1. Hochauflösender 3D-Drucker AGILISTA - Startseite
  2. Beispiele für die Nutzung bei unseren Kunden
  3. Japanisches Zentrum für Schiffbauforschung

Japanisches Zentrum für Schiffbauforschung

Dokument (PDF) herunterladen

Yuki Totani aus der Technologieabteilung

Japanisches Zentrum für Schiffbauforschung

Yuki Totani aus der Technologieabteilung

Der einzige 3D-Drucker, der in der Lage war, die Modelle für Wasserbeckenexperimente in hoher Auflösung zu drucken, war der AGILISTA.

Wir verwenden den AGILISTA bei Experimenten in Wasserbecken zur Messung der energiesparenden Wirkung von Objekten, die zu Rümpfen hinzugefügt werden.

— Wie verwenden Sie den 3D-Drucker AGILISTA?

In unserem Prüfzentrum verwenden wir den 3D-Drucker AGILISTA bei Wasserbeckenexperimenten an energiesparenden Vorrichtungen, die wir im Auftrag von Werften durchführen.

Extrem einfache, energiesparende Vorrichtung, die als Probe gedruckt wurde, als der Kunde überlegte, ob der AGILISTA angeschafft werden sollte (Länge × Breite × Dicke: ca. 5 cm × ca. 2 cm × ca. 2 mm)

Extrem einfache, energiesparende Vorrichtung, die als Probe gedruckt wurde, als der Kunde überlegte, ob der AGILISTA angeschafft werden sollte (Länge × Breite × Dicke: ca. 5 cm × ca. 2 cm × ca. 2 mm)

— Was sind das für energiesparende Vorrichtungen?

Energiesparende Vorrichtungen sind so konstruiert, dass der Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen verringert werden. Zu diesem Zweck werden diese Vorrichtungen am Rumpf angebracht, um den Wirkungsgrad von Antrieb und Schiffsschraube zu verbessern.

Unten sehen Sie einige Beispiele für energiesparende Vorrichtungen.

Der AGILISTA wird im Zusammenhang mit Experimenten in Wasserbecken an energiesparenden Vorrichtungen verwendet, die als „zusätzliche Formen“ bezeichnet werden und hier nachstehend dargestellt sind.

Beispiele für energiesparende Vorrichtungen

Zusätzliche Vorrichtungen
Rumpfflosse

Rumpfflosse

Es handelt sich um eine flache oder keilförmige Flosse, die eine lange, schmale Form aufweist und an der Beschichtung des Rumpfs angebracht wird. Diese Vorrichtung verbessert insbesondere die Kielwasserverstärkung (ein Verfahren, bei dem die Antriebskraft durch Verringern der Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der Schiffsschraube gesteigert wird).

Leitschaufeln

Leitschaufeln

Es handelt sich um eine Gruppe von Flossen, die am Heck in radialer Anordnung vor der Schiffsschraube angebracht sind. Diese Vorrichtung sorgt für eine Drehströmung in entgegengesetzter Richtung zur Drehrichtung der Schiffsschraube, wodurch die verlorene Rotationsenergie des Schraubenstrahls rückgewonnen wird.

Kanal

Kanal

Es handelt sich um einen ringförmigen oder ähnlich geformten Kanal, der direkt vor der Schiffsschraube angebracht wird. Diese Vorrichtung begradigt das Strömungsfeld am Heck und beschleunigt den Strömungsfluss zur Vorderseite der Schiffsschraube.

Ruderflosse

Ruderflosse

Es handelt sich um eine flügelförmige Flosse, die in der Nähe einer Geraden in Fortsetzung der Mittellinie der Schraubenwelle angebracht wird. Diese Vorrichtung dient zur Rückgewinnung der Energie der Drehströmung hinter der Schiffsschraube und wandelt diese Energie in Vorschub um.

Wulst

Wulst

Es handelt sich um eine Wulst (ein knollenförmiges Objekt), die auf oder in der Nähe einer Geraden in Fortsetzung der Mittellinie der Schraubenwelle angebracht wird. Diese Vorrichtung dient zur Rückgewinnung des Verlusts aufgrund der Drehströmung und des Nabenwirbels der Schiffsschraube und trägt somit zur Steigerung des Antriebswirkungsgrads bei.

Zusätzliche Schiffsschraubenvorrichtungen
Gegenläufige Schiffsschrauben

Gegenläufige Schiffsschrauben

Wenn zwei Schiffsschrauben auf derselben Welle gegenläufig drehen, wird die von der vorderen Schiffsschraube erzeugte Rotationsenergie durch die hintere Schiffsschraube rückgewonnen.

