Der Begriff Wasserfestigkeit bezieht sich auf die inhärente Fähigkeit eines Materials, Wasser abzuweisen bzw. zu verhindern, das Wasser am Material haftet oder davon absorbiert wird. Wasserdichtigkeit hingegen bezeichnet die Fähigkeit eines Materials, zu verhindern, dass Wasser in einen Behälter oder ein Gehäuse ein- oder daraus austritt. Sie hängt demnach eng mit der Konstruktion des jeweiligen Behälters oder der Baugruppe zusammen, statt nur auf der grundlegenden Natur des Materials zu beruhen.

Die Wasserfestigkeit der verschiedenen Materialien spielt in diesem Versuch zwar eine grundlegende Rolle, doch die endgültigen Ergebnisse basieren auf der Wasserdichtigkeit der mehrteiligen Behälter. Dies ist in der Anwendbarkeit der Daten begründet – die Herstellung wasserdichter Behälter ist schwierig und kann arbeitsaufwendig und teuer sein, wenn mit konventionellen Verfahren gearbeitet wird. Der 3D-Druck bietet eine neuartige Methode, hochqualitative Tiefsee- und Küstenforschung zu betreiben, und unterstützt zahllose Branchen bei der Umsetzung von Anwendungen unter Wasser, beispielsweise die Verteidigung, Öl- und Gasindustrie, Energieversorgung und mehr.

Wasserdichte Teile werden in den unterschiedlichsten Szenarien eingesetzt, wie Offboard-Motoren für den Bootsbau und den Freizeitbereich, Roboter für die Tiefseeforschung, Unterwasserfotografie und mehr. Ist ein Teil wasserdicht, eignet es sich auch als Behälter für andere Flüssigkeiten, was solche Komponenten äußerst nützlich für Anwendungen macht, in denen Flüssigkeiten über Schläuche zwischen Komponenten übertragen werden, unter anderem in der Automobilbranche, Chemieforschung, Energieversorgung und dem Bauwesen.

Für Forschungsanwendungen in den Bereichen Ökologie, Geologie oder Klimatologie ist die Herstellung individueller Ausrüstung für die Forschung und Probennahme oftmals überaus kostspielig. Da jede Anwendung einzigartig ist und die Einsatzumgebungen ständiger Veränderung unterliegen und von der Oberfläche aus schwer zu handhaben sind, handelt es sich bei Komponenten für Unterwasser- oder Fluidikforschung oft zu einem gewissen Grad um Sonderanfertigungen.

Bisherige Methoden zur Herstellung derartiger wasserdichter Komponenten beinhalten in der Regel bewährte, traditionell gefertigte Materialien wie Metall, Spritzgusskunststoffe oder Gummi. Massenproduzierte Teile sind kostengünstig, doch sie so zu konfigurieren, dass sie den spezifischen Anforderungen einer Anwendung entsprechen, kann schwierig sein. Zudem können hierfür maßgefertigte Verbinder, Vorrichtungen oder Gehäuse nötig sein.

In Montagebaugruppen werden die einzelnen Teile mit einer Kombination aus Schraubgewinden, ineinandergreifenden oder zusammenpassenden Merkmalen, O-Ringen oder Dichtungen versiegelt. Die Auswahl der O-Ringe kann extrem schwierig und die Ermittlung der passenden Parameter für den Behälter kann zeitaufwendig sein. Das O-Ring-Handbuch von Parler beinhaltet Tausende von Empfehlungen basierend auf Kompression, Durchmesser, Dicke, Material, Druckeinwirkung etc. Die Schwierigkeit der Auswahl eines individuell angepassten O-Rings führt dazu, dass viele auf standardisierte, massenproduzierte Bauteile zurückgreifen, was die Möglichkeiten der Innovation und der Erschließung neuer Anwendungen einschränkt.

