Manufaktur Aditif Meningkatkan Fleksibilitas dan Efisiensi dalam Struktur Laut Besar

Kemampuan untuk membangun iterasi bagian yang berbeda dengan cepat — tanpa harus mengembangkan atau membeli alat cetak khusus yang mahal — adalah sebabnya manufaktur aditif (AM) sering digunakan dalam prototipe bagian. Namun, seiring dengan berkembangnya material dan teknologi pencetakan, lebih banyak perusahaan mampu memperluas kecepatan dan kemampuan serba guna AM ke bagian akhir juga, terutama untuk aplikasi pendek atau satu satuan tempat kemampuan untuk menghasilkan desain baru dengan cepat adalah aset.

Baru-baru ini, dua perusahaan telah menunjukkan bahwa teknologi AM komposit dapat menjadi solusi yang memungkinkan untuk menyesuaikan struktur laut besar seperti kendaraan bawah air otonom (AUV) dan motorboat.

Pencetakan 3D skala besar untuk produksi AUV yang dapat disesuaikan

Kendaraan bawah air otonom adalah jenis kendaraan robotik tanpa awak yang mampu bepergian di bawah air tanpa koneksi fisik ke kapal atau kontrol jarak jauh dari operator manusia, dan sering dilengkapi dengan kamera atau sensor untuk berbagai kasus penggunaan di pertahanan, penelitian samudera atau aplikasi survei pantai. Secara tipikal, badan luar AUV terdiri dari satu tabung tekanan logam besar, atau dibangun dari plastik termoformasi atau komposit. Kedua opsi, namun, memerlukan pengembangan dan pembelian alat cetak khusus, yang dapat mahal dan membatasi jumlah kustomisasi yang dapat diakomodasi untuk pelanggan AUV. Produsen AUV Dive Technologies (Quincy, Massachusetts, AS) telah menemukan bahwa pencetakan 3D komposit memecahkan banyak keterbatasan manufaktur tradisional.

Pada tahun 2018, pendiri bersama Dive Technologies Bill Lebo, Jerry Sgobbo dan Sam Russo memutuskan untuk mendirikan perusahaan mereka sendiri untuk merancang dan meluncurkan AUV baru yang lebih canggih yang memenuhi kebutuhan pelanggan untuk daya tahan lama dan kapasitas muatan besar.

Apa yang dikembangkan oleh mereka dan tim mereka adalah DIVE-LD, AUV komersial panjang 19 kaki, diameter 4 kaki yang mampu menyelam hingga 6.000 meter dan bepergian hingga 500 mil, membawa muatan hingga 1 meter kubik. Awalnya tim mengasumsikan bahwa struktur akhir untuk kendaraannya akan menggunakan plastik termoformasi untuk badan luar. Untuk menjelajahi dan menguji desain, Dive Technologies berbicara dengan Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, AS) tentang penggunaan pencetakan 3D untuk prototipe cepat. Melalui ORNL, tim Dive diperkenalkan pada spesialis manufaktur aditif skala besar (LFAM) Additive Engineering Solutions (AES, Akron, Ohio, AS), dan mulai bekerja dengan tim AES pada proses manufaktur untuk bentuk badan AUV mereka.

Selama bekerja pada prototipe tercetak 3D, Dive Technologies menyadari potensi LFAM untuk menghasilkan komponen selesai dengan cepat, bukan hanya prototipe. Tidak hanya komponen prototipe tercetak 3D memenuhi persyaratan bagian lebih baik dari yang diharapkan, tetapi mengadopsi AM untuk kendaraan produksi juga akan menghemat biaya alat cetak, memungkinkan Dive untuk menghasilkan produk akhir lebih cepat daripada menggunakan metode tradisional dan memungkinkan tingkat kustomisasi cepat yang lebih tinggi untuk pelanggan.

Badan luar DIVE-LD terdiri dari sembilan fairing berbentuk tabung yang dicetak menggunakan salah satu dari empat printer 3D Big Area Additive Manufacturing (BAAM) Cincinnati Inc. (Cincinnati, Ohio, AS) milik AES. Fairing ini dicetak dari ABS terisi serat potongan yang disuplai oleh Sabic (Riyadh, Arab Saudi). Menurut pendiri bersama dan VP AES, Andrew Bader, AES dapat mencetak semua bagian untuk badan lengkap dalam kurang dari dua hari. Setelah diterima di Dive, fairing tercetak 3D dipasang secara mekanis menggunakan empat pengikat per fairing, dan dilapisi untuk menghasilkan permukaan luar yang halus dan hidrodinamis. Setelah pengujian awal yang sukses pada tahun 2020, Dive sedang membangun kendaraan pelanggan pertama musim semi ini dan akan menyerahkan pesanan pertama pada Juni 2021.

Menurut Russo, AM telah menjadi bagian inti dari proposisi nilai Dive Technologies untuk kendaraan dan produk di masa depan. Kemitraan dengan Dive juga merupakan langkah besar bagi AES dan pencetakan 3D komposit. Bader menambahkan: "Biasanya saat orang berpikir tentang pencetakan 3D, mereka berpikir tentang prototipe, peralatan dan alat cetak, jadi ini menunjukkan apa yang lainnya yang dapat dilakukan oleh pencetakan 3D."

