L'impermeabilità si riferisce alla capacità intrinseca di un materiale di respingere l'acqua o di impedire all'acqua di aderire o essere assorbita da una parte.

Sebbene l'impermeabilità dei diversi materiali sia parte integrante di questo esperimento, i risultati finali si basano sull'ermeticità di alloggiamenti multi-parte. Ciò è dovuto all'utilità di questo tipo di dati: la creazione di alloggiamenti ermetici è difficile e, se effettuata con i metodi tradizionali, può risultare laboriosa e costosa. La stampa 3D rappresenta un modo innovativo per condurre ricerche di alta qualità in acque profonde e costiere, oltre che per aiutare una moltitudine di settori che devono svolgere operazioni subacquee, tra cui quello della difesa, del petrolio e del gas, dei servizi pubblici e altri ancora.

Le parti ermetiche vengono utilizzate in contesti diversi, come nei motori fuoribordo per la nautica da diporto, l'esplorazione robotica in acque profonde, la fotografia subacquea e molto altro. Le parti ermetiche possono trattenere anche altri fluidi, per questo sono estremamente utili nelle applicazioni in cui tubi trasportano liquidi tra vari componenti, come nel settore automobilistico, nella ricerca chimica, nei servizi pubblici, nell'edilizia e in molti altri contesti.

Per le applicazioni di ricerca nei campi dell'ecologia, geologia o climatologia, creare apparecchi personalizzati per lo studio e il campionamento è spesso eccessivamente costoso. Poiché ogni applicazione è unica e gli ambienti in cui le parti vengono impiegate sono in continua evoluzione e difficili da gestire dalla superficie, i componenti subacquei o fluidodinamici spesso devono avere un certo grado di personalizzazione.

Gli attuali metodi di fabbricazione di questi componenti ermetici prevedono solitamente l'impiego di materiali molto comuni, come il metallo, la plastica stampata a iniezione o la gomma. I componenti prodotti in massa sono accessibili, ma configurarli in modo da soddisfare le esigenze specifiche di ogni singola applicazione può essere difficile e richiedere connettori, fissaggi o alloggiamenti personalizzati.

Per gli assemblaggi a più componenti, i componenti vengono sigillati con una combinazione di filettature a vite, elementi di interblocco o di accoppiamento, O-ring o guarnizioni. La scelta degli O-ring può essere estremamente difficile e la configurazione dei giusti parametri per ciascun alloggiamento può richiedere molto tempo. Il manuale sugli O-ring di Parker contiene migliaia di raccomandazioni basate su compressione, diametro, spessore, materiale, pressurizzazione e altre caratteristiche. La difficoltà del processo di scelta di un O-ring personalizzato porta molti a ripiegare sulla standardizzazione e sui componenti prodotti in serie, limitando così la capacità di innovazione e le nuove applicazioni.

Da quando la stampa 3D si è diffusa per applicazioni personalizzate o a basso volume, si è cercato di utilizzare la stampa 3D per applicazioni subacquee. I macchinari subacquei o i componenti robotici in settori come la ricerca, la foratura di petrolio e gas e l'edilizia sono tutti unici: i tipi di parti e le funzioni che devono svolgere sono specifici per le esigenze di quell'impresa. Le applicazioni subacquee sono state tradizionalmente limitate a imprese con alta disponibilità di fondi, in grado di costruire costosi macchinari e attrezzature personalizzate. La stampa 3D può essere il punto di svolta, poiché consente di fabbricare parti personalizzate per la ricerca e lo sviluppo a una frazione del costo dei metodi tradizionali. Per implementare con successo una soluzione subacquea stampata in 3D, è necessario valutare attentamente il tipo di tecnologia e il materiale usati. 

