用於深海修復的 3D 列印水下機器人

對於在水上或水下作業的海洋產業，例如漁業、水產養殖業或離岸風電場，一切都變得複雜起來。不斷變化且往往惡劣的環境，使得供應鏈問題、維修、維護和日常營運更具挑戰性。

3D 列印技術使製造複雜、客製化的防水零件成為可能，其應用前景幾乎無限廣闊。防水 3D 列印零件已被用於製造引擎組件、研究工具、螺旋槳葉片、深海潛水設備零件等。新思維層出不窮，但成功的產品仍需要正確的設計流程、廣泛的測試以及強大的工具，才能使其在水下惡劣環境中穩定運作。

南大洋海底公司（SoSub）是一家水下機器人設計和製造商，多年來致力於開發用於水下作業的機器人工具。SoSub 與 Formlabs 的合作夥伴 ThingLab 合作，利用一台 Form 3 和四台 Form 3L 列印機來製造複雜的機器人系統。

SoSub 創辦人 Kelsey Treloar 和工程師 Miles Lewis 降低了客製化解決方案（例如他們的遙控水下航行器（ROV））的開發成本和交付週期。如果沒有 3D 列印技術，製造像他們這樣複雜的防水機器人系統幾乎是不可能的，而 3D 列印技術使他們能夠繞過傳統製造方式對新創企業成功的種種阻礙。

「3D 列印消除了製造環節的瓶頸。瓶頸變成了我們自身的想像——我們必須為棘手的問題想出一個有趣的解決方案，所以問題不再是『這是否可行』，而是『我們能否想出這個方案』。這對於現代工程師來說是一種特權，」Lewis 說。

維護並確定市場契合度

SoSub 的 ROV 最初是為了解決 Treloar 多次遇到的問題而構思的——修復商業漁網的過程繁瑣且可能存在危險，必須要有機器人解決方案。

Treloar 並非一開始就致力於開發 ROV 和設計新型水下技術。最初，SoSub 是一家專門從事漁業設備和水下機械維護與修繕的公司。Treloar 發現他們一次又一次地被召喚去修復工業漁網和設備，執行需要潛水員在水下手工縫合漁網的勞力密集型作業。這類手動重複性工作在陸地上早已由機器人技術解決，但海洋環境增加了額外的複雜性和成本。現有解決方案可能耗資數十萬美元，通常只有資金雄厚的研究探險隊才能負擔。

Treloar 開始嘗試——他自學了 CAD，並開始尋找不同的方法來製造他所設計的防水零件。「我們開始尋找非資源密集型的製造方式，一種對我們這樣的公司來說在經濟上可行的方式。先從 FDM 3D 列印機開始，然後探索其他方法，」Treloar 說。

修復漁網可能很危險——機器人系統降低了人類潛水員的風險，而 3D 列印使這些機器人系統對於聘用 SoSub 的漁業公司而言具有成本效益。

合適的技術

FDM 3D 列印外殼（如左圖所示）不具防水性，因為 FDM 3D 列印零件的線材層之間存在微小間隙。

FDM 技術馬上就帶來了挑戰。FDM 列印機無法製造防水零件——層與層之間未形成化學鍵結的微小間隙會讓水滲入，尤其當水面以下的深度增加、壓力增大時更為明顯。

幸運的是，一位同事有使用 SLA 3D 列印機的經驗。「他堅信樹脂技術已足夠成熟，所以我們採用了它，結果非常成功。我目前還沒見過其他技術能做到這一點，若沒有它，我們根本無法開發出這些零件，」Treloar 說。

自從開始使用樹脂 3D 列印機以來，SoSub 已將其 3D 列印機陣容擴充至四台大型 Form 3L SLA 列印機和一台 Form 3 桌面機型。「這些列印機為我們從事這項工作奠定了基礎，」Lewis 說。

水下零件：迎接挑戰

水下機器人所需的零件必須能夠承受反覆負荷、維持嚴格公差，並達到精確的尺寸精度，以便能夠組裝成整體，並通過 O 形環緊密密封，不留任何因凸起、稜邊、層紋或列印瑕疵造成的間隙。符合上述規格的零件傳統上由金屬加工或射出成型製造，但委外加工費用高昂，往往需要數週乃至數月時間。