Seitdem der 3D-Druck in der kundenindividuellen Fertigung und der Kleinserienproduktion immer mehr an Beliebtheit gewinnt, gibt es auch Bestrebungen, ihn für Anwendungen unter Wasser zu nutzen. Unterwassergeräte oder Robotik-Ausrüstung für Bereiche wie die Forschung, Öl- und Gasförderung und das Bauwesen sind einzigartig – die jeweiligen Bauteile und die Funktionen, die sie erfüllen müssen, sind ganz auf die Anforderungen des Anwendungsfalls abgestimmt. Deshalb waren Anwendungen unter Wasser bisher nur für gut finanzierte Unternehmen und Projekte umsetzbar, die den Bau individueller Geräte und Ausrüstung stemmen konnten. Das kann der 3D-Druck ändern – er macht es möglich, individualisierte Teile für Forschung und Entwicklung zu einem Bruchteil der Kosten konventioneller Methoden herzustellen. Um 3D-gedruckte Bauteile erfolgreich unter Wasser einzusetzen, sollten die 3D-Drucktechnologie und das passende Material sorgfältig ausgewählt werden.

Die bekannteste 3D-Drucktechnologie, die Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeling, FDM), liefert keine wasserdichten Teile. Hierin liegt der weit verbreitete Irrglaube begründet, 3D-gedruckte Teile würden sich grundsätzlich nicht für Anwendungen eignen, die Wasserdichtigkeit erfordern. Beim FDM-Verfahren wird geschmolzener Kunststoff durch eine Düse extrudiert und Schicht für Schicht aufgetragen, dabei jedoch nicht chemisch gebunden. FDM-Druckteile sind anisotrop, was bedeutet, dass sie je nach der Einwirkungsrichtung mechanischer Belastung unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Außerdem sind sie weniger dicht als ähnliche Objekte, die mit anderen Methoden hergestellt wurden. Da die einzelnen Schichten nicht chemisch gebunden sind, kann durch die mikroskopischen Lücken zwischen ihnen Flüssigkeit in die Teiloberfläche eindringen. Daher sind mittels FDM-3D-Druck hergestellte Behälter nicht wasserdicht, es sei denn, die Teile werden umfassend nachbearbeitet und durch zusätzliche Verfahren wie chemische Dampfglättung oder Beschichtung versiegelt. FDM-Druckteile implodieren unter Druck und reißen entlang der Schichtlinien ein.

Stereolithografie (SLA) ergibt hingegen wasserdichte Druckteile, da jede Schicht chemisch mit der Folgeschicht gebunden wird. SLA-Druckteile entstehen, indem ein Laser flüssiges Kunstharz Schicht für Schicht aushärtet – dabei werden die Polymerketten einerseits innerhalb dieser Schicht vernetzt, aber auch mit der vorhergehenden und darauffolgenden Schicht. So entstehen Teile mit glatten Oberflächen, die nahezu keine Schichtlinien aufweisen, nicht porös sind und somit kein Wasser durchdringen lassen. Die Druckteile erzielen extrem enge Toleranzen, sodass die Komponenten mehrteiliger Baugruppen, wie der im hier dargelegten Versuch verwendete Behälter, fast ohne jegliche Zwischenräume zusammengefügt werden können. Durch Dichtungen ergänzt sind solche Behälter vollkommen wasserdicht und halten immensem Druck stand.

Selektives Lasersintern (SLS) ist ein Druckverfahren, bei dem ein Querschnitt eines Teils in einem Pulverbett versintert wird, woraufhin eine weitere Pulverschicht aufgetragen und der Vorgang wiederholt wird. Die Teile verfügen über eine gewisse Isotropie, können jedoch je nach Richtung der Krafteinwirkung abweichende mechanische Eigenschaften aufweisen. SLS-Teile sind wasserdicht, wenn sie mit den entsprechenden Toleranzen und Versiegelungstechniken entwickelt wurden.

Das Undersea Robotics and Imaging Laboratory (URIL) der University of Rhode Island verfolgt die Mission, die Tiefseeforschung zu demokratisieren. Dank erschwinglicher 3D-Drucker wie dem Form 4 und dem großformatigen Form 4L ist es heute möglich, hochgradig komplexe Instrumente für die Tiefseeforschung zu entwerfen und zu fertigen und die Designs mit der wissenschaftlichen Fachwelt zu teilen.

