Il commercio internazionale non è mai stato così costoso e contestato come oggi: ogni fattore che potrebbe potenzialmente influire sui costi di spedizione è sottoposto a un'attenta analisi. Nakai Robotics, un'azienda fondata da Yair Tamir e Aviv Melman, ha sviluppato una soluzione robotica avanzata in grado di ridurre i costi per le grandi compagnie di navigazione, come Maersk o MSC, che hanno migliaia di navi mercantili in mare in qualsiasi momento.
I robot di Nakai sono veicoli autonomi per la pulizia che rimuovono il biofouling, ossia l'accumulo di alghe, vegetazione e vita animale, per aiutare le navi a funzionare in modo più efficiente rispettando le rigorose normative portuali in materia di pulizia.
Tamir stampa in 3D dal 2005: le stampanti 3D erano parte del suo flusso di lavoro quotidiano e ha imparato a sfruttare le tecnologie di progettazione e produzione su richiesta per risolvere i problemi in modo rapido. Quando è giunto il momento di aumentare la produzione e la progettazione, il team Nakai si è rivolto a una SLS accessibile. Hanno aumentato la produzione utilizzando tre stampanti della serie Fuse, oltre alle stampanti SLA Form 3L e Form 3B.
"Per noi, le parti stampate con le stampanti 3D SLS sono degne di essere prodotte in grandi volumi e hanno la qualità di un prodotto finale."
Yair Tamir, co-fondatore di Nakai Robotics
I costi del biofouling
Nakai Robotics è nata quando Melman si è rivolto a Tamir con un'osservazione e un'idea. In qualità di subacqueo ricreativo, Melman aveva osservato le parti inferiori delle navi che entravano nei porti e rimase stupito dal fango accumulato sui loro scafi. "Abbiamo trascorso un anno a studiare l'impatto del biofouling sull'ambiente nei porti e sui costi del carburante per le navi, e ci siamo resi conto che potevamo sviluppare una soluzione in grado di migliorare sia i profitti che la sicurezza ambientale", afferma Tamir.
Il biofouling incide sui costi di spedizione principalmente perché rallenta le navi: l'accumulo di materiale organico e inorganico che aderisce allo scafo crea un'enorme resistenza. Le navi devono bruciare più carburante per rispettare le scadenze, con conseguente aumento dei costi. Una carena pulita può avere un impatto drastico sull'efficienza: Nakai stima che i suoi robot portino a una riduzione dei costi del carburante compresa tra il 10% e il 15%.
Il robot PLECOS di Nakai Robotics sfrutta anni di ingegneria e sviluppo, oltre a centinaia di componenti distinti. Le parti stampate in 3D, così come i componenti stampati e lavorati, contribuiscono alla durata e all'efficienza del PLECOS.
Alcuni governi locali con politiche rigorose non consentono nemmeno alle navi di entrare nel porto se non superano prima un controllo dello scafo. Una nave da crociera australiana è rimasta bloccata fuori dal porto di Sydney per oltre una settimana prima che potesse essere pulita e portata in porto, con un costo enorme per la compagnia di crociera e per gli ospiti a bordo.
Oltre ai costi, il biofouling rappresenta un enorme problema per il delicato equilibrio dell'ecosistema nelle zone costiere dei porti. Quando le navi arrivano in porto, l'ecosistema costiero, già fragile, subisce un afflusso di materiale estraneo e specie invasive che si staccano naturalmente dallo scafo. Se una nave deve essere pulita (tipicamente da un veicolo telecomandato o da un subacqueo), il materiale estraneo deve essere rimosso. In alcuni Paesi meno regolamentati, è consentito lo scarico diretto nelle acque nazionali, il che può portare a effetti ambientali come l'estinzione di specie locali, lo sbiancamento dei coralli e la proliferazione di specie invasive.
Nakai offre due soluzioni di piattaforme. La prima, PLECOS, opera nei porti. Dispone di un filtro e di un serbatoio di raccolta proprietari per garantire che nessun detrito venga scaricato nelle acque locali. La seconda, GOBY, viaggia con la nave in mare aperto e rimuove continuamente i nuovi accumuli di biofouling man mano che si accumulano, riducendo così l'impatto ambientale e aiutando gli operatori navali a rispettare le normative.