La tecnologia di stampa 3D più conosciuta, la modellazione a deposizione fusa (FDM), non permette di creare parti ermetiche. Da questa incapacità deriva l'errata credenza che in generale le parti stampate in 3D non possano essere utilizzate in applicazioni ermetiche. La tecnologia FDM si basa sull'estrusione della plastica fusa attraverso un ugello, che deposita il materiale strato per strato, ma senza che tra questi ultimi si crei un legame chimico. Le parti stampate con modellazione a deposizione fusa sono anisotropiche, cioè hanno proprietà meccaniche diverse in base alla direzione in cui si verificano le sollecitazioni meccaniche, e sono inoltre meno dense rispetto a oggetti simili prodotti con metodi alternativi. Poiché gli strati non sono chimicamente legati tra loro, i liquidi possono infiltrarsi nella superficie della parte attraverso i microscopici spazi tra gli strati. Gli alloggiamenti stampati con le stampanti FDM non sono quindi ermetici, a meno che le parti non vengano sottoposte a importanti fasi di post-elaborazione e sigillate tramite passaggi aggiuntivi, come la levigazione a vapore o il rivestimento. Queste parti sono destinate a implodere sotto pressione e a rompersi lungo le linee degli strati.

Al contrario, le parti stampate in 3D tramite stereolitografia (SLA) sono ermetiche, perché ogni strato è legato chimicamente a quello successivo. Questa tecnologia sfrutta un laser che polimerizza la resina liquida uno strato per volta, creando un legame incrociato tra le catene di polimeri all'interno di ciascuno strato, nonché con gli strati immediatamente precedenti e successivi. Questo procedimento permette di creare una finitura superficiale liscia, praticamente senza linee degli strati, e una superficie non porosa attraverso la quale l'acqua non può penetrare. Queste parti hanno tolleranze estremamente buone, per cui gli assemblaggi a più componenti, come gli alloggiamenti utilizzati per i test di questo articolo, possono essere filettati gli uni negli altri senza quasi alcuno spazio d'aria tra di loro. Se abbinati a una sigillatura o a una guarnizione, gli alloggiamenti diventano completamente ermetici e possono sopportare pressioni estremamente elevate.

Per la creazione delle parti, la tecnologia di sinterizzazione laser selettiva (SLS) si basa sulla sinterizzazione di una sezione trasversale del pezzo sopra un letto di polvere, che viene poi ricoperto con altra polvere procedendo in tal modo fino al completamento della parte. Le parti risultanti sono in una certa misura isotropiche, ma possono presentare differenze in termini di proprietà meccaniche a seconda della direzione di applicazione della forza. Le parti SLS sono ermetiche se progettate con le tolleranze e le tecniche di sigillatura adeguate.

L'URIL punta a democratizzare la ricerca in acque profonde. Stampanti 3D a prezzi accessibili come la Form 4 e la Form 4L di grande formato hanno reso possibile la progettazione e fabbricazione di strumenti altamente sofisticati per l'esplorazione subacquea e la condivisione di questi design con l'intera comunità scientifica.

L'URIL ha pubblicato diversi articoli sulla sua ricerca in acque profonde, tra cui una guida alla progettazione innovativa di DEEPi, un sistema di imaging e controllo in acque profonde, un'indagine sull'uso della stabilizzazione passiva per supportare la stampa SLA a bordo di un'imbarcazione

Il design presentato qui è stato scelto per avere un volume interno abbastanza grande da poter aderire a un microcomputer (Raspberry Pi Zero) e a una piccola batteria. Questo requisito di volume imposta i parametri per il diametro interno e la lunghezza dell'interno. Lo spessore della parete è stato scelto in base a precedenti prototipi di interni e all'obiettivo di profondità (almeno 1500 m). Poiché non esistono metodi FEA affidabili per simulare la pressione di implosione degli interni stampati in 3D, il progetto è stato testato con una camera a pressione idrostatica per garantire che il design fosse a tenuta stagna e abbastanza spesso da resistere alla pressione a 1500 m. L'Undersea Robotics and Imaging Lab ha realizzato entrambi i progetti: uno usato nei test con pareti sottili e l'altro con pareti più spesse, non testato (opensource e disponibili per la riproduzione pubblica).

L'involucro in più pezzi è stato progettato per garantire la facilità di utilizzo: ogni componente è dotato di filettature stampate in 3D che consentono di avvitare e svitare facilmente il collare dal tappo terminale e dal corpo. Sul campo, i ricercatori si trovano spesso su piccole imbarcazioni che si muovono con le onde e l'utilizzo di viti può essere scomodo. Grazie alla risoluzione delle stampanti della Serie FORM 4, la filettatura può essere integrata nel design insieme all'O-ring per una completa tenuta stagna, oltre che per un assemblaggio funzionale o uno smontaggio in caso di modifiche.

