Creación de sistemas robóticos avanzados de limpieza de barcos con la impresión 3D

El comercio internacional nunca ha sido tan caro y tan competitivo como lo es hoy en día: se presta mucha atención a cada factor que pueda afectar a los costes de envío. Nakai Robotics, una empresa fundada por Yair Tamir y Aviv Melman, ha desarrollado una solución robótica avanzada que puede reducir los costes de grandes empresas de transporte marítimo como Maersk o MSC, que tienen miles de buques de carga en el mar en cualquier momento. 

Los robots de Nakai son vehículos de limpieza autónomos que eliminan las bioincrustaciones (la acumulación de algas, vegetación y vida animal) de los barcos, ayudándolos a funcionar de forma más eficiente y a cumplir las estrictas normativas portuarias sobre procesos de limpieza. 

Tamir lleva imprimiendo en 3D desde 2005. Las impresoras 3D formaban parte de su trabajo diario y aprendió a aprovechar las tecnologías de diseño y producción bajo demanda para resolver problemas con rapidez. En Nakai, cuando llegó el momento de expandir el diseño y la producción, el equipo recurrió al SLS accesible. Han aumentado su producción con tres impresoras de la serie Fuse, así como con las impresoras SLA Form 3L y Form 3B. 
 

Nakai Robotics nació cuando Melman abordó a Tamir con una observación y una idea. Melman practicaba buceo en sus ratos de ocio y había visto los bajos de los barcos que entran en los puertos, quedando asombrado por la cantidad de suciedad que se acumulaba en sus cascos. "Pasamos un año informándonos sobre el efecto de las bioincrustaciones en el entorno de los puertos y en los costes de combustible de los barcos, y nos dimos cuenta de que podíamos desarrollar una solución que pudiera mejorar tanto los beneficios como la seguridad medioambiental del transporte marítimo", dice Tamir. 

Las bioincrustaciones afectan principalmente a los costes del transporte porque ralentiza los barcos: la acumulación de materia orgánica e inorgánica que se adhiere al casco del barco crea una gran resistencia a su avance. Los barcos tienen que quemar más combustible para cumplir los plazos y sus costes aumentan en consecuencia. Un casco limpio puede tener un impacto enorme en la eficiencia del transporte: Nakai calcula que sus robots pueden reducir los costes de combustible entre un 10 % y un 15 %. 

Algunos gobiernos locales con políticas estrictas ni siquiera permiten que los barcos entren en el puerto si no pasan primero por una inspección del casco. Un crucero australiano estuvo retenido fuera del puerto de Sídney durante más de una semana antes de que pudieran limpiarlo y llevarlo al puerto, lo que supuso un coste enorme para la compañía de cruceros y los pasajeros a bordo. 

Aparte de los costes que conllevan, las bioincrustaciones suponen un gran problema para el delicado equilibrio de los ecosistemas en los entornos costeros de los puertos. Cuando los barcos llegan al puerto, el ya frágil ecosistema de la costa recibe materia extraña y especies invasoras que se desprenden de forma natural del casco del barco. Si se limpia un barco (normalmente, mediante un vehículo teledirigido o un buzo humano), ese material extraño tiene que desecharse. En algunos países menos restrictivos, está permitido verterlo directamente en las aguas locales, lo que puede provocar impactos medioambientales como la extinción de especies locales, el blanqueamiento de los corales y la proliferación de especies invasoras.

Nakai ofrece dos plataformas como soluciones. La primera, PLECOS, trabaja en puertos. Cuenta con un filtro y un depósito de recogida patentados para que ningún residuo acabe en las aguas locales. La segunda, GOBY, viaja con el barco en mar abierto y elimina continuamente las nuevas acumulaciones de bioincrustaciones a medida que se forman, lo que mitiga el impacto medioambiental y ayuda a las compañías navieras a cumplir las normativas pertinentes. 

“Las bioincrustaciones son muy perjudiciales para el medio ambiente, tienen un efecto negativo en el océano y también en los costes de combustible. Aunque hay empresas que ofrecen servicios de limpieza, es difícil cumplir con las estrictas normativas portuarias mientras se está dentro de las fronteras marítimas de ciertos países. Por eso, necesitábamos una forma de desarrollar algo que pudiera soportar las fuerzas de las travesías en aguas profundas o recoger lo que retirase de los cascos de los barcos", dice Tamir.

La impresión 3D fue parte de la solución desde el principio. Tamir ya llevaba veinte años usando impresoras 3D cuando se fundó Nakai y conocía todas las tecnologías y los principales fabricantes de impresoras 3D del mercado. Para este proyecto en concreto, necesitaba una solución que permitiera al equipo desarrollar piezas funcionales rápidamente, con tolerancias precisas para que encajaran fácilmente en un conjunto de piezas muy complejo y formado por varios materiales. "Imprimimos continuamente, es un desarrollo sin interrupciones 24 horas al día, 7 días a la semana", dice Tamir. 

En total, los robots de Nakai incluyen 1500 componentes diferentes, de los cuales 300 están impresos en 3D para su uso final en las versiones definitivas de los robots. Su solución de impresión 3D no solo tiene que imprimir en grandes cantidades, sino que también tiene que dar resultados uniformes, repetibles y precisos, con un material que pueda soportar fuerzas externas intensas. Con 300 componentes de uso final impresos en 3D, Nakai necesita una solución que también pueda producir en grandes cantidades para disponer de reservas a medida que llegan nuevos pedidos. 

