3D-Komponenten für zivile Inspektions- und Überwachungssysteme

Zivile Inspektions- und Überwachungssysteme, von Drohnen über Crawler-Roboter bis zu Sensoren für Infrastrukturen und Anlagen, erfordern oft kundenspezifische technische Komponenten, die nicht im Katalog verfügbar sind. Der industrielle 3D-Druck ermöglicht es, sie schnell zu realisieren, auch in Serie, mit Materialien, die für Anforderungen wie Leichtigkeit, Vibrationsbeständigkeit, elektrische Isolation und flammhemmendes Verhalten geeignet sind.

Dieser Leitfaden beschreibt Einsatzszenarien, typische Komponenten und die richtigen Materialien für diejenigen, die Inspektionssysteme für Energie, Infrastruktur und Bauwesen konstruieren und produzieren.

Einsatzszenarien: zivile Inspektion und Überwachung

Zivile Inspektionssysteme finden in zahlreichen Kontexten Anwendung, von denen jeder durch spezifische technische Anforderungen gekennzeichnet ist. Der 3D-Druck ermöglicht es, kundenspezifische Komponenten schnell zu entwickeln, ohne die mit der Herstellung von Formen verbundenen Kosten.

• Inspektion von Infrastrukturen: Drohnen, Crawler-Roboter und Scan-Systeme für Brücken, Viadukte, Staudämme und Tunnel, mit an spezifische Geometrien angepassten Sensorhalterungen.
• Inspektion der Hochspannungsleitungen: leichte und isolierende Gehäuse für Wärmebildkameras und Sensoren, die dazu bestimmt sind, Überhitzungen, Isolationsfehler und Schäden an den Leitern zu erkennen.
• Inspektion von Industrieanlagen: Komponenten für Roboter, Brandsensoren und Vision-Systeme, die in Raffinerien, Chemieanlagen und Energieanlagen eingesetzt werden, oft Selbstverlöschungsanforderungen UL 94 V-0 unterliegend.
• Strukturelle Überwachung: Umhüllungen und Halterungen für Beschleunigungssensoren, Dehnungsmessstreifen und Feuchtigkeitssensoren, die dauerhaft an Gebäuden und Bauwerken installiert werden.
• Inspektion von Pipelines und Tanks: Komponenten für magnetische Crawler, Sonden und Ultraschallsysteme, die dafür konzipiert sind, chemischen Agenzien und aggressiven Umgebungen standzuhalten.
• Inspektion von Photovoltaik- und Windkraftanlagen: Halterungen für Wärmebildkameras und Sensoren, die bei der Erkennung von Anomalien an den Solarpaneelen und bei der Inspektion der Windkraftflügel verwendet werden.
• Überwachung von Baustellen: Schutzvorrichtungen und Gehäuse, die gegen Staub, Stöße und UV-Strahlen beständig sind, für Kameras, Scanner und Umweltsensoren.
• Inspektion von Tunneln und unterirdischen Bauwerken: Komponenten für Roboter, Beleuchtungssysteme und Sensoren, die zur Überwachung der Gase bestimmt sind.

Von der von Drohnen geforderten Leichtigkeit über die chemische Beständigkeit der Crawler bis zur elektrischen Isolation und zum flammhemmenden Verhalten ermöglicht der 3D-Druck, Materialien und Geometrien in Abhängigkeit von jeder spezifischen Anwendung zu kombinieren.

Die kritischen zu personalisierenden Komponenten

In den Inspektionssystemen müssen viele Komponenten an den Sensor, das Fahrzeug oder die zu überwachende Struktur angepasst werden. Der 3D-Druck ermöglicht es, sie schnell zu realisieren, auch in kleinen Serien und mit Geometrien, die durch traditionelle Technologien schwer zu erzielen sind.

Halterungen für Sensoren und Kameras

Optische Kameras, Wärmebildkameras, LiDAR, Radar und Trägheitssensoren erfordern spezifische Befestigungssysteme:

• stabilisierte und schwingungsdämpfende Halterungen;
• Mounts für LiDAR mit präziser Ausrichtung;
• kundenspezifische Gimbals für Drohnen und Crawler;
• Dual-Payload-Halterungen für Wärmebildkamera und optische Kamera;
• Standard- oder Custom-Schnellverschlüsse;
• ausziehbare und gelenkige Arme;
• schwingungsdämpfende Elemente aus TPU für empfindliche Sensoren.