Vorrichtung zur Rückgewinnung des Nabenwirbelverlusts

Vorrichtung zur Rückgewinnung des Nabenwirbelverlusts

Diese Vorrichtung wird an der Nabe der Schiffsschraube angebracht und dient zur Rückgewinnung des Energieverlusts, der durch die hinter der Schiffsschraube erzeugten Nabenwirbel verursacht wird.

Gekapselte Antriebsvorrichtung

Gekapselte Antriebsvorrichtung

Eine gekapselte Antriebsvorrichtung (eine kapselförmige Antriebsvorrichtung, in der ein Motor verwendet wird, um die Zusatzschraube zu drehen) dient zur Rückgewinnung des Drehströmungsverlusts der Hauptschraube.

Für die geschätzten Leistungswerte ist hohe Genauigkeit vorgeschrieben, mit einem Messfehler von max. ±1 %

— Wie werden die Experimente in Wasserbecken durchgeführt?

Bei Wasserbeckenexperimenten für energiesparende Vorrichtungen rüsten wir ein Modellschiff, das circa 6,5 m lang ist, mit einem Modell der zu prüfenden Vorrichtung aus und ziehen das Schiff dann durch ein großes Wasserbecken, das mit Ziehvorrichtungen versehen ist.

Die eigentlichen energiesparenden Vorrichtungen weisen Abmessungen von einigen Metern auf. Wir verkleinern sie jedoch gemäß den Abmessungen der Modellschiffe, sodass sie genau die richtige Größe haben, um mit dem AGILISTA angefertigt zu werden.

Wir führen zwei Arten von Experimenten in Wasserbecken durch: ein Beständigkeitsexperiment und ein Selbstantriebsexperiment.

Beim Beständigkeitsexperiment ziehen wir das Modell mit einem Abschleppwagen, um vor allem die Beständigkeit des Rumpfs zu prüfen.

Beim Selbstantriebsexperiment wird das Modell über die eigene Schiffsschraube angetrieben, um vor allem deren Wirkungsgrad zu beurteilen.

Großes Wasserbecken, in dem die Experimente durchgeführt werden, Länge: 400 m, Breite: 18 m, Wassertiefe: 8 m * Zum Schutz von Unternehmensgeheimnissen wurde diese Abbildung teilweise geschwärzt.

Großes Wasserbecken, in dem die Experimente durchgeführt werden, Länge: 400 m, Breite: 18 m, Wassertiefe: 8 m
* Zum Schutz von Unternehmensgeheimnissen wurde diese Abbildung teilweise geschwärzt.

— Was ist bei der Durchführung von Experimenten in Wasserbecken am wichtigsten?

Es gelten sehr strenge Genauigkeitsanforderungen für die geschätzten Leistungswerte.

Die Genauigkeit der geschätzten Leistungswerte bezieht sich auf die Übereinstimmung zwischen der Leistung, die anhand der an den Modellen durchgeführten Wasserbeckenexperimente geschätzt wurde, und der Leistung des gebauten Schiffs, wenn es zu Wasser gelassen ist. Beispiele für die Leistungswerte, die anhand von Wasserbeckenexperimenten geschätzt werden, sind die Schiffsgeschwindigkeit und der Kraftstoffverbrauch, die sich ergeben, wenn ein Schiff mit einem Motor mit einer bestimmten Leistung ausgerüstet und mit einem bestimmten Frachtvolumen beladen wird.

Derzeit können wir in unserem Prüfzentrum anhand der Experimente an Modellschiffen in Wasserbecken Leistungswerte wie die Schiffsgeschwindigkeit und den Kraftstoffverbrauch des gebauten und zu Wasser gelassenen Schiffs mit einer Genauigkeit von max. ±1 % schätzen.

Mit diesem Genauigkeitsgrad sind wir aber noch nicht zufrieden. Wir forschen laufend und verfeinern unsere Verfahren weiter, um unsere Genauigkeit zu steigern.

— Warum gelten sehr strenge Genauigkeitsanforderungen für die geschätzten Leistungswerte?

Weil die Werften in einem scharfen Wettbewerb stehen, um den Kraftstoffverbrauch um gerade einmal 1 % zu senken.

In dieser Welt, in der die Frage lautet, ob eine solche Verbesserung um 1 % erzielt werden kann, ist ein Schätzfehler von über 1 % unter keinen Umständen hinnehmbar.