Tamir había empezado a trabajar con la impresora SLA de gran formato de Formlabs, la Form 3L, y su versión de escritorio biocompatible, la Form 3B, para otro proyecto relacionado con productos sanitarios. La gama de materiales disponibles para la impresora SLA les permitió cambiar fácilmente de resinas para diferentes proyectos. Pudieron experimentar rápidamente con moldes para la carcasa de fibra de carbono de alto rendimiento de los robots usando las resinas de Formlabs, e incluso crear piezas flexibles para una junta. “Nuestro material de referencia para SLA es la Tough 1500 Resin para prácticamente todo, incluso para los moldes”, dice Tamir. 

Sin embargo, cuando llegó el momento de crear piezas para uso final, Tamir recurrió a la Fuse 1 con el Nylon 12 GF Powder, un material reforzado con fibra de vidrio que tiene una rigidez y una precisión dimensional extremadamente altas. 

Para producir los miles de componentes SLS necesarios para los robots de uso final, el equipo de Nakai mantiene sus impresoras en marcha todo el día durante toda la semana. "Con más de 300 piezas SLS en cada robot, se trata de un nivel de producción propio de una empresa comercial", dice Tamir. Con ese volumen comercial, también necesitan confiar en la precisión y la constancia de esas piezas, para que cada robot se monte y funcione igual que el siguiente. Después de varios años imprimiendo con la serie Fuse, Tamir y su equipo de producción han comprobado que sus piezas ofrecen una precisión dimensional constante. 

Construir un robot autónomo ya es bastante difícil, pero construir uno que tenga que trabajar bajo el agua y con fuerzas intensas actuando en su contra es harina de otro costal. La tecnología que mantiene al robot GOBY adherido al costado del casco del barco es un secreto empresaria, aunque Nakai sí nos dice que utilizan la fuerza del agua que se mueve hacia el robot para darle energía y mantenerlo fijado al barco.

La carcasa exterior del robot está hecha de fibra de carbono y se fabrica mediante un proceso de preimpregnado de carbono. Sin embargo, para todas las piezas de uso final impresas por SLS, Tamir necesitaba encontrar una solución que pudiera mantener las piezas impresas en 3D impermeables y funcionales incluso después de meses bajo el agua.  

El equipo probó las piezas impresas en 3D mediante SLS en baños de sal y con aerosoles de sal para determinar los efectos corrosivos del agua del mar. Tras largos periodos de exposición, los componentes impresos en 3D mediante SLS empezaron a mostrar signos de corrosión y Tamir empezó a explorar diferentes revestimientos. Tras probar diferentes formas de recubrir y revestir las piezas, se decantaron por el Cerakote. "Hemos probado tratamientos de posacabado y soluciones que creíamos que podrían proteger las piezas, pero luego empezamos a usar Cerakote y funcionó. Ahora aplicamos Cerakote a nuestras piezas SLS nosotros mismos y resisten bien la niebla salina y la inmersión bajo el agua", dice Tamir. 

El Cerakote es un revestimiento cerámico delgado y de alto rendimiento desarrollado por NIC Industries, que ofrece numerosas ventajas mecánicas y estéticas. El Cerakote puede mejorar la funcionalidad de los productos y conjuntos impresos mediante SLS que se vayan a usar como piezas finales, prolongando la vida útil y la resistencia a la intemperie de las piezas impresas en 3D.

Tras realizar pruebas de ciclo de vida y ensayos en beta satisfactorios, Nakai ha conseguido que sus robots de uso final estén presentes en varios barcos que cruzan el mundo. A medida que se corre la voz, la demanda de esta solución económica y que ahorra energía está creciendo. Casi todos los tipos de transporte marítimo, desde el transporte de mercancías hasta los cruceros, se enfrentan a problemas legales relacionados con las bioincrustaciones y, sin excepción, todos quieren que su combustible los lleve más lejos. "Si nuestros robots limpian tu barco, te ahorramos dinero y créditos de carbono. Incluso en el caso de la energía eólica o eléctrica, la fricción sigue existiendo y limpiar las bioincrustaciones la soluciona", dice Tamir. 

La impresión 3D es una parte importante del plan de expansión de Nakai. Tras cosechar los beneficios de un proceso de desarrollo rápido y ágil, Tamir sabe que la impresión 3D puede ayudarlos a mantener su liderazgo en un sector cada vez más competitivo. “Nuestra siguiente etapa en la empresa es la de escalar. Crecer, ofrecer más apoyo y más productos. Pienso comprar más impresoras 3D y hacerlo todo aquí mismo", dice Tamir. 

Gracias a la serie Form y la serie Fuse, el equipo de Nakai ha podido realizar sus iteraciones rápidamente y crear miles de piezas para robots que se utilizan en algunos de los entornos más duros que existen, soportando el embate de agua muy presurizada, fría y salada que se mueve a gran velocidad. “Elegimos Formlabs por la calidad repetible. Quiero enviar algo a la impresora y que esté listo al sacarlo de ella. No quiero tener que experimentar para alcanzar un buen resultado", dice Tamir. 

A medida más clientes y socios se unen a las actividades de Nakai, la empresa se prepara para expandirse con la impresión 3D SLA y SLS. Si quieres saber más sobre la tecnología de Formlabs, explora sus aplicaciones finales y sus materiales.