Gehäuse für Elektronik

Flight Controller, Bordcomputer, Funkgeräte, GPS und Batterien müssen in Abhängigkeit von der Anwendung geschützt werden:

• Cases für die Elektronik von Drohnen und Robotern;
• Gehäuse IP65–IP67 für Outdoor-Anwendungen;
• gegen elektromagnetische Störungen abgeschirmte Gehäuse;
• Housing mit integrierter Kühlung;
• Behälter für Batterien mit Entlüftungssystemen;
• Abdeckungen für Richt- und Rundstrahlantennen.

Verkleidungen für zivile Drohnen und UAV

Die schnellen Entwicklungszyklen und die reduzierten Produktionsvolumina der Inspektionsdrohnen machen den 3D-Druck besonders geeignet für die Realisierung von:

• Rümpfen und Rahmen für Prototypen und Kleinserien;
• aerodynamischen Verkleidungen;
• Schutzvorrichtungen für die Rotoren in beengten Umgebungen;
• kundenspezifischen Abdeckungen für OEM-Anwendungen;
• sekundären Strukturkomponenten mit hoher Steifigkeit;
• Gehäusen für austauschbare Payloads.

Komponenten für Inspektionsroboter

Magnetische Crawler, Roboter für Pipelines und kabelgebundene Systeme erfordern dedizierte mechanische Lösungen:

• kundenspezifische Greifer und End-Effektoren;
• an den Durchmesser der Rohrleitungen angepasste Führungen;
• Räder und Ketten mit rutschfesten Einsätzen;
• gelenkige Arme und Custom-Gelenke;
• Kabelhalter und Kabeldurchführungen;
• spezifische Sonden, Haken und Werkzeuge.

Komponenten für die feste Überwachung

Die dauerhaften Installationen müssen Schutz und Haltbarkeit im Laufe der Zeit gewährleisten:

• Cases für Steuereinheiten mit IP-Schutzgrad;
• Halterungen für Wände, Pfähle und Strukturen;
• vandalensichere und witterungsbeständige Schutzvorrichtungen;
• Housing für Beschleunigungssensoren und Dehnungsmessstreifen;
• Kabelkanäle und Kabeldurchführungen für dauerhafte Installationen.

Technische Anforderungen der Inspektionskomponenten

Die für professionelle Inspektionssysteme bestimmten Komponenten müssen unter besonders anspruchsvollen Bedingungen arbeiten, die oft durch das gleichzeitige Vorhandensein mehrerer Anforderungen gekennzeichnet sind. Die Materialwahl hängt hauptsächlich von fünf Parametern ab.

Leichtigkeit

Bei zivilen Drohnen wirkt sich jedes zusätzliche Gramm auf die Flugautonomie aus. Bei Systemen, die auf Roboterarmen oder sich bewegenden Strukturen installiert sind, beeinflusst die Masse hingegen die Trägheit und die Erzeugung von Vibrationen. Für aufgehängte, mobile oder für den Flug bestimmte Komponenten sind daher Materialien vorzuziehen, die sich durch geringe Dichte und hohe spezifische Steifigkeit auszeichnen.

Beständigkeit gegen Vibrationen und Stöße

Traktoren, Roboter, Drohnen, Elektromotoren und Luftfahrtsysteme erzeugen kontinuierliche Vibrationen, die Ermüdungsphänomene verursachen und die Integrität der Komponenten schnell beeinträchtigen können. Eine übermäßig steife Sensorhalterung kann zum Beispiel nach wenigen Betriebsstunden Risse entwickeln.

Die wichtigsten Strategien sind zwei:

• zähe Materialien mit hoher Bruchdehnung einsetzen, wie das PA11 Gen 2, das mit einem A%-Wert von 27,5% eine der am besten für ermüdungsbeanspruchte Anwendungen geeigneten Lösungen darstellt;
• flexible Materialien verwenden, wie das TPU, für schwingungsdämpfende Halterungen, Isolatoren und Dichtungen, die dank ihrer Elastizität die Schwingungen absorbieren können.

Flammhemmendes Verhalten (UL94 V-0)

Kritische Industrieumgebungen, wie Raffinerien, Chemieanlagen, Energieanlagen, Tunnel und ATEX-Bereiche, erfordern den Einsatz flammhemmender Materialien.

Eines der Referenzmaterialien für den 3D-Druck in diesen Kontexten ist das PA12 FR, klassifiziert UL 94 V-0. Nach der Entfernung der Zündquelle verlöscht das Material innerhalb weniger Sekunden von selbst, erzeugt keine glühenden Tropfen und begrenzt die Ausbreitung der Verbrennung.