— Können Sie uns einige der Schritte nennen, die Sie ergreifen, um die Genauigkeit der anhand von Experimenten in Wasserbecken geschätzten Leistungswerte zu steigern?

Wir machen beispielsweise Folgendes:

1. Die Genauigkeit der Modelle verbessern

Um die Leistung eines Schiffs korrekt zu schätzen, ist es zuallererst erforderlich, dass die Form des Schiffsmodells exakt der Form des tatsächlichen Schiffs entspricht.

Bei Modellen von energiesparenden Vorrichtungen, die ja so konstruiert sind, dass durch feinste Änderungen des Strömungsflusses die Energieeffizienz gesteigert wird, ist ein besonders hoher Genauigkeitsgrad erforderlich.

Je nach Teil - beispielsweise bei der Kante einer Flosse - ist möglicherweise eine Genauigkeit von ±0,1 mm erforderlich.

2. Die Genauigkeit der Experimente verbessern

Um die Genauigkeit der Experimente in Wasserbecken zu steigern, verbessern wir kontinuierlich unsere Messinstrumente und unsere Messverfahren.

3. Die Genauigkeit der Schätzungen verbessern

Um die Leistungswerte eines tatsächlichen Schiffs bei seiner Fahrt über die Meere - wo es den Einwirkungen von Wind und Wellen ausgesetzt ist - anhand der Daten abzuschätzen, die wir erhalten, indem wir Modelle in Wasserbecken - in denen es ja weder Wind noch Wellen gibt - bewegen, forschen wir laufend nach immer genaueren Berechnungsverfahren unter Einbeziehung der gesammelten Daten aus bisherigen Ergebnissen.

Yuki Totani

Yuki Totani

„Für Experimente, die in Wasserbecken an Modellen durchgeführt werden, gelten hohe Genauigkeitsanforderungen.“

Wenn wir externe Unternehmen beauftragten, erhielten wir einfach nicht den erforderlichen Genauigkeitsgrad

— Wie haben Sie vor der Anschaffung des AGILISTA Modelle der genannten energiesparenden Vorrichtungen angefertigt?

Vor der Anschaffung des AGILISTA verwendeten wir eine NC-Fräsmaschine, um aus Holzmasse Modelle solcher energiesparenden Vorrichtungen anzufertigen.

— Bitte erläutern Sie uns die Hintergründe, die Sie bewogen haben, über die Einrichtung eines 3D-Druckers nachzudenken.

In den letzten Jahren sind die Anforderungen hinsichtlich eines geringeren Kraftstoffverbrauchs immer dringlicher geworden, während wir allmählich an unsere Grenzen stießen, was die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs durch Verbesserungen bei der Rumpfform anbelangt. Vor diesem Hintergrund besteht die Hoffnung, dass sich mithilfe von energiesparenden Vorrichtungen Lösungen finden lassen.

Bei diesem Prüfzentrum gingen auch immer mehr Aufträge für Wasserbeckenexperimente an unterschiedlichen energiesparenden Vorrichtungen ein. Wir erhielten so viele Aufträge, dass wir mit dem Anfertigen von Modellen per NC-Fräsmaschine nicht mehr nachkamen.

Probeweise erteilten wir einem externen Unternehmen einen Auftrag zur Anfertigung eines Modells durch schichtweises Pulversintern.

— Wie war das Ergebnis dieser Fremdvergabe des Modellbaus?

Leider erhielten wir einfach nicht den erforderlichen Genauigkeitsgrad.

Je nach Teil benötigen wir eine Genauigkeit von ±0,1 mm, aber die Auflösung des beim Pulversintern verwendeten Lasers reichte nicht aus, um einen solchen Genauigkeitsgrad zu erzielen.

Wegen der ungleichmäßigen Schrumpfung während der Abkühlung war das Modell außerdem verzogen. Da als Rohmaterial Nylon verwendet wurde, war es schwer zu schneiden. Die Korrektur des Verzugs erwies sich daher als sehr schwierig.

Zudem dauerte es circa eine Woche, bis das fertige Modell geliefert wurde. Also überdachten wir die Situation erneut, diesmal in Richtung einer Verbesserung unserer internen Kapazität in Sachen Modellbau.

Wir konzentrierten uns auf 3D-Drucker, mit denen komplexe Formen innerhalb ein und desselben Objekts gedruckt werden können.

— Welche Verfahren zogen Sie in Betracht, um Ihre Kapazität für den Modellbau zu verbessern?

Zunächst zogen wir die Anschaffung einer kompakten NC-Maschine in Betracht. Das wäre dasselbe gewesen wie die herkömmliche Maschine, die wir benutzten.