Questo design di base, sebbene destinato a un tipo specifico di microcomputer, può essere facilmente modificato con penetrazioni o attacchi per telecamere, sensori, passanti, ecc. Inoltre, se il corpo principale rimane lo stesso, possono essere realizzati diversi design per i tappi e i collari con scopi, dimensioni e forme diverse, purché la funzione di accoppiamento delle filettature si integri con il corpo.

L'Undersea Robotics and Imaging Lab ha sperimentato con successo sia guarnizioni O-ring di tenuta frontale sia guarnizioni a foro, preferendo tuttavia il primo tipo di guarnizioni.

Una volta scelti i diametri interno ed esterno dell'alloggiamento, è possibile selezionare un O-ring di tenuta frontale in base al diametro interno. L'O-ring deve aderire correttamente alla superficie tra il cappuccio protettivo e il corpo. Gli O-ring con numero di riferimento che inizia con "2", o quelli con una larghezza frazionaria di ⅛" (0,139"), creano la tenuta più affidabile per le parti stampate tramite SLA.

Un'osservazione generale è che gli O-ring di diametro più spesso sono più resistenti alla compressione nelle parti stampate in 3D. Per quanto riguarda le dimensioni del solco, cerca di ottenere una profondità inferiore del 15% - 20% rispetto al diametro frazionario dell'O-ring stesso (ad esempio, 100* (1-(0,115"/0,139")) = 17,2%). Il solco deve anche essere più largo della sezione trasversale dell'O-ring, in modo da consentire una certa compressione.

Il manuale sugli O-ring di Parker rappresenta una risorsa utile per definire queste dimensioni in modo molto più dettagliato e illustra svariati casi d'uso differenti.

Allo stesso modo in cui i coperchi protettivi delle guarnizioni sono utilizzati per applicazioni a bassa pressione (<100 m di profondità), l'Undersea Robotics and Imaging Lab ha combinato con esito positivo gli O-ring di tenuta frontale con alloggiamenti stampati in 3D e coperchi protettivi in acrilico tagliati al laser.

In questi design è possibile utilizzare profili di scanalatura degli O-ring complessi, purché sia previsto un raggio sufficiente per l'O-ring. Gli O-ring con numero di riferimento che inizia con "2" (0,139" di larghezza frazionaria) possono sopportare flessioni con raggio di scanalatura fino a 0,375". Per prevedere la dimensione corretta dell'O-ring, si consiglia di utilizzare la lunghezza complessiva del raggio interno dell'intera scanalatura dell'O-ring per calcolare un diametro interno equivalente di un O-ring che vi si avvicini, quindi ordinare due o tre dimensioni nello stesso intervallo per un test di aderenza effettivo. Non è possibile prevedere con precisione la profondità di schiacciamento di queste forme più complesse, ma l'uso di materiale acrilico spesso 0,375" è adatto fino a 100 m di profondità.

Per creare gli alloggiamenti sono state utilizzate le tecnologie di stampa 3D FDM, SLA e SLS. La Nylon 12 GF Powder è stata stampata sulla macchina 3D SLS Fuse 1+ 30W, mentre gli altri materiali (ovvero la Grey Resin, Clear Resin, BioMed Amber Resin e Rigid 10K Resin) sono stati stampati sulla macchina 3D SLA Form 3+. Le parti stampate tramite modellazione a deposizione fusa su una stampante Craftbot con filamento di acido polilattico hanno dimostrato di assorbire l'acqua immediatamente dopo l'immersione e sono state quindi eliminate dai test.

Sia la tecnologia SLA che quella SLS sono ampiamente utilizzate nell'ambito dell'ingegneria e della ricerca, ma offrono prestazioni ottimali anche in situazioni diverse. La tecnologia SLS è straordinaria per la produzione in volumi ridotti di parti per utilizzo finale. Inoltre, dispone di un catalogo di materiali ben noti, tra cui nylon e poliuretano termoplastico, e permette di creare parti resistenti e di qualità industriale. Le stampanti SLA sono ideali nei casi in cui è richiesta una finitura superficiale liscia e proprietà dei materiali molto specifiche. In questo test, sia la finitura superficiale liscia delle parti stampate tramite SLA che la loro densità hanno contribuito a fornire prestazioni ottimali in un ambiente pressurizzato.

