La impermeabilidad se refiere a la capacidad inherente de un material para repeler el agua o impedir que el agua se adhiera a una impresión o sea absorbida por ella.

Aunque la estanqueidad de los distintos materiales forma parte inherente de este experimento, los resultados finales se basan en la estanqueidad de los cerramientos de varias piezas. Esto se debe a la utilidad de este tipo de datos: crear recintos estancos es difícil y, cuando se hace con métodos tradicionales, puede resultar laborioso y caro. La impresión 3D presenta una forma novedosa de llevar a cabo investigaciones de alta calidad en aguas profundas y costeras, así como de ayudar a multitud de sectores que tienen que realizar operaciones bajo el agua, como defensa, petróleo y gas, servicios públicos y otros.

Las impresiones estancas se emplean en situaciones tan diversos como los motores fuera borda para navegación y ocio, la exploración robótica en aguas profundas, la fotografía submarina, etc. Cuando las piezas son estancas, también pueden mantener otros líquidos, por lo que son extremadamente útiles para aplicaciones en las que los tubos transportan líquidos entre componentes, como la automoción, la investigación química, los servicios públicos, la construcción, etc.

Para aplicaciones de investigación en los campos de la ecología, la geología o la climatología, crear equipamiento personalizado para el estudio y el muestreo a menudo resulta excesivamente caro, Dado que cada aplicación es única y que los entornos en los que se utilizan están en constante cambio y son difíciles de gestionar desde la superficie, los componentes subacuáticos o que transportan fluidos con frecuencia deben tener algún grado de personalización.

Los métodos actuales para fabricar estos componentes estancos suelen usar materiales conocidos de fabricación tradicional, como metal, plásticos moldeados por inyección o goma. Los componentes producidos en masa son asequibles, pero configurarlos después de forma que satisfagan las necesidades específicas del uso que se les quiere dar puede ser difícil y requiere conectores, fijaciones o carcasas hechos a medida.

En los conjuntos de piezas con múltiples encajes, estas piezas se sellan entre sí mediante una combinación de elementos con roscas, elementos con enclavamientos o de acoplamiento y juntas de diversos tipos, como juntas tóricas. Elegir juntas tóricas puede ser extremadamente difícil y configurar los parámetros adecuados para tu carcasa puede llevar mucho tiempo. El manual de juntas tóricas de Parker tiene miles de recomendaciones en función de la compresión, el diámetro, el grosor, el material, la presurización, etc. La dificultad del proceso de elegir una junta tórica con un tamaño a medida hace que muchos usuarios vuelvan opten por utilizar opciones estándar y componentes producidos en masa, lo que limita la capacidad de innovar e idear nuevas aplicaciones.

Desde que la impresión 3D se ha vuelto más popular para la fabricación personalizada o de bajo volumen, ha habido intentos de utilizar la impresión 3D para aplicaciones subacuáticas. La maquinaria o los componentes robóticos que deben funcionar bajo el agua en sectores como el de la investigación, la extracción de petróleo y gas y la construcción son únicos en cada caso, ya que los tipos de piezas y las funciones que deben desempeñar se ajustan a las necesidades de su respectivo uso. Por consiguiente, las aplicaciones subacuáticas se limitaban a proyectos con gran financiación que pudieran construir costosas máquinas y componentes hechos a medida. Es una situación que la impresión 3D ha podido cambiar, permitiendo fabricar productos personalizados para la investigación y el desarrollo por un coste inferior al de los métodos tradicionales. Si se quiere usar una solución impresa en 3D bajo el agua, hay que considerar detenidamente cuál es la tecnología de impresión 3D y el material que mejor se ajustan a la situación.