Mit NC-Maschinen können aber keine komplizierten Formen angefertigt werden. Um Modelle von energiesparenden Vorrichtungen mit komplizierten Formen herzustellen, muss daher jedes Teil mit der NC-Maschine angefertigt, die Teile zusammengebaut und das Modell endbearbeitet werden.

Da nur eine begrenzte Anzahl unserer Mitarbeiter in der Montage und Endbearbeitung von Modellen versiert sind, würde eine Erhöhung der Anzahl von NC-Maschinen allein keine Steigerung unserer Gesamtkapazität zur Anfertigung von Modellen bewirken.

Während wir nach Verfahren zur deutlichen Verbesserung unserer Kapazität für den Modellbau suchten, wurden wir auf 3D-Drucker aufmerksam.

Mit einem 3D-Drucker würde es uns möglich sein, komplexe Formen in einem Bauteil zu drucken, wodurch die Prozesse der Montage und der Endbearbeitung weitgehend entfallen würden. An diesem Punkt nahmen wir die von verschiedenen Herstellern angebotenen 3D-Drucker näher unter die Lupe.

Der AGILISTA an seinem Aufstellort im Büro

Der AGILISTA an seinem Aufstellort im Büro

Am Ende fiel die Wahl ohne jeden Zweifel auf den AGILISTA.

— Welche Kriterien musste Ihr 3D-Drucker erfüllen?

Wir hatten für unseren 3D-Drucker die beiden folgenden Kriterien festgelegt:

Bedingung 1. Es musste möglich sein, die Modelle im Wasser zu verwenden.

Wir wollten Modelle für ein Experiment in einem Wassertank herstellen. Also brauchten wir unbedingt gedruckte Modelle, die im Wasser verwendet werden können. Wenn ich dies auf Fachmessen und in anderen Situationen darlegte, erhielt ich stets zur Antwort, dass sich jedes mit einem 3D-Drucker hergestellte Modell „im Wasser verformt“.

Der AGILISTA arbeitet jedoch mit einem Verfahren, bei dem das Supportmaterial durch Einweichen in Wasser entfernt wird. Das bedeutet, dass auch die fertigen Modelle im Wasser verwendet werden können.

Bedingung 2. Die Druckgenauigkeit musste hoch sein.

Zur Prüfung der Genauigkeit erstellten wir mit 3D-CAD-Software eine einfache Flügelform und ließen uns diese Form dann im Rahmen einer Präsentation mit einem AGILISTA anfertigen. Auf diese Weise erhielten wir die Bestätigung, dass die erforderliche Genauigkeit in kritischen Bereichen auch tatsächlich erzielt wird, etwa im geraden Bereich der scharfen Kante der Flügelform.

Das Anfertigen der Modelle ist ein oder zwei Tage nach Erstellung der Daten abgeschlossen

— Könnten Sie uns einige Vorteile nennen, die Sie durch die Einrichtung des AGILISTA erzielt haben?

Wir konnten beispielsweise folgende Vorteile erzielen:

Vorteil 1: Der Zeit- und Arbeitsaufwand zum Anfertigen von Modellen hat sich erheblich verringert.

Sowohl der Zeit- als auch der Arbeitsaufwand für das Anfertigen von Modellen hat sich erheblich verringert.

Um ein Modell einer energiesparenden Vorrichtung anzufertigen, brauchten wir vorher circa eine Woche. Jetzt brauchen wir, sobald die Daten fertig sind, nur noch ein bis zwei Tage.

Vorteil 2: Wir können nun mühelos Modelle mit komplexen Formen anfertigen.

Allgemein gesprochen sind Rümpfe gekrümmte Oberflächen. Deshalb weisen energiesparende Vorrichtungen, die beispielsweise Flossenform haben und über eine gewisse Länge am Rumpf angebracht werden, wesentlich komplexere Formen auf, als man auf den ersten Blick denkt.

Es ist uns nun möglich, ausgehend von dreidimensionalen Daten Modelle derartiger komplexer Formen ohne großen Aufwand anzufertigen.

Vorteil 3: Wir können nun flexibel auf Zeitplanänderungen reagieren.

Dank der Zeiteinsparung beim Modellbau können wir jetzt beispielsweise bei Zeitplanänderungen für die Untersuchung flexibel reagieren.

Die Bildschirmmeldungen erleichtern die Arbeit.

— Wir hätten gerne Ihre Beurteilung hinsichtlich der Einfachheit der Entfernung des Supportmaterials.

