est idéal pour les cadres de ROV, les outils de ROV et les pièces de boîtier sous-marin, offrant une surface durable et non conductrice.
• Revêtement en poudre : Offrant une résistance supérieure à la corrosion, le revêtement en poudre est utilisé pour sa robustesse face aux environnements marins difficiles. Il convient aux composants ROV plus grands, garantissant longévité et attrait esthétique.
• Placage autocatalytique au nickel : Cette finition offre une épaisseur de revêtement uniforme, une excellente résistance à la corrosion et une dureté accrue. Il est particulièrement avantageux pour les outils complexes de ROV et les pièces mécaniques qui nécessitent des dimensions précises et une grande durabilité.
• Revêtements céramiques : Connus pour leur dureté exceptionnelle et leurs propriétés de barrière thermique, les revêtements céramiques sont utilisés dans les pièces soumises à des températures élevées et à des conditions abrasives, telles que les buses de propulseurs.
• Revêtement de conversion au chromate : Appliqué principalement sur les pièces en aluminium, ce revêtement offre une bonne résistance à la corrosion, une bonne conductivité électrique et une bonne base pour les applications ultérieures de peinture.

L'industrie CNC, avec ses capacités d'usinage de précision, joue un rôle déterminant dans l'application précise de ces finitions. La bonne combinaison de ces finitions de surface contribue de manière significative à l’efficacité, à la fiabilité et à la longévité des ROV sous-marins.

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

Le ROV se compose d'un système de propulsion sous-marine, 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, plus l'endurance est longue, les pièces doivent être légères et compactes, et les pièces traitées 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-marine

Le système de propulsion sous-marine du ROV est constitué de propulseurs à hélices. Ces hélices fournissent au véhicule la propulsion nécessaire à son contrôle de mouvement. Ils offrent une excellente maniabilité et une efficacité de propulsion élevée, permettant un réglage direct des angles des pales et des vitesses de rotation. Généralement, la plupart des ROV disposent de plusieurs propulseurs, ce qui leur permet de se déplacer dans plusieurs directions. Les composants d'une hélice comprennent un moteur d'entraînement, des roulements, un déflecteur et des pales.

Nom

Matériel

Processus（prototype)

Processus (production)

Finition de surface

Moteur d'entraînement (coque de protection)

ABS, PC, nylon

Usinage CNC

Moulage par injection

Comme usiné

Roulement

SS316

Usinage CNC

Moulage sous pression

Comme usiné

Déflecteur d'air

ABS, PC, nylon

Usinage CNC

Moulage par injection

Comme usiné

Hélice

Alliage d'aluminium

Usinage CNC

Moulage sous pression

Ponçage/Anodisation

Le moteur d'entraînement et le déflecteur sont tous deux fabriqués à partir de matériaux ABS, PC et nylon, qui offrent une résistance aux chocs et une résistance supérieures. Les roulements sont en matériau SS316. Les roulements en acier inoxydable sont résistants à la rouille, présentent une résistance élevée à la corrosion et peuvent s'adapter à l'environnement marin profond, garantissant une longue durée de vie aux composants.

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

Il est nécessaire de garantir que l'hélice fabriquée possède une précision de traitement élevée, une bonne finition de surface et qu'elle est légère pour améliorer l'efficacité et les performances du ROV. La précision de la 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 parfait de la surface.

Après traitement, la précision est déterminée en scannant la différence de surface à l'aide d'un scanner 3D. Les pales de l'hélice, après usinage, nécessitent un polissage manuel pour obtenir une rugosité de surface inférieure à Ra0,8 μm. Une surface lisse peut réduire la résistance à l'écoulement de l'eau, diminuer les frottements nocifs et augmenter la durée de vie de l'hélice.

2. Cadre principal

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

Nom

Matériel

Processus（prototype)

Processus (production)

Finition de surface

Cadre

SS304

Usinage CNC

Moulage sous pression

Comme usiné

Cabine résistante à la pression

AL6061-T4

Usinage CNC

Moulage sous pression

Anodisé dur

Coque du compartiment à piles

Alliage d'aluminium

Usinage CNC

Moulage sous pression

Anodisé dur

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

La chambre de pression est en AL6061-T4. Le tube en aluminium de précision 6061-T4 est fabriqué en aluminium de haute qualité, offrant une excellente résistance à l'usure et à la corrosion. Par rapport à d'autres matériaux métalliques, l'application de l'AL6061-T4 peut réduire le poids total du ROV, améliorant ainsi 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 réduire les coûts de matériaux.

La technologie avancée alimentée par batterie permet au ROV d’être autonome et portable sans être physiquement contrôlé par des attaches. Le compartiment à batterie du ROV utilise un boîtier en alliage d'aluminium solide et étanche pour protéger la batterie au 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 un terrain sous-marin ou des objets complexes à l'aide d'ondes sonores, ce qui est particulièrement utile pour éviter de grands 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'une lentille semi-circulaire pour répondre aux exigences de transmission lumineuse de la caméra interne. La cabine de détection et la lentille en demi-cercle sont toutes deux traitées par CNC.