La forma de tecnología de impresión 3D más conocida, el modelado por deposición fundida (FDM), no crea piezas estancas. De esta incapacidad surgió la idea errónea generalizada de que las piezas impresas en 3D en general no pueden utilizarse en situaciones que requieran componentes estancos. La tecnología FDM extruye plástico fundido a través de una boquilla, depositándolo capa a capa, pero sin unir dichas capas de forma química. Las piezas impresas mediante FDM son anisotrópicas, lo que quiere decir que poseen propiedades mecánicas distintas en función de la dirección en la que actúa sobre ellas el esfuerzo mecánico y son menos densas que un objeto similar producido mediante otros métodos. Como las capas no están unidas químicamente entre sí, los líquidos se pueden filtrar hasta la superficie de la pieza a través de los espacios microscópicos que hay entre las capas. Por consiguiente, las carcasas impresas en impresoras FDM no son estancas, a menos que las piezas estén muy posacabadas y se hayan sellado mediante algún paso adicional, como el alisado con vapor o un revestimiento. Estas piezas implosionarán bajo presión y se agrietarán a lo largo de las líneas de capa.

En cambio, las piezas impresas en 3D mediante estereolitografía (SLA) son estancas, porque cada capa está unida químicamente a las capas contiguas. Las piezas impresas mediante SLA se forman en un proceso en el que un láser cura resina líquida capa a capa, estableciendo enlaces entrecruzados entre las cadenas poliméricas de cada capa y entre ellas y las capas contiguas. Este proceso crea superficies con un acabado liso prácticamente sin líneas de capa y que no son porosas, por lo que el agua no las puede penetrar. Las piezas tienen tolerancias muy buenas, por lo que los ensamblajes de múltiples piezas, como las carcasas que se usan en los ensayos de este libro blanco, se pueden unir mediante conexiones roscadas sin que quede apenas huecos que dejen pasar el aire entre ellos. Cuando se combinan con un sello o una junta, las carcasas son totalmente estancas y pueden soportar una presión inmensa.

La tecnología de sinterizado selectivo por láser (SLS) crea piezas sinterizando una sección transversal de la pieza encima de un lecho de polvo, cubriéndola con polvo nuevo y volviendo a empezar. Las piezas impresas son un tanto isotrópicas, pero pueden presentar diferencias en sus propiedades mecánicas en función de la dirección desde la que se aplica la fuerza. Las impresiones SLS son estancas cuando se diseñan con las tolerancias y las técnicas de sellado apropiadas.

El Laboratorio de Robótica y Procesamiento de Imágenes Submarinas de la Universidad de Rhode Island (URIL) se ha propuesto democratizar la investigación de las profundidades marinas. Impresoras 3D con precios accesibles como la Form 4 y su versión de gran formato, la Form 4L, han hecho posible diseñar y fabricar herramientas sofisticadas de exploración submarina y compartir esos diseños con la comunidad científica.

El URIL ha publicado varios artículos sobre sus investigaciones submarinas, entre los que se cuentan una guía para el novedoso diseño de DEEPi (un sistema de procesamiento de imágenes y control para las profundidades marinas), una investigación sobre el uso de la estabilización pasiva para ayudar en la impresión SLA en un barco en movimiento en el mar y una consulta sobre el uso de la biomimética en el diseño de recintos, basándose en formas nautiloides. El investigador principal Brennan Philips y la candidata a doctorado Breanna Motsenbocker llevan años realizando iteraciones de las carcasas de su cámara y sus robots submarinos, y han publicado varios artículos que detallan sus conclusiones. El laboratorio ha publicado su diseño de código abierto con la intención de hacer que el proceso de fabricación sea accesible para comunidades que anteriormente carecían de la financiación para llevar a cabo una recopilación de datos o investigaciones bajo el agua.

El diseño presentado aquí se eligió para tener un Volumen interno lo suficientemente grande como para que cupiera un microordenador (Raspberry Pi Zero) y una batería pequeña. Este requisito de Volumen establece los parámetros para el diámetro interior y la longitud de la carcasa. El grosor de la pared se eligió basándose en prototipos anteriores de carcasas y en la clasificación de profundidad objetivo (al menos 1500 m). Como no existen métodos fiables de AEF para simular la presión de implosión de las carcasas impresas en 3D, el diseño se probó con una cámara de presión hidrostática para garantizar que el diseño era estanco y lo suficientemente grueso para soportar la presión a 1500 m. El Laboratorio de Robótica y Procesamiento de Imágenes Submarinas ha hecho que ambos diseños (uno para los ensayos, con paredes delgadas, y otro con paredes más gruesas, no sometido a ensayo) sean de código abierto y estén disponibles públicamente para reproducirlos.

