Créer des systèmes robotiques avancés de nettoyage des navires grâce à l’impression 3D

Le commerce international n’a jamais été aussi coûteux ni aussi âprement disputé qu’aujourd’hui : chaque facteur susceptible d’influer sur les coûts du transport maritime est examiné à la loupe. Nakai Robotics, une entreprise fondée par Yair Tamir et Aviv Melman, a développé une solution robotique avancée capable de réduire les coûts des grandes compagnies maritimes telles que Maersk ou MSC, qui exploitent en permanence des milliers de navires de fret en mer. 

Les robots de Nakai sont des véhicules de nettoyage autonomes qui éliminent les biosalissures — l’accumulation d’algues, de végétaux et d’organismes animaux — afin d’améliorer l’efficacité des navires tout en respectant les réglementations portuaires strictes en matière de nettoyage. 

Tamir utilise l’impression 3D depuis 2005. Les imprimantes 3D faisaient partie intégrante de son travail quotidien, et il a appris à tirer parti des technologies de conception et de production à la demande pour résoudre rapidement les problèmes. Chez Nakai, lorsqu’il a fallu accélérer la conception et la production, l’équipe s’est tournée vers une solution SLS accessible. Elle dispose désormais de trois imprimantes de la série Fuse, ainsi que des imprimantes SLA Form 3L et Form 3B. 
 

Nakai Robotics a vu le jour lorsque M. Melman a fait part à M. Tamir d’une observation et d’une idée. Plongeur amateur, M. Melman avait observé le dessous des navires entrant dans les ports et avait été frappé par la quantité de dépôts accumulés sur leurs coques. « Nous avons passé un an à étudier les effets des biosalissures sur l’environnement portuaire et sur les coûts de carburant des navires, et nous avons compris que nous pouvions développer une solution permettant d’améliorer à la fois la rentabilité et la protection de l’environnement », explique M. Tamir. 

Les biosalissures ont principalement un impact sur les coûts du transport maritime parce qu’elles ralentissent les navires : l’accumulation de matières organiques et inorganiques sur leur coque crée une traînée considérable. Les navires doivent alors consommer davantage de carburant pour respecter leurs horaires, ce qui entraîne une hausse correspondante de leurs coûts. Une coque propre peut avoir un impact considérable sur l’efficacité : selon Nakai, ses robots permettent de réduire les coûts de carburant de 10 à 15 %. 

Certaines autorités locales appliquant des règles strictes refusent même l’accès au port aux navires qui n’ont pas passé au préalable une inspection de leur coque. Un navire de croisière australien a ainsi été immobilisé à l’extérieur du port de Sydney pendant plus d’une semaine, le temps qu’il puisse être nettoyé et autorisé à entrer, ce qui a entraîné des coûts considérables pour la compagnie de croisière et les passagers à bord. 

Au-delà des coûts, les biosalissures constituent un problème majeur pour l’équilibre fragile des écosystèmes côtiers des ports. Lorsqu’un navire entre dans un port, l’écosystème côtier, déjà fragile, subit un afflux de matières étrangères et d’espèces invasives qui se détachent naturellement de sa coque. Si un navire doit être nettoyé — généralement par un véhicule télécommandé ou un plongeur —, ces matières étrangères doivent être éliminées. Dans certains pays où la réglementation est moins stricte, elles peuvent être rejetées directement dans les eaux territoriales, ce qui peut avoir des conséquences environnementales telles que la disparition d’espèces locales, le blanchissement des coraux et la prolifération d’espèces invasives.

Nakai propose deux plateformes. Le premier, PLECOS, opère dans les ports. Elle est équipée d’un filtre et d’un réservoir de collecte propriétaires afin qu’aucun débris ne soit rejeté dans les eaux locales. La seconde, GOBY, accompagne le navire en haute mer et élimine en continu les nouvelles biosalissures à mesure qu’elles s’accumulent, limitant ainsi leur impact environnemental et aidant les exploitants de navires à respecter les réglementations en vigueur.

« Les biosalissures ont des effets extrêmement néfastes sur l’environnement : elles nuisent à l’océan tout en augmentant les coûts de carburant. Même s’il existe des entreprises proposant des services de nettoyage, il est difficile de respecter les réglementations portuaires strictes lorsqu’on se trouve dans les eaux territoriales de certains pays. Nous devions donc trouver un moyen de développer une solution capable soit de résister aux forces rencontrées en haute mer, soit de recueillir tout ce qu’elle retire », explique M. Tamir.

L’impression 3D faisait partie de la solution dès le départ. Lorsque Nakai a été fondée, Tamir utilisait déjà des imprimantes 3D depuis vingt ans et connaissait toutes les technologies ainsi que les principaux fabricants d’imprimantes 3D du marché. Pour ce projet en particulier, il lui fallait une solution permettant à l’équipe de développer rapidement des pièces fonctionnelles, avec des tolérances précises afin qu’elles s’intègrent facilement dans un assemblage multimatériau très complexe. « Nous imprimons en permanence : le développement se poursuit 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 », explique M. Tamir.

Au total, les robots Nakai comprennent 1 500 composants différents, dont 300 sont imprimés en 3D pour être intégrés aux versions finales des robots. Leur solution d’impression 3D doit non seulement être capable de produire de grands volumes, mais aussi offrir une qualité constante, reproductible et précise, avec un matériau capable de résister à des forces extérieures intenses. Avec 300 composants finaux imprimés en 3D, Nakai a également besoin d’une solution capable de produire en grandes quantités afin de constituer des stocks à mesure que de nouvelles commandes arrivent.

