Pioneer MKII: Unterwasserfahrzeug, Bugmodul-Design
Eine Struktur, die den Sensor fest hält, und eine Hülle, die das Wasser sauber durchschneidet, mussten gleichzeitig entworfen werden. Im ITU ROV Team stammten sowohl das Innen- als auch das Außendesign dieses Moduls von mir.
Zwei widersprüchliche Anforderungen, ein Modul
Pioneer MKII ist ein blind tauchendes Erkundungsfahrzeug, das sonar- und kamerabasierte Unterwasserbildgebung und Kartierung sowohl ferngesteuert als auch autonom ausführt. Das Bugmodul musste zwei miteinander im Spannungsverhältnis stehende Anforderungen gleichzeitig erfüllen:
- Sonar-, Kamera- und Sensorkomponenten müssen unter Unterwasservibration und -druck in fester, präziser Position bleiben
- Die Hülle bewegt sich in einer strömungsgünstigen Form, während dieselben Sensoren die Außenumgebung optisch/akustisch weiterhin erfassen können
Diese beiden Anforderungen üben oft gegensätzlichen Formdruck aus: strukturelle Steifigkeit verlangt einen geschlossenen, dicken Querschnitt, Sensorsicht verlangt einen offenen, dünnen.
Referenzen und Anforderungen sammeln
In teaminternen technischen Meetings wurden die physischen Abmessungen des Sensorpakets (Sonar + Kamera), die Verkabelungsanforderungen und die Sichtfeldbeschränkungen geklärt. Anhand bestehender ROV-Bugmodul-Designs wurde eine Kurzliste erstellt, welche Formsprache sowohl fertigbar als auch ausreichend hydrodynamisch ist.
Wie wir entschieden haben, was richtig ist
| Kriterium | Anforderung |
|---|---|
| Strukturelle Steifigkeit | Sensorpaket muss seine Position bei Unterwasservibration halten |
| Hydrodynamik | Geringer Widerstand, strömungsgünstige Durchgangsform |
| Sensorsicht | Freies Sichtfeld für optische/akustische Erfassung |
| Wartungszugang | Halterung muss aus- und wieder einbaubar sein |
| Sichtbarkeit/Sicherheit | Unter Wasser gut erkennbare Farbe |
| Fertigungsmethode | Muss per FDM-3D-Druck herstellbar sein |
Warum die Torpedoform gewählt wurde
Stumpfe und konische Bugformen wurden bewertet. Die konische/torpedoförmige Form erwies sich sowohl für den Strömungswiderstand als auch für das ungehinderte Sichtfeld der Sensoren nach vorn als besser geeignet. Die Finnen wurden symmetrisch am Heck der Hülle platziert, um die Richtungsstabilität des Fahrzeugs unter Wasser zu unterstützen.
Von der Handskizze zu CAD
Die meisten Formentscheidungen dieses Projekts wurden direkt und iterativ in CAD getroffen; ein eigener Satz Handskizzen wurde nicht so archiviert, dass er dieser Fallstudie hinzugefügt werden könnte.
Form und Innenleben gemeinsam modellieren
Außenhülle und Innenhalterung wurden parallel als zwei sich gegenseitig einschränkende Teile entwickelt, mit jeder Änderung der Innenkomponenten-Anordnung wurde auch die Außenform neu geformt. Der Prozess wurde durch Explosionsdarstellungen unterstützt, um die Montagelogik vor der Fertigung zu prüfen.
Die innere Halterung
Die innere Halterung für Sonar-, Kamera- und Sensorkomponenten wurde entworfen, um zwei Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen: die Komponenten sicher fixieren und für die Wartung demontierbar sein. Die Halterung wurde als modulare Unterstruktur aufgebaut, die in den inneren Zylinder der Hülle passt.
Auf der Außenhüllenseite wurde die Hülle mit offenen Bereichen geformt, die die Sichtlinie der Sensoren nicht verdecken; die Wandstärke wurde punktuell zwischen struktureller Steifigkeit und dem Bedarf an Offenheit abgestimmt.
Eine Fertigungsbeschränkung wurde zur Designentscheidung
Die orange Farbe war eine bewusste Designentscheidung für Sichtbarkeit und Sicherheit unter Wasser. Doch in der Fertigungsphase mussten wir wegen des Zeitdrucks vor TEKNOFEST mit dem vorhandenen FDM-Filament weiterarbeiten, der finale physische Prototyp wurde in einer anderen Farbe gefertigt.
Für die Montage wurde die Halterung modular gehalten, sodass sie von Hand aus- und wieder eingebaut werden kann (DFA); Sensorwechsel oder Wartung erfordern kein Öffnen der gesamten Hülle.
Physische Validierung per FDM-3D-Druck
Das Design wurde per FDM-3D-Druck gefertigt und mit den echten Elektronik-/Sensorkomponenten montiert.
Beckentest
Das Fahrzeug wurde unter realen Beckenbedingungen getestet, sowohl die Bewegungsstabilität als auch die physische Integrität des Sensorpakets wurden bestätigt.
Eine begrenzte, aber echte Feedback-Schleife
Die Farbentscheidung (im DFM-Abschnitt beschrieben) ist das konkreteste Iterationsbeispiel dieses Projekts. Andere geometrische Überarbeitungen erfolgten in der CAD-Phase, vor dem Übergang zum physischen Druck, weshalb es sich nicht um mehrere physische Prototyp-Iterationen handelte, sondern um einen einzigen, validierten Fertigungsdurchlauf.
Ergebnis
TEKNOFEST, Design- und Präsentationspreis
In einem Wettbewerbsabschnitt wurde mit noch nicht fertig getesteten Sonarsensoren ein Blindtauchgang gewagt, um zusätzliche Punkte zu erzielen. Er brachte nicht die erwartete Wertung, sodass das Fahrzeug in der Gesamtwertung unplatziert blieb. Dennoch wurde Pioneer MKII bei TEKNOFEST in der Kategorie Design und Präsentation ausgezeichnet.