El recinto de varias piezas se diseñó para facilitar su uso: cada componente tiene roscas impresas en 3D que facilitan atornillar y desatornillar el collar de la tapa final y el cuerpo. Sobre el terreno, los investigadores se encuentran a menudo en pequeñas embarcaciones que se mueven con las olas, y utilizar tornillos puede resultar incómodo. Gracias a la resolución de las impresoras de la serie 4 de Form, las roscas de tornillo pueden integrarse en el diseño junto con la junta tórica para conseguir una estanqueidad total, así como un montaje o desmontaje funcional en caso de cambios.

Este diseño básico de carcasa, aunque está pensado para un tipo concreto de microordenador, puede modificarse fácilmente con penetraciones o monturas para cámaras, sensores, pasamuros, etc. Además, si el cuerpo principal se mantiene igual, puede haber múltiples diseños de tapas y collarines con distintos fines, tamaños y formas, siempre que la función de acoplamiento de las roscas de los tornillos pueda integrarse en el cuerpo.

El Laboratorio de Robótica y Procesamiento de Imágenes Submarinas experimentó con éxito tanto con las juntas tóricas superficiales como con las internas, pero prefiere las juntas tóricas superficiales.

Cuando se hayan elegido los diámetros interno y externo para la carcasa, se puede seleccionar una junta tórica superficial basada en el diámetro interno. La junta tórica debería ajustarse apropiadamente entre el tope y el cuerpo. Las juntas tóricas de 35 mm crean el sellado más fiable para las piezas impresas mediante SLA.

Una observación general es que las juntas tóricas con un diámetro grueso son más resistentes a la compresión en las piezas impresas en 3D. Para las dimensiones de las ranuras, trata de que su profundidad sea un 15 o 20 % menor que el diámetro de la misma junta tórica (p. ej., 100 * (1 - (29/35)) = 17,14 %). La ranura también debe ser más amplia que la sección transversal, lo que hace posible algo de compresión.

Un buen recurso para guiar estas medidas con mucho más detalle para muchos casos de uso diferentes se puede encontrar en el Manual de Juntas Tóricas de Parker).

De la misma forma que las cubiertas de juntas se utilizan para aplicaciones de baja presión (profundidades de más de 100 m), el Laboratorio de Robótica y Procesamiento de Imágenes Submarinas ha tenido éxito combinando juntas tóricas superficiales con carcasas impresas en 3D y cubiertas acrílicas cortadas por láser.

En estos diseños se pueden utilizar perfiles de ranura complejos para las juntas tóricas, siempre y cuando estas tengan un radio suficiente. Por ejemplo, las juntas tóricas de 35 mm de ancho pueden ajustarse a curvaturas de ranuras de 95 mm. Para predecir las medidas correctas de la junta tórica, utiliza la longitud del radio interno de toda la ranura de la junta tórica para calcular un diámetro interno equivalente de una junta tórica y pide juntas tóricas en dos o tres tamaños que se encuentren en un intervalo que se aproxime al resultado del cálculo. De ese modo, podrás realizar pruebas de ajuste para encontrar la más adecuada. Por desgracia, no es posible predecir con exactitud la profundidad de aplastamiento de estas formas más complejas, pero usar acrílico de 95 mm de grosor funciona bien para profundidades de hasta 100 m.

Para crear las carcasas se usaron las tecnologías de impresión SLS, SLA y SLS. El Nylon 12 GF Powder se imprimió en la impresora SLS Fuse 1+ 30W, mientras que los demás materiales (la Grey Resin, la Clear Resin, la BioMed Amber Resin y la Rigid 10K Resin) se imprimieron en la impresora SLA Form 3+. Las piezas impresas en una máquina Craftbot con filamento de ácido poliláctico (PLA) absorbían agua en el mismo momento en el que sumergían, de modo que se eliminaron de los ensayos.