M. Tamir avait commencé par utiliser l’imprimante SLA grand format Form 3L de Formlabs, ainsi que sa version de bureau biocompatible, la Form 3B, dans le cadre d’un autre projet de dispositif médical. La diversité des matériaux disponibles pour la gamme SLA leur permettait de passer facilement d’une résine à une autre selon les projets. Grâce aux résines Formlabs, ils ont pu expérimenter rapidement différents moules pour la coque haute performance en fibre de carbone des robots, et même créer des pièces flexibles destinées à un joint. « Notre matériau SLA de prédilection est la Tough 1500 Resin, que nous utilisons pour pratiquement tout, y compris les moules », explique M. Tamir.

Lorsqu’il a fallu produire des pièces finales, Tamir a cependant opté pour la Fuse 1 avec Nylon 12 GF Powder, un matériau renforcé de fibres de verre offrant une rigidité et une précision dimensionnelle extrêmement élevées. 

Pour produire les milliers de composants SLS nécessaires aux robots finaux, l’équipe de Nakai fait fonctionner ses imprimantes en continu, tous les jours. « Avec plus de 300 pièces SLS sur chaque robot, on atteint un niveau de production véritablement industriel », explique M. Tamir. Avec de tels volumes, l’équipe doit également pouvoir compter sur la précision et la constance de ces pièces, afin que chaque robot soit assemblé et fonctionne exactement comme les autres. Même après plusieurs années d’impression avec la série Fuse, Tamir et son équipe de production constatent que leurs pièces offrent toujours une précision dimensionnelle constante.

Construire un robot autonome est déjà difficile, mais en construire un qui doit fonctionner sous l’eau tout en résistant à des forces considérables représente un défi d’un tout autre ordre. La technologie qui maintient le robot GOBY fixé à la coque du navire est propriétaire. Nakai indique toutefois que le robot exploite la force de l’eau qui s’écoule contre lui pour s’alimenter et rester solidement fixé au navire. 

La coque extérieure du robot est en fibre de carbone, fabriquée à partir de préimprégnés carbone. Pour tous les composants SLS destinés à une utilisation finale, M. Tamir devait cependant trouver une solution permettant aux pièces imprimées en 3D de rester étanches et fonctionnelles même après plusieurs mois sous l’eau.  

L’équipe a testé des pièces imprimées en 3D SLS dans des bains salins et en les exposant à un brouillard salin afin d’évaluer les effets corrosifs de l’eau de mer. Après de longues périodes d’exposition, les composants imprimés en 3D SLS commençaient à présenter des signes de corrosion, et Tamir s’est mis à explorer différentes méthodes de revêtement. Après avoir testé différentes méthodes de métallisation et de revêtement des pièces, l’équipe a opté pour le Cerakote. « Nous avons testé différents procédés et solutions de post-traitement qui, pensions-nous, pourraient protéger les pièces. Puis nous avons commencé à utiliser le Cerakote, et cela a tout simplement fonctionné. Nous appliquons désormais nous-mêmes le Cerakote sur nos pièces SLS, et elles résistent très bien au brouillard salin et à l’immersion », explique M. Tamir. 

Le Cerakote est un revêtement céramique fin et performant développé par NIC Industries qui offre de nombreux avantages mécaniques et esthétiques. Pour les produits et assemblages SLS destinés à une utilisation finale, le Cerakote peut améliorer les performances des pièces imprimées en 3D en prolongeant leur durée de vie et leur résistance aux intempéries.

Les tests de cycle de vie ayant été menés à bien et les essais bêta s’étant révélés concluants, Nakai a pu déployer ses robots finaux sur plusieurs navires parcourant les mers du monde entier. À mesure que la solution se fait connaître, la demande pour cette technologie économique et économe en énergie augmente. Presque tous les types de transport maritime, des navires de fret aux paquebots de croisière, sont concernés par les réglementations relatives aux biosalissures et, sans exception, tous cherchent à réduire leur consommation de carburant. « Lorsque nos robots nettoient un navire, ils vous font économiser de l’argent et des crédits carbone. Même avec une propulsion éolienne ou électrique, les frottements existent toujours, et l’élimination des biosalissures permet de les réduire », explique M. Tamir. 

L’impression 3D occupe une place importante dans le plan d’expansion de Nakai. Après avoir tiré parti d’un cycle de développement rapide et agile, Tamir sait que l’impression 3D peut aider l’entreprise à conserver son avance dans un secteur de plus en plus concurrentiel. « La prochaine étape pour notre entreprise, c’est le passage à l’échelle. Croître, renforcer le support et développer notre offre de produits. Je prévois d’acheter davantage d’imprimantes 3D et de poursuivre la production ici », explique M. Tamir. 

Grâce aux séries Form et Fuse, l’équipe de Nakai a pu à la fois itérer rapidement et produire des milliers de pièces finales destinées à des robots évoluant dans certains des environnements les plus difficiles qui soient : une eau froide, salée, sous forte pression et animée de courants rapides. « Nous avons choisi Formlabs pour la constance de sa qualité. Je veux envoyer quelque chose à l’imprimante, le récupérer, et que ce soit prêt. Je ne veux pas avoir à intervenir dessus », explique M. Tamir.

À mesure que de nouveaux clients et partenaires rejoignent l’entreprise, Nakai prévoit de poursuivre son expansion en s’appuyant à la fois sur l’impression 3D SLA et SLS. Pour en savoir plus sur les technologies Formlabs, découvrez les applications finales et les matériaux.