Das URIL hat mehrere Studien zu seiner Forschung in der Tiefsee publiziert, unter anderem einen Leitfaden zum neuartigen Design des DEEPi, eines Bilderfassungs- und Kontrollsystems für die Tiefsee, eine Untersuchung der Nutzung passiver Stabilisationssysteme zur Unterstützung des SLA-Drucks auf einem in Bewegung befindlichen Wasserfahrzeug sowie eine Analyse der Nutzung von Biomimikry beim Design von Behältern, basierend auf der Form von Nautiloiden. Projektleiter Brennan Philips und Doktorandin Breanna Motsenbocker entwickeln seit Jahren neue Iterationen ihrer Tiefseekamera und ihres Robotik-Behälters und haben ihre Erkenntnisse in zahlreichen Fachbeiträgen veröffentlicht. Das Labor hat sein Design als Open-Source-Datei freigegeben, um dessen Fertigung auch jenen zu ermöglichen, denen die finanziellen Mittel zur Datensammlung oder Forschung unter Wasser bisher gefehlt haben.

Das hier vorgestellte Design wurde so gestaltet, dass das innere Design groß genug für einen Mikrocomputer (Raspberry Pi Zero) und eine kleine Batterie ist. Dieser Volumenbedarf legt die Parameter für den inneren Durchmesser und die Länge des Behälters fest. Die Wandstärke wurde anhand der vorherigen Behälter-Prototypen und der angestrebten Tiefe (mindestens 1500 m) gewählt. Da es keine verlässlichen Finite-Elemente-Methoden gibt, um den Implosionsdruck 3D-gedruckter Behälter zu simulieren, wurde das Design in einer hydrostatischen Druckkammer getestet, um sicherzustellen, dass es wasserdicht und ausreichend dick ist, um dem Druck in 1500 m Tiefe standzuhalten. Das URIL hat beide Designs – das dünnwandige, im Test verwendete Design und das nicht getestete Design mit dickeren Wänden – als Open-Source-Datei zur Replikation zur Verfügung gestellt.

Der mehrteilige Behälter wurde mit Fokus auf Benutzerfreundlichkeit entworfen – jede Komponente verfügt über 3D-gedruckte Gewinde, dank derer sich der Ring leicht mit der Endkappe und dem Grundkörper verschrauben lässt. Beim Forschungseinsatz befindet sich das Team häufig in kleinen Wasserfahrzeugen, die sich mit den Wellen bewegen, sodass die Verwendung von Schraubbolzen schwierig sein kann. Dank der Auflösung der Drucker der Serie Form 4 können die Gewinde zusammen mit dem O-Ring in das Design integriert werden, um eine vollständige Wasserdichtigkeit zu gewährleisten und eine funktionelle Montage oder Demontage bei Änderungen zu ermöglichen.

Dieses Behälterdesign ist zwar für ein bestimmtes Modell eines Mikrocomputers bestimmt, kann jedoch leicht um Vertiefungen oder Halterungen für Kameras, Sensoren, Durchgänge usw. ergänzt werden. Wenn der Grundkörper des Behälters unverändert bleibt, lassen sich zudem verschiedene Designs von Endkappen und Ringen unterschiedlicher Zwecke, Größen und Formen entwerfen, solange das Schraubgewinde des Passstücks weiterhin in die Hauptkomponente eingefügt werden kann.

Das URIL hat bei seinen Versuchen sowohl mit Gleitringdichtungen als auch Bohrungsdichtungen Erfolg gehabt, zieht jedoch Gleitringdichtungen vor.

Sobald der innere und äußere Durchmesser des Behälters festgelegt wurden, kann anhand des inneren Durchmessers ein O-Ring für die Gleitringdichtung ausgewählt werden. Der O-Ring sollte gut in die Fläche zwischen der Endkappe und dem Grundkörper des Behälters passen. O-Ringe der Größenklasse 2 nach der AS568-Norm, also O-Ringe mit einer Schnurstärke von 3,53 mm, ergeben bei SLA-3D-gedruckten Teilen die zuverlässigste Versiegelung.