"La formazione di biofouling è estremamente dannosa per l'ambiente e ha un impatto negativo sia sull'oceano che sui costi del carburante. Anche se esistono aziende che forniscono servizi di pulizia, è difficile rispettare le rigide normative portuali quando ci si trova all'interno dei confini marittimi di alcuni Paesi. Avevamo quindi bisogno di un modo per sviluppare qualcosa che potesse resistere alle forze del viaggio in acque profonde o raccogliere qualsiasi cosa venisse rimossa", afferma Tamir.
Risoluzione del problema: sviluppo di robotica subacquea
La stampa 3D è stata parte della soluzione fin dall'inizio. Quando Nakai è stata fondata, Tamir utilizzava già le stampanti 3D da vent'anni e conosceva tutte le tecnologie e i principali produttori di stampanti 3D sul mercato. Per questo progetto specifico, aveva bisogno di una soluzione che consentisse al team di sviluppare parti funzionali in modo rapido, con tolleranze precise in modo che si adattassero facilmente a un assieme molto complesso e realizzato con più materiali. "Stampiamo in continuazione, 24 ore su 24, 7 giorni su 7, lo sviluppo non si ferma mai", afferma Tamir.
Nel complesso, i robot Nakai sono composti da 1500 componenti diversi, 300 dei quali sono stampati in 3D per l'uso finale nelle versioni definitive dei robot. La loro soluzione di stampa 3D non deve solo essere in grado di produrre grandi volumi, ma anche di garantire coerenza, ripetibilità e precisione, utilizzando un materiale in grado di resistere a forze esterne intense. Con 300 componenti stampati in 3D per uso finale, Nakai ha bisogno di una soluzione che possa anche produrre volumi elevati da tenere come scorta per i nuovi ordini.
"Abbiamo scelto la serie Fuse per la qualità ripetibile. Voglio inviare una parte alla stampante, estrarla e averla pronta, non voglio giocarci. Ho molte persone che lavorano qui e non voglio dover insegnare a ciascuna di loro come calibrare una stampante."
Yair Tamir, co-fondatore di Nakai Robotics
Stampa 3D SLS per componenti robotici per uso finale
Tamir aveva iniziato a utilizzare la stampante SLA di grande formato di Formlabs, la Form 3L, e la versione desktop biocompatibile, la Form 3B, per un'altra impresa nel settore dei dispositivi medici. La gamma di materiali disponibili per la linea SLA ha permesso all'azienda di passare facilmente da una resina all'altra per diversi progetti. Hanno potuto sperimentare rapidamente con gli stampi per il guscio in fibra di carbonio ad alte prestazioni dei robot utilizzando le resine Formlabs e persino creare parti flessibili per una guarnizione. "Il nostro materiale SLA preferito è la Tough 1500 Resin, che usiamo praticamente per tutto, anche per gli stampi", afferma Tamir.
Per la produzione delle parti per uso finale, Tamir ha utilizzato la Fuse 1 con la Nylon 12 GF Powder, un materiale rinforzato con fibre di vetro che offre un'elevata rigidità e precisione dimensionale.
"Abbiamo optato per la Nylon 12 GF Powder per il suo eccellente carico di rottura. È stato il fattore determinante per la nostra scelta. Avevamo bisogno di qualcosa che potesse più o meno emulare l'acciaio o altri metalli."
Yair Tamir, co-fondatore di Nakai Robotics
Per produrre le migliaia di componenti SLS necessari per i robot, il team Nakai utilizza le sue stampanti 24 ore su 24, 7 giorni su 7. "Con oltre 300 parti SLS su ciascun robot, si tratta di una produzione a livello commerciale", afferma Tamir. Con un volume commerciale di questo tipo, è necessario poter contare anche sulla precisione e sulla coerenza delle parti, in modo che ogni robot venga assemblato e funzioni allo stesso modo. Anche dopo anni di stampa con la serie Fuse, Tamir e il suo team di produzione hanno riscontrato che le parti prodotte offrono una precisione dimensionale costante.
“Tutti dicono che la SLA è la migliore per le piccole caratteristiche, ma quando servono tolleranze percentuali, bisogna ricorrere alla SLS. La SLS può farlo più e più volte. Ogni volta si ottengono gli stessi risultati, senza deformazioni."
