Sistema di stampa 3D subacquea del Laser Zentrum Hannover
Il Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH), in collaborazione con altri partner di ricerca tedeschi, sta sviluppando un sistema di produzione additiva in grado di effettuare riparazioni localizzate su strutture in acciaio direttamente sott’acqua. L’obiettivo è permettere interventi mirati su componenti di infrastrutture marine e offshore senza doverli smontare o riportare in superficie, riducendo tempi di fermo e costi operativi per armatori, operatori e gestori di impianti energetici.
Contesto: manutenzione di strutture in acciaio offshore
Le strutture in acciaio impiegate in ambiente marino – come fondazioni di turbine eoliche offshore, piattaforme petrolifere e gas, ponti su mare e infrastrutture portuali – sono soggette a forte corrosione, cavitazione, fatica e danneggiamenti da impatto. Gli interventi tradizionali si basano su saldatura subacquea, incamiciature, rivestimenti o sostituzione di intere sezioni, con operazioni complesse che richiedono squadre di sommozzatori specializzati, mezzi navali dedicati e spesso lo smontaggio dei componenti.
Principio del sistema di stampa 3D subacquea
Il nuovo sistema sviluppato da LZH utilizza un processo di deposizione di materiale metallico in ambiente liquido, adattato alle condizioni di pressione, temperatura e visibilità tipiche degli interventi subacquei. La tecnologia si basa su una testa di deposizione controllata da un sistema robotico o da un manipolatore guidato, che posiziona il materiale d’apporto su superfici danneggiate, fondendolo in modo controllato per costruire strati di metallo che ripristinano la geometria originale o creano rinforzi locali.
Integrazione del laser e controllo del bagno di fusione
Per garantire una fusione stabile in condizioni subacquee, il sistema integra una sorgente laser ad alta potenza, opportunamente schermata dall’acqua grazie a speciali ugelli e camere locali che controllano il flusso del liquido attorno al bagno di fusione. Il controllo preciso dell’energia laser, combinato con sensori ottici e termici, permette di gestire la solidificazione del materiale e di ottenere cordoni e strati omogenei nonostante lo scambio termico con l’acqua sia molto più intenso che in aria.
Protezione dell’area di lavorazione e gas di processo
Uno degli aspetti più critici è la protezione della zona di fusione dall’acqua circostante, per evitare difetti quali porosità, inclusioni e raffreddamento eccessivamente rapido. Per questo motivo, il sistema utilizza una sorta di “campana” o camera locale, alimentata con gas di protezione, che crea una micro–zona di processo attorno al punto di deposizione; in questo modo il bagno di fusione è isolato dal contatto diretto con l’acqua e la metallurgia del giunto risulta più controllabile.
Robotica subacquea e posizionamento
L’integrazione con robot subacquei (ROV o manipolatori montati su strutture fisse) consente di raggiungere aree difficilmente accessibili ai sommozzatori e di operare a profondità elevate. Il sistema di controllo comprende sensori di posizione, sistemi di visione compatibili con l’ambiente torbido e algoritmi che compensano il moto relativo tra struttura, robot e acqua (correnti, oscillazioni, vibrazioni), per mantenere il percorso di deposizione aderente alla superficie in riparazione.
Materiali e compatibilità con le strutture in acciaio
Il processo è stato concepito per lavorare con acciai strutturali tipici delle costruzioni offshore, in modo da garantire compatibilità metallurgica e meccanica fra il materiale depositato e il substrato esistente. La scelta del materiale d’apporto, dei parametri di energia e dei cicli termici consente di controllare microstruttura, durezza e tenacità della zona riparata, limitando al contempo tensioni residue e rischio di cricche.
Vantaggi rispetto alle tecniche tradizionali
Rispetto alla saldatura subacquea convenzionale, la deposizione additiva consente di modellare il materiale con maggiore precisione, seguendo la geometria del danno e permettendo riparazioni geometricamente complesse, come cavità, bordi smussati o volumi mancanti. Inoltre, il processo può essere programmato e ripetuto, offrendo un migliore controllo sulla qualità del giunto e sulla quantità di materiale aggiunto, con potenziale riduzione degli errori umani tipici dei lavori subacquei manuali.
Applicazioni su turbine eoliche offshore e infrastrutture marine
Le prime applicazioni previste riguardano le fondamenta e i pali di sostegno delle turbine eoliche offshore, dove difetti localizzati o corrosione possono compromettere la vita utile dell’impianto. Il sistema di stampa 3D subacquea può essere utilizzato per chiudere cricche, ricostruire spessori ridotti dalla corrosione, riparare cordoni di saldatura e applicare rinforzi in corrispondenza di zone critiche soggette a forte sollecitazione.
Sviluppo del sistema esperto e controllo qualità
In parallelo allo sviluppo della tecnologia di deposizione, LZH e i partner lavorano alla definizione di strategie di controllo qualità specifiche per le riparazioni subacquee. Ciò include procedure di ispezione visiva tramite telecamere, metodi di controllo non distruttivo adatti all’ambiente marino e raccolta dati di processo per alimentare modelli numerici e sistemi esperti in grado di prevedere la qualità della riparazione in funzione dei parametri utilizzati.
Prospettive industriali e collaborazione con le aziende
Il progetto prevede un forte coinvolgimento dell’industria, in particolare aziende della filiera dell’energia eolica offshore, dell’oil & gas, della cantieristica navale e della tecnologia subacquea, che contribuiscono con casi applicativi reali e requisiti specifici di esercizio. L’obiettivo è portare il sistema a un livello di maturità tecnologica tale da consentire test su infrastrutture reali, aprendo la strada a servizi di manutenzione avanzata basati su produzione additiva direttamente in mare.