I quattro materiali SLA scelti rappresentano resistenze diverse:

• Grey Resin: un materiale versatile e molto uniforme ideale per la prototipazione e le finiture superficiali lisce.
• Clear Resin: un materiale uniforme e ad alta precisione che può essere lucidato fino a ottenere una trasparenza ottica quasi totale, per applicazioni in cui è fondamentale poter vedere i componenti interni.
• BioMed Amber Resin: un materiale biocompatibile per la prototipazione e la produzione di dispositivi medici approvati dagli enti normativi.
• Rigid 10K Resin: una resina rinforzata con vetro, ideale per parti industriali che devono sopportare carichi pesanti senza piegarsi, come nel caso della creazione rapida di attrezzature per lo stampaggio a iniezione.

La polvere SLS scelta, ovvero la Nylon 12 GF Powder, è un materiale rinforzato con vetro con elevata rigidità e resistenza al calore, adatto a sopportare condizioni di produzione impegnative. È ideale per applicazioni in cui sono fondamentali la rigidità strutturale e la stabilità termica.

I metodi di post-elaborazione, come la lucidatura, la sabbiatura, il rivestimento, la placcatura o la tintura, possono avere effetti sulla porosità delle parti stampate in 3D e sulla loro finitura superficiale. Alcuni di questi metodi possono essere utilizzati per ottenere un maggior grado di ermeticità. Per questo esperimento, alcuni alloggiamenti realizzati con la Rigid 10K Resin sono stati sottoposti a sabbiatura, che rende più liscia la finitura superficiale e ne elimina la porosità.

Poiché non esistono valori standard del settore per questi materiali stampati in 3D in termini di test di implosione, all'inizio della ricerca l'URIL ha creato una camera di implosione personalizzata per imitare le pressioni registrate a migliaia di metri al di sotto del livello del mare.

Nell'analizzare i risultati, è importante notare che anche la pressione di implosione media più bassa, ovvero 1304 psi per gli alloggiamenti realizzati con la Nylon 12 GF Powder sulle stampanti SLS della serie Fuse, rappresenta una profondità considerevole. 1304 psi è la pressione dell'acqua a una profondità di quasi 1000 m, una profondità ben maggiore di quella delle aree studiate dalle numerose comunità costiere che possono trarre vantaggio da una ricerca in acque profonde accessibile e a costi contenuti.

I risultati hanno dimostrato che la stampa 3D SLA e SLS, se unite all'utilizzo di guarnizioni O-ring, sono metodi efficaci per creare alloggiamenti ermetici. Tra le due, la stampa 3D SLA ha fornito i risultati migliori. Le parti stampate in FDM sono risultate inadatte a questa applicazione, poiché assorbono acqua immediatamente dopo l'immersione e non riescono a sopportare alcun tipo di pressione.

I materiali SLA più rigidi hanno fornito le migliori prestazioni sotto pressione. Inoltre, metodi di post-elaborazione come la sabbiatura possono ottimizzare ulteriormente le prestazioni delle parti riducendo la porosità di superficie.

La Rigid 10K Resin, utilizzata sulla stampante Form 4 e sottoposta a sabbiatura, è la scelta migliore per produrre parti ermetiche e può resistere a pressioni superiori a 5500 psi. La scelta degli O-ring e il design dell'alloggiamento sono fasi importanti nella creazione di un alloggiamento completamente ermetico, e i progetti opensource, come quello creato da Motsenbocker presso l'URIL, possono essere utilizzati per creare in modo rapido ed economico parti e assemblaggi ermetici.

Questi risultati dimostrano che la stampa 3D, soprattutto con stampanti accessibili e poco costose come quelle della serie Form 4 di Formlabs, può contribuire a rendere alla portata di tutti la ricerca nelle profondità oceaniche e aprire nuove strade di esplorazione per le comunità costiere. Questa tecnologia, grazie agli avanzati materiali disponibili e a un workflow facile e collaudato, rappresenta una soluzione ideale per la ricerca a basso costo e di grande valore.

Per informazioni sull'URIL e sul suo lavoro di esplorazione delle comunità costiere e degli ambienti marini profondi, visita il suo sito Internet.