Das gesamte Supportmaterial lässt sich entfernen, indem das Modell einfach in Wasser gelegt wird. Es ist ein gutes, einfaches System.

Wir haben keinerlei Schwierigkeiten mit dem Entfernen von Supportmaterial, selbst bei ziemlich komplexen Formen.

— Gibt es Funktionen, die Sie während der praktischen Arbeit mit dem Gerät kennen und schätzen gelernt haben?

Wenn man 3D-CAD-Software verwendet, um Daten in das STL-Format umzuwandeln, kommt es besonders bei Formen, die sich durch das Zusammenfügen von gekrümmten Oberflächen ergeben, leicht zu Umwandlungsfehlern. Die im Lieferumfang des AGILISTA enthaltene Software korrigiert derartige Konvertierungsfehler automatisch, was sehr hilfreich ist.

Auch die automatische Anpassung der Position und Ausrichtung der gedruckten Objekte ist nützlich.

— Haben Sie weitere Anmerkungen zur Beurteilung der Benutzerfreundlichkeit des AGILISTA?

Wenn der Druckvorgang gestartet werden soll, erscheint auf dem Touch-Panel des Druckers ein Dialogfeld mit der Frage, ob die Druckplatte auch tatsächlich leer ist. Das verhindert Fehler und erleichtert die Arbeit.

Zudem ist die Anzeige des Displays leicht zu verstehen.

„Wir sind sehr zufrieden mit der Wasserbeständigkeit und der Genauigkeit der Modelle, die wir mit dem AGILISTA angefertigt haben.“ (Yuki Totani)

„Wir sind sehr zufrieden mit der Wasserbeständigkeit und der Genauigkeit der Modelle, die wir mit dem AGILISTA angefertigt haben.“ (Yuki Totani)

Wir denken auch darüber nach, den AGILISTA zum Anfertigen von Schiffsschrauben für Selbstantriebsexperimente zu verwenden.

— Gibt es Bereiche, in denen Sie den AGILISTA in Zukunft einsetzen möchten?

Wir denken derzeit darüber nach, den AGILISTA zum Anfertigen der Schiffsschrauben für den Antrieb der Modellschiffe zu verwenden.

Derzeit schneiden wir die Schiffsschrauben mit einer NC-Fräsmaschine aus einem Aluminiumblock. Es gibt jedoch viele Bereiche, die von den Werkzeugen der NC-Fräsmaschine nicht erreicht werden, sodass eine sehr feine und aufwändige Endbearbeitung und Oberflächenbearbeitung erforderlich ist. Deshalb dauert es fast einen Monat, bis ein solches Modell fertig ist.

Probeweise haben wir den AGILISTA schon eingesetzt, um eine Schiffsschraube anzufertigen. Dabei gab es keine Probleme hinsichtlich der Druckgenauigkeit.

Zudem konnten wir feststellen, dass eine solche Schiffsschraube - sofern die Beanspruchung unterhalb einer gewissen Schwelle bleibt - durchaus verwendet werden kann, um ein Modellschiff anzutreiben.

Die Aussicht, eine Schiffsschraube innerhalb von ein paar Stunden anzufertigen, statt einen ganzen Monat dafür zu brauchen, ist sehr reizvoll. Deshalb überlegen wir derzeit genau, bei welcher Art von Experimenten wir Schiffsschrauben verwenden können, die mit dem AGILISTA angefertigt werden.

— Abschließend möchten wir Sie noch um eine Beurteilung des Support-Systems von KEYENCE bitten.

Bei Fragen oder Anmerkungen haben wir stets sehr rasch Antwort erhalten. Während wir die Anschaffung des Geräts prüften, versorgte Ihr Vertreter uns detailliert mit sämtlichen erforderlichen Dokumenten, sodass wir diese an alle Beteiligten weiterleiten und rasch zu einer Entscheidung gelangen konnten, was uns sehr geholfen hat. Wir freuen uns auf die weitere Zusammenarbeit mit KEYENCE.

Schiffsschraube für Selbstantriebsexperimente, probeweise mit dem AGILISTA gedruckt (ca. 165 × 165 × 23 mm) Mit dieser Schiffsschraube konnte ein Modellschiff tatsächlich angetrieben werden.

Schiffsschraube für Selbstantriebsexperimente, probeweise mit dem AGILISTA gedruckt
(ca. 165 × 165 × 23 mm) Mit dieser Schiffsschraube konnte ein Modellschiff tatsächlich angetrieben werden.

Dokument (PDF) herunterladen