NomMatériauProcessus (prototype)Processus (production)Finition de surfaceCabine de détectionAlliage d'aluminium/ POMCUsinage CNCCoulage sous pression/ Moulage par injectionAnodisation dureTelle qu'usinéeRésineImpression 3D (SLA)Matières premièresLentille semi-circulaireTranslucide PMMAUsinage CNCMoulage par injectionPolish transparentRésine translucideImpression 3D (SLA) Polish transparent

Avant la production formelle, nous pouvons utiliser les services d’impression 3D et d’usinage CNC pour tester les prototypes de la cabine de détection et de la lentille semi-circulaire. L'impression 3D permet la production rapide de prototypes pour vérifier la structure et les dimensions de base. Cependant, la précision d’usinage de l’impression 3D n’est pas élevée et le matériau est relativement fragile et peu résistant à la pression. L'effet de transparence de la lentille en demi-cercle fabriquée par impression 3D est également inférieur à celui de l'usinage CNC. Pour obtenir un assemblage précis et une étanchéité étanche, l'usinage CNC est toujours nécessaire.

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

Il existe des exigences strictes en matière de tolérance et de finition de surface d'assemblage. La tolérance de la surface de l'assemblage doit atteindre ±0,025 mm et la rugosité de la surface doit atteindre Ra0,8 μm. L'objectif en demi-cercle utilise un 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 la lumière pour les caméras internes.

4. Système d'exploitation

Les ROV de travail peuvent être équipés de bras manipulateurs pour leur fonctionnement. Les bras manipulateurs à entraînement hydraulique sont largement utilisés dans les opérations en haute mer, offrant des capacités de charge robustes et des mouvements fluides qui améliorent l'efficacité opérationnelle et réduisent les coûts de main-d'œuvre. Les bras du manipulateur hydraulique sont principalement composés d'un corps de bras, d'un châssis de flèche, d'un arbre d'entraînement et d'une poignée.

Nom

Matériel

Processus（prototype)

Processus (production)

Finition de surface

Corps de bras

AL 7075

Usinage CNC

Moulage sous pression

Anodisation dure

Boum

SS304

Usinage CNC

Moulage sous pression

Comme usiné

Arbre de transmission

SS304

Usinage CNC

Moulage sous pression

Comme usiné

Poignée

SS304

Usinage CNC

Moulage sous pression

Comme usiné

Le corps du bras du manipulateur est fabriqué en matériau AL7075, connu pour sa légèreté, sa réponse rapide, sa haute résistance et sa résistance améliorée à la corrosion grâce à son traitement de surface anodisé dur. La structure du bras, l'arbre d'entraînement et la poignée sont tous en SS304, qui est résistant à la corrosion, à 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 poids léger, leur faible inertie, leur structure compacte et leur disposition flexible. Les points clés du traitement avec le manipulateur à entraînement hydraulique sont la précision correspondante de l'axe du trou et les exigences de finition de surface. La tolérance des trous de l'arbre d'entraînement du bras du robot est H7, tandis que la rugosité de surface des pièces doit atteindre Ra0,8 μm. Un usinage de haute précision et des surfaces lisses peuvent réduire l'usure du bras du robot et prolonger sa durée de vie.

Les défis de l'usinage des ROV

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

1. Maintenir la durabilité avec précision

Un défi primordial dans la conception d’un ROV consiste à garantir la durabilité du châssis et des composants, compte tenu des impacts fréquents et des environnements à haute pression qu’ils subissent. Les machines CNC excellent dans la fabrication de murs et de coins de cadre avec la plus grande précision, un facteur clé dans la préservation de la structure globale contre les environnements marins difficiles.

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

En effet, les trous et sections personnalisés, usinés selon des spécifications exactes, répartissent les contraintes plus uniformément sur la structure, réduisant ainsi le risque de défaillance sous pression ou impact. Le maintien de l'épaisseur requise dans les zones clés améliore encore la résilience structurelle des ROV, garantissant 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 essentielles.

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 garantit la longévité des systèmes électriques et empêche les infiltrations 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 une modélisation 3D, suivie de tests rigoureux, notamment l'analyse par éléments finis (FEA) et l'analyse structurelle. Cette approche identifie les faiblesses potentielles et permet des ajustements avant la production.

L’usinage de pièces ROV complexes nécessite l’utilisation de machines intégratives à 5 axes. 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 essentielle pour intégrer avec succès toutes les fonctionnalités d'un ROV, garantissant ainsi sa fonctionnalité et sa fiabilité dans diverses tâches sous-marines.

Conclusion

La conception et l'usinage de pièces pour ROV exigent précision, durabilité et personnalisation pour relever les défis uniques des environnements sous-marins. 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 ROV, il est fortement recommandé de consulter des experts dans le domaine pour garantir des performances et une fiabilité optimales des systèmes ROV.