Tanto la tecnología SLA como el SLS se utilizan en ámbitos de ingeniería e investigación, pero destacan en situaciones diferentes. La tecnología SLS es excelente para producir piezas de uso final en volúmenes bajos, tiene un catálogo de materiales conocidos como el nylon y el TPU y crea piezas resistentes de calidad industrial. Las impresoras SLA destacan en situaciones que requieren un acabado de la superficie liso y propiedades de los materiales muy específicas. En este ensayo, tanto el acabado de la superficie liso de las piezas de SLA como su densidad fueron beneficiosas para su rendimiento en un entorno presurizado.

Los cuatro materiales para SLA elegidos tienen diferentes fortalezas:

• Grey Resin: Un material multiuso muy fiable que es ideal para el prototipado y para obtener un acabado de la superficie liso
• Clear Resin: Un material muy preciso y fiable que se puede pulir hasta una transparencia casi total para aplicaciones en las que es crucial ver componentes internos
• BioMed Amber Resin: Un material biocompatible utilizado para el prototipado y la fabricación de productos sanitarios aprobados por las normativas
• Rigid 10K Resin: Una resina con un gran contenido de vidrio que es ideal para piezas industriales que deben soportar una carga considerable sin doblarse, como el utillaje rápido para el moldeo por inyección.

El polvo elegido fue el Nylon 12 GF Powder, un material reforzado con vidrio que le aporta una rigidez y una resistencia mejoradas para soportar condiciones de fabricación hostiles. Es ideal para aplicaciones en las que la rigidez estructural y la estabilidad térmica son cruciales.

Los métodos de posacabado, como el pulido, el granallado, el revestimiento o el tinte, pueden afectar a la porosidad de las piezas impresas en 3D y al acabado de su superficie. Algunos de estos métodos se pueden usar para obtener un grado mayor de estanqueidad. Para este experimento, algunas de las carcasas impresas con la Rigid 10K Resin se sometieron a un granallado, un proceso que elimina la porosidad de la superficie de las piezas y la hace más lisa.

Al no existir valores normalizados en el sector para estos materiales impresos en 3D en lo que respecta a los ensayos de implosión, el URIL creó al principio de la investigación una cámara de implosión hecha a medida para reproducir las presiones que se experimentan a miles de metros bajo el nivel del mar.

Al revisar los resultados, es importante tener en cuenta que incluso la presión de implosión media más baja, los 90 bar de las carcasas impresas con el Nylon 12 GF Powder en las impresoras SLS de la serie Fuse, representan una profundidad considerable. 90 bar es la presión del agua a profundidades cercanas a los 1000 m, que son mucho mayores que las profundidades de las áreas que estudian las muchas comunidades costeras que se pueden beneficiar de una investigación submarina económica.

Los resultados demostraron que la impresión 3D SLA y SLS son métodos eficaces para crear carcasas estancas cuando se combinan con juntas tóricas, con la impresión 3D SLA como clara ganadora. Las piezas impresas mediante FDM resultaron inadecuadas para esta aplicación, ya que entraba agua en ellas inmediatamente después de sumergirlas y no podían soportar ningún tipo de presurización.

Los materiales para SLA más rígidos tuvieron el mejor rendimiento bajo presión y los métodos de posacabado como el granallado pueden mejorar todavía más su comportamiento reduciendo la porosidad de la superficie.

La Rigid 10K Resin, impresa en la Form 4 y granallada, es la mejor opción para crear piezas estancas y puede soportar presiones cercanas a los 400 bar. La elección de la junta tórica y el diseño del recinto son pasos importantes para crear una carcasa completamente estanca, y los diseños de código abierto como el creó Motsebocker en el URIL se puede utilizar para crear piezas y conjuntos de piezas estancos de forma rápida y económica.

Estos hallazgos demuestran que la impresión 3D, especialmente si se realiza con impresoras accesibles y económicas como las de la serie Form 4 de Formlabs, puede ayudar a difundir la investigación de los océanos y dar nuevas posibilidades de exploración para las comunidades costeras. Los materiales avanzados disponibles, combinados con un proceso de trabajo sencillo y de eficacia probada, hacen que la tecnología sea una solución ideal para investigaciones de bajo coste y gran valor.

Si quieres saber más acerca del URIL y de su trabajo en la exploración de comunidades costeras y entornos submarinos, visita su sitio web.