Grundsätzlich ist zu beobachten, dass O-Ringe mit einem größeren Durchmesser in 3D-gedruckten Teilen widerstandsfähiger gegenüber Kompression sind. In Hinsicht auf die Abmessung der Nut sollte eine Tiefe angestrebt werden, die 15–20 % unter der Schnurstärke des O-Rings liegt (z. B. 100 * (1-(2,92 mm/3,53 mm)) = 17,3 %). Die Nut muss außerdem breiter sein als der Querschnitt des O-Rings, sodass ein gewisses Maß an Kompression möglich ist.

Eine hilfreiche Ressource zur Bestimmung dieser Abmessungen, in detaillierterer Form und für zahlreiche verschiedene Anwendungsfälle, bietet das Parker O-Ring Handbuch.

Ähnlich wie Dichtungsdeckel in Anwendungen mit niedrigem Druck (< 100 m Tiefe) eingesetzt werden, hatte auch das Undersea Robotics and Imaging Lab Erfolg damit, 3D-gedruckten Behälter mit Gleitringdichtungen und lasergeschnittenen PMMA-Abdeckungen.

In diesen Designs können komplexe Nutprofile für die Dichtungsringe verwendet werden, sofern ein ausreichender Biegeradius für den O-Ring beibehalten wird. O-Ringe mit einer Schnurstärke von 3,53 mm können ab einem Biegeradius der Nut von 9,53 mm eingesetzt werden. Um die richtige O-Ring-Größe zu ermitteln, wird anhand der Gesamtlänge des inneren Radius der gesamten O-Ring-Nut der äquivalente innere Durchmesser des O-Rings berechnet, der dieser nahekommt. In diesem Größenbereich sollten dann zwei bis drei Größen bestellt werden, um die Passung in der Praxis zu testen. Es ist nicht möglich, die Quetschtiefe derartig komplexer Formen präzise vorherzusagen. Bis zu einer Tiefe von 100 m sollte 9,53 mm starkes PMMA jedoch gut funktionieren.

Zur Herstellung der Gehäuse wurden die Technologien FDM, SLA und SLS eingesetzt. Der Behälter aus Nylon 12 GF Powder wurde auf dem SLS-Drucker Fuse 1+ 30W gedruckt, während die anderen Materialien (Grey Resin, Clear Resin, BioMed Amber Resin und Rigid 10K Resin) auf dem SLA-Drucker Form 3+ gedruckt wurden. Die FDM-3D-gedruckten Teile, die aus PLA-Filament auf einem Craftbot-Drucker hergestellt wurden, absorbierten beim Eintauchen sofort Wasser und wurden daher vom Test ausgeschlossen.

Sowohl die SLA- als auch die SLS-Technologie werden für Anwendungen in Maschinenbau und Forschung weitläufig eingesetzt, doch ihre Stärken liegen in unterschiedlichen Bereichen. Das SLS-Verfahren eignet sich hervorragend für die Kleinserienfertigung von Teilen für die Endverwendung, verfügt über eine Bibliothek an bewährten Materialien wie Nylon und TPU und erstellt belastbare Teile in Industriequalität. SLA-Drucker hingegen überzeugen dort, wo es auf ein glattes Oberflächenfinish und sehr spezifische Materialeigenschaften ankommt. Im vorliegenden Versuch boten sowohl die glatte Oberfläche als auch die Dichte von SLA-Teilen einen Vorteil für die Leistungsfähigkeit in einer Umgebung mit Hochdruck.