Untuk membaca lebih lanjut tentang Dive Technologies dan AES, baca "Large-format 3D printing enables toolless, rapid production for AUVs."

Pencetakan 3D serat kontinu dan otomatisasi untuk desain motorboat serba guna

Sejak mematenkan proses manufaktur serat kontinu (CFM) pada tahun 2015, Moi Composites (Milan, Italia) telah menjelajahi berbagai aplikasi untuk teknologi pencetakan 3D serat kontinu berbasis deposisi CFM-nya. Ciri khas CFM mencakup perangkat lunak desain kustom Moi Composites, penggunaan lengan robot, pengeringan UV dan manufaktur "hibrid" — laminasi komposit tradisional di atas inti struktural yang dicetak 3D. Baru-baru ini, perusahaan telah menunjukkan teknologi CFM-nya sebagai solusi untuk desain struktur laut yang lebih hemat biaya, lebih cepat dan lebih inovatif, melalui demonstrator motorboat yang disebut MAMBO.

Menurut Gabriele Natale, pendiri bersama Moi Composites, ia dan pendiri bersama lainnya Michele Tonizzo menghadiri Genoa Boat Show pada tahun 2017 dan menyadari bahwa biaya alat cetak dan proses infusi fiberglass tradisional yang digunakan untuk banyak badan perahu membatasi kemampuan desainer perahu untuk menjelajahi desain baru dan lebih kompleks. Mengenali bahwa teknologi pencetakan 3D serat kontinu tanpa cetakan mereka dapat menjadi solusi yang memungkinkan, Natale berkata, "Dari sana, kami mulai mengembangkan rencana, dan mulai bertemu dengan mitra dalam industri laut."

Perahu MAMBO yang dihasilkan berukuran 6,5 meter panjang x 2,5 meter lebar, dengan berat kering sekitar 800 kilogram, dilengkapi dengan sistem navigasi, lantai korek, kursi kulit putih dan mesin 115 hp. Moi Composites bekerja sama dengan studio rekayasa desain laut MICAD (Lecce, Italia) pada konsep desain struktural untuk perahu, yang menggabungkan bentuk organik ke dalam elemen strukturalnya yang diinspirasikan oleh katamaran Arcidiavolo terkenal oleh Sonny Levi. Perangkat lunak Autodesk (San Rafael, California, AS) Fusion 360 CAD dan NETFABB additive manufacturing software digunakan dalam desain dan analisis dinamika fluida komponen.

Badan dan dek perahu, dicetak dari serat kaca E unidirectional yang disuplai oleh Owens Corning (Toledo, Ohio, AS) dan resin vinyl ester, dirancang untuk diproduksi dalam 50 bagian individu dengan ukuran bervariasi. Setengah bagian dicetak di fasilitas Moi Composites di Milan, dan setengah lagi di fasilitas Autodesk Advanced Manufacturing Facility (ACF) di Birmingham, Inggris. Teknologi pencetakan 3D CFM dan robot Kuka (Augsburg, Jerman) ganda digunakan di kedua fasilitas. Menurut Dominique Müller, manajer penelitian tim manufaktur aditif di Autodesk, sistem CFM di pusat teknologi Autodesk memungkinkan perahu dicetak dengan cepat, dan juga memungkinkan Autodesk untuk lebih mengenal teknologi yang Moi dorong secara jarak jauh menggunakan perangkat lunak Autodesk. Total waktu cetak untuk semua komponen sekitar dua bulan.

Bagian yang dicetak dikirimkan ke kapal Catmarine di Miggiano, Italia, tempat mereka dipasang bersama dan dilekatkan secara adesif. Dalam proses manufaktur hibrid yang mirip dengan apa yang Moi gunakan dengan protetik dan bagian lainnya, seluruh badan kemudian dilaminasi melalui hand layup dengan lapisan tambahan fiberglass/polyster yang diintipi busa PVC, yang, kata Natale, bervariasi ketebalannya di seluruh struktur. Setelah badan dan dek sepenuhnya dirangkai, digosongkan dan dilapisi gel-coat, mitra Moi Composites melengkapi perahu dengan sistem propulsi, navigasi dan sistem lainnya untuk menyelesaikan perahu.

Percobaan laut awal dan uji stabilitas dilakukan pada musim gugur 2020, dengan MAMBO mencapai hingga 26 simpul; Moi Composites berencana untuk melanjutkan percobaan laut pada musim panas 2021 menuju sertifikasi perahu.

"Manufaktur aditif, digitalisasi dan otomatisasi dapat mempercepat penciptaan konsep baru dan proyek futuristik, karena untuk setiap perahu yang ingin Anda desain, Anda perlu membuat cetakan baru. Menggunakan teknologi ini, Anda dapat dengan mudah memodifikasi model 3D Anda dan mencetaknya lagi. Ini sempurna terutama untuk perahu pendek atau satu satuan," kata Natale.

Untuk informasi lebih lanjut tentang MAMBO, baca "MAMBO tests the waters for 3D printing large marine structures."