Yair Tamir, co-fondatore di Nakai Robotics
Garantire le prestazioni subacquee con Cerakote
Costruire un robot autonomo è già abbastanza difficile, ma costruirne uno che deve operare sott'acqua e con forze intense che agiscono contro di esso è una sfida di tutt'altro livello. La tecnologia che consente al robot GOBY di aderire allo scafo della nave è proprietaria, ma Nakai afferma che il robot utilizza la forza dell'acqua in arrivo per alimentarsi e rimanere saldamente attaccato alla nave.
Il guscio esterno del robot è realizzato in fibra di carbonio, fabbricata tramite un processo di preimpregnazione. Ma per tutte le componenti SLS destinate all'uso finale, Tamir aveva bisogno di una soluzione che potesse mantenere le parti impermeabili e funzionali anche dopo mesi sott'acqua.
Il team ha testato le parti stampate in 3D con SLS in bagni di sale e con spruzzi di sale per determinare gli effetti corrosivi dell'acqua di mare. Dopo lunghi periodi di esposizione, i componenti stampati in 3D con SLS iniziavano a mostrare segni di corrosione e Tamir ha iniziato a esplorare diversi metodi di rivestimento. Dopo aver testato diversi metodi di placcatura e rivestimento delle parti, hanno optato per il Cerakote. "Abbiamo testato trattamenti di post-elaborazione e soluzioni che pensavamo potessero proteggere le parti, ma poi abbiamo iniziato a usare Cerakote e ha funzionato. Ora rivestiamo in-house con Cerakote le nostre parti SLS e resistono bene alla nebbia salina e all'immersione in acqua", afferma Tamir.
Cerakote è un rivestimento in ceramica sottile e ad alte prestazioni sviluppato da NIC Industries che fornisce numerosi vantaggi meccanici ed estetici. Per i prodotti e gli assemblaggi SLS destinati all'uso finale, Cerakote può migliorare la funzionalità, prolungando la durata e la resistenza agli agenti atmosferici delle parti stampate in 3D.
Espansione a tutta velocità
I PLECOS possono rimanere attaccati e senza cavi, rimuovendo il biofouling dallo scafo della nave e rendendo il passaggio più efficiente.
Il team di Nakai utilizza i PLECOS per le grandi navi da carico, un esempio del settore in rapida crescita dei "droni come servizio" nell'industria dei droni e della robotica.
Dopo aver completato i test di durata e aver ottenuto risultati positivi dai test beta, Nakai è riuscita a distribuire robot per uso finale su più navi in tutto il mondo. Man mano che la notizia si diffonde, la domanda per questa soluzione economica e a risparmio energetico cresce: quasi tutti i tipi di soluzioni di trasporto, dal trasporto merci alle navi da crociera, devono affrontare problemi normativi legati al biofouling e, senza eccezione, tutti vorrebbero che il loro carburante li portasse più lontano. “Se i nostri robot puliscono la nave, risparmiate denaro e crediti di carbonio. Anche per le turbine eoliche o elettriche, l'attrito esiste ancora e la pulizia del biofouling lo risolve", afferma Tamir.
La stampa 3D è una parte importante del piano di espansione di Nakai: dopo averne sperimentato i vantaggi in termini di tempistiche di sviluppo rapide e agili, Tamir sa che può aiutare l'azienda a mantenere il suo vantaggio in un settore sempre più competitivo. "Il prossimo passo per la nostra azienda è la scalabilità. Più grande, più supporto, più prodotti. Ho intenzione di acquistare altre stampanti 3D e di farlo qui", afferma Tamir.
Grazie alle stampanti della serie Form e Fuse, il team Nakai è riuscito a iterare rapidamente e a creare migliaia di parti destinate all'uso finale per robot che operano in alcuni degli ambienti più difficili: acque ad alta pressione, fredde, salate e in rapido movimento. "Abbiamo scelto Formlabs per la qualità ripetibile. Voglio inviare qualcosa, voglio estrarla e voglio che sia pronta. Non voglio giocarci", afferma Tamir.
Con l'arrivo di nuovi clienti e partner, Nakai è pronta a espandersi con la stampa 3D SLA e SLS. Per scoprire di più sulla tecnologia Formlabs, esplora le applicazioni e i materiali per uso finale.