Die vier gewählten SLA-Materialien weisen jeweils unterschiedliche Stärken auf:

• Grey Resin: Ein extrem konsistentes Allzweckmaterial, das sich ideal für Prototypen und Teile mit glattem Oberflächenfinish eignet
• Clear Resin: Ein hochgradig genaues und konsistentes Material, das sich auf nahezu vollständige optische Transparenz polieren lässt und so die Einsicht interner Komponenten ermöglicht
• BioMed Amber Resin: Ein biokompatibles Material, das für die Prototypenentwicklung und Fertigung behördlich zugelassener Medizinprodukte verwendet wird
• Rigid 10K Resin: Ein hochgradig glasgefülltes Kunstharz, das sich ideal für Industrieteile eignet, die erheblicher Belastung ohne Verformung standhalten müssen, beispielsweise Rapid Tooling für den Spritzguss

Das gewählte SLS-Pulver, Nylon 12 GF Powder, ist ein glasgefülltes Material mit erhöhter Steifigkeit und Hitzebeständigkeit, das anspruchsvollen Fertigungsbedingungen standhält. Das Material eignet sich ideal für Anwendungen, bei denen strukturelle Steifigkeit und Wärmebeständigkeit entscheidend sind.

Nachbearbeitungsmethoden wie Polieren, Sandstrahlen, Beschichten, Galvanisieren oder Färben können einen Effekt auf die Porosität sowie die Oberflächenqualität 3D-gedruckter Teile haben. Einige der genannten Methoden sind dazu geeignet, eine höhere Wasserdichtigkeit zu erzielen. Für diesen Versuch wurden einige Behälter aus Rigid 10K Resin sandgestrahlt, was die Oberfläche glättet und ihre Porosität verringert.

Da hinsichtlich der Implosionsprüfung dieser 3D-Druckmaterialien keine Branchenstandards existieren, entwickelte das URIL zu Beginn seiner Studie eine eigens gefertigte Implosionskammer, um den Tausende Meter unter dem Meeresspiegel wirkenden Druck zu simulieren.

Bei der Auswertung der Ergebnisse ist wichtig zu beachten, dass selbst der niedrigste durchschnittliche Implosionsdruck eine beachtliche Tiefe repräsentiert (89,9 bar, die bei Behältern aus Nylon 12 GF Powder aus den SLS-Druckern der Fuse-Serie erreicht wurden). 89,9 bar entspricht dem Wasserdruck in Tiefen von fast 1000 m unter der Wasseroberfläche – weitaus tiefer also, als die Bereiche, die von vielen Küstengemeinden erforscht werden, welche vom Zugang zu erschwinglicher Tiefseeforschung profitieren können.

Die Ergebnisse zeigen, dass der SLA- und SLS-3D-Druck in Kombination mit Dichtungsringen effektive Methoden zur Herstellung wasserdichter Behälter darstellen, wobei der SLA-3D-Druck klar als Gewinner hervorgeht. Druckteile aus dem FDM-Verfahren haben sich für diese Anwendung als ungeeignet erwiesen, da sie direkt nach dem Untertauchen Wasser aufnehmen und keinerlei Druckeinwirkung standhalten.

Die steiferen SLA-Materialien erbrachten unter Druck die beste Leistung. Durch Nachbearbeitungsmethoden wie das Sandstrahlen lässt sich die Leistung weiter steigern, indem die Oberflächenporosität reduziert wird.

Die beste Wahl zur Herstellung wasserdichter Teile ist der 3D-Druck mit Rigid 10K Resin auf der Serie Form 4 und anschließendes Sandstrahlen. Dieses Material hält einem Druck von über 380 bar stand. Auch die Wahl des richtigen O-Rings und Behälterdesigns sind wichtige Schritte bei der Entwicklung eines wasserdichten Behälters. Open-Source-Designs wie das von Motsenbocker am URIL erstellte Design können genutzt werden, um wasserdichte Teile und Baugruppen in Rekordzeit kosteneffizient zu fertigen.

Diese Ergebnisse zeigen, dass der 3D-Druck, insbesondere mit zugänglichen und kostengünstigen Druckern wie der Serie Form 4 von Formlabs, zur Demokratisierung der Meeresforschung beitragen und neue Wege für die Küstenforschung eröffnen kann. Fortschrittliche Materialien kombiniert mit einem bewährten, intuitiven Prozess machen die Technologie zur optimalen Lösung für hochwertige Forschungsprojekte bei niedrigen Kosten.

Um mehr über das Undersea Robotics and Imaging Lab und seine Tätigkeit in der Erforschung von Küsten- und Tiefseeregionen zu erfahren, besuchen Sie die Website des Labors.