3D 列印為 Lewis 和 Treloar 提供了一種方法，可以設計、製作原型並測試能模擬射出成型塑料甚至加工塑料的零件。

Formlabs 的材料不僅能達到這些最終使用零件所需的光滑表面，還能承受水下作業的壓力。SoSub 已將以 Rigid 10K Resin、Tough 2000 Resin 和 Grey Resin 列印的外殼評定為即使在數百米深處也具備防水性。「我們拿了一台售價 100 美元的現成小型伺服器，並 3D 列印了一個外殼。它的表現大幅超出我們的預期，被帶到了 600 米深處。你可以在半天內製造出一個額定深度 600 米的海底伺服器致動器，」Lewis 說。另一個 Rigid 10K Resin 外殼也成功在水面以下超過 1000 米處通過測試。

Formlabs 工作流程的一大優勢在於 Autodesk Fusion 360 軟體中針對 Formlabs 樹脂所提供的預估機械性能。「有了 Formlabs 工程材料，他們公開了用於有限元素分析（FEA）模擬的數據。其他材料我們做不到這一點。如果客戶想要其零件的強度估算，我們可以做到，並說：『它應該能承受這個強度。』然後我們再通過測試加以確認，」Lewis 說。

增加複雜度以簡化事物

SoSub 的 Form 3L 3D 列印機讓他們能夠設計、測試並生產防水且尺寸精確的最終使用零件。

除了成本和交付週期之外，SoSub 正在製造傳統工藝因複雜性而無法加工的零件，這也影響了他們創造新零件的方式。為了減少組件中獨立部件的數量，方便操作和使用，SoSub 以增材製造思維進行設計。「傳統機械加工方式根本無法製造的東西，成本會極其高昂。因此你實際上必須轉換思維，讓零件盡可能複雜，將整個部件一次列印出來。你可以直接省去八道製造工序，讓組裝和設計流程都更快、更簡單，」Lewis 說。

魷魚鎖：從設計到最終使用的 3D 列印

Tough 2000 Resin 具有良好的強度和出色的尺寸精度——非常適合用於魷魚鎖主體的防水外殼。

組裝完成的魷魚鎖具有以 Form 3L 使用 Tough 2000 Resin 列印的外殼，以及 3D 列印金屬「齒牙」，用以鎖入漁網。

3D 列印使 SoSub 能夠為複雜問題找到創意解決方案。SoSub 團隊被派往墨爾本郊外的離岸魚場，為一項非常特殊的任務開發 ROV。大型漁網需要從船上拖出並在水中展開，這項工作通常由潛水員完成，勞力密集且重複性高。設計上的難點在於：如何設計一個像人手一樣靈活的致動器，在漁網漂浮於水中時，能夠牢固抓住它。

解決方案就是 SoSub 的「魷魚鎖」——一種能游向漁網、抓住並鎖定浮動網布的機器人零件，可施加約 400 公斤的拉力，而不會撕裂或脫離。「我們在一個半月內，從非常粗略的概念，通過使用 Grey Resin 列印齒牙原型和 Tough 2000 Resin 列印外殼，推進到了接近最終產品的階段。3D 列印讓我們有信心在緊迫的交付週期內真正完成某件事。它讓我們敢於承擔更多設計風險，」Treloar 說。

SoSub 在兩個月內向魚場交付了八個功能完整的魷魚鎖。最終設計的齒牙使用金屬 3D 列印，但外殼仍採用 Tough 2000 Resin。「Grey Resin 在細節呈現上相當出色，而 Tough 2000 Resin 是一種相當強韌的材料，適合用在我們希望兼具細節和更高強度的場合，」Lewis 說。

面向未來的數位計畫

SoSub 才剛開始回應海事行業對可客製化機械的龐大需求。未來，他們正放眼超越端對端解決方案。「最終我們希望每年能達到數百台的產量，屆時我們仍會使用 3D 列印。我們可以讓客戶自行購買列印機，然後向他們銷售設計檔案，這樣一切都可以在現場製造，」Treloar 說。

目前，SoSub 完整列印解決方案的客戶群仍在持續成長，但 Treloar 和 Lewis 相信 3D 列印能夠適應新的、更複雜的項目。「我們將它用於各種不同的事情。不僅僅是我們最初購買它的用途，它還能開拓你的思維，讓你去嘗試新的事物，」Treloar 說。