Für Anwendungen mit strengeren Anforderungen stellt das ULTEM eine Alternative der oberen Klasse dar, vor allem wenn FST-Zertifizierungen und die Konformität mit Luft- und Raumfahrt- oder Eisenbahnnormen, wie der FAR 25.853, erforderlich sind.

Elektrische Isolation

Die Inspektion von Hochspannungsleitungen, Transformatorstationen und elektrischen Anlagen erfordert Komponenten mit angemessenen dielektrischen Eigenschaften.

Die mit Kohlenstofffasern verstärkten Materialien sind für diese Anwendungen nicht angezeigt, da die Fasern der Komponente elektrische Leitfähigkeit verleihen. Die am besten geeigneten Lösungen umfassen:

• PEEK GF, mit isolierender Glasfaser verstärkt, für Strukturkomponenten, die hohe mechanische Leistungen und elektrische Isolation erfordern;
• PA12 FR, mit einem indikativen spezifischen Durchgangswiderstand von etwa 5x10¹² Ω·m, für Gehäuse und Schutzvorrichtungen von elektronischen Komponenten.

Beständigkeit gegen Umweltagenzien

Die dauerhaft im Freien installierten Komponenten müssen jahrelang der Exposition gegenüber UV-Strahlen, thermischen Zyklen, Feuchtigkeit, Staub und Kontaminationsagenzien industriellen Ursprungs standhalten.

Für langlebige Outdoor-Anwendungen sind die am besten geeigneten Lösungen:

• ASA, dank seiner intrinsischen Beständigkeit gegen UV-Strahlen;
• TPU, für die gute Beständigkeit gegen UV-Strahlen und Hydrolyse;
• PA12 und PA11 mit Finish durch Vapor Smoothing, die für indikative Zeiträume zwischen drei und fünf Jahren gute Schutzniveaus bieten können.
• In den chemisch aggressiven Umgebungen, wie Raffinerien und Chemieanlagen, sind hingegen Hochleistungsmaterialien wie PEEK, PPS CF und ULTEM vorzuziehen.

Empfohlene Materialien für Inspektionssysteme

Individualisierung, Kleinserien und schnelle Ersatzteile

Der Wert des 3D-Drucks in den Inspektionssystemen liegt nicht nur in der Produktion der einzelnen Komponente, sondern vor allem in dem Entwicklungsmodell, das er ermöglicht. Ein Ansatz, der besonders für einen Sektor geeignet ist, in dem jede Anlage spezifische Eigenschaften aufweist und die technologischen Evolutionszyklen immer schneller werden.

Vollständige Individualisierung für jede Anlage: Jede zu inspizierende Infrastruktur (eine Brücke, eine Pipeline, eine Stromleitung) hat spezifische Geometrien und Randbedingungen. Mit dem 3D-Druck passen sich Halterungen, Gehäuse und funktionale Komponenten an das Projekt an, nicht umgekehrt.

Kleinserien ohne Formen: Die Produktion von 10, 50 oder 200 Einheiten eines Inspektionssystems ist mit den traditionellen Spritzgusstechnologien kaum vereinbar, die Anfangsinvestitionen von über 15.000 Euro für die Herstellung der Form und Mindestmengen in der Größenordnung von Tausenden von Stück erfordern können. Der 3D-Druck eliminiert die Notwendigkeit der Form, ermöglicht es, schnelle Angebote zu erhalten, und macht die Produktion kleiner und mittlerer Serien wirtschaftlich tragbar.

Schnelles Prototyping: ermöglicht es, die Iterationen zwischen der Pilotversion und der endgültigen in wenigen Tagen abzuschließen. Die Ingenieure testen den ersten am Fahrzeug montierten Prototyp, aktualisieren das CAD, drucken erneut und produzieren eine neue Version im Laufe derselben Woche.

Ersatzteile auf Abruf: Die Komponenten der Inspektionssysteme können in einer digitalen Bibliothek archiviert und nur dann produziert werden, wenn es notwendig ist, wodurch die Verwaltung physischer Bestände und das Risiko der Lagerobsoleszenz vermieden werden. Dieser Ansatz ist besonders nützlich für noch betriebsbereite Legacy-Systeme, für die die originalen Ersatzteile schwer zu finden sein können, und für den dringenden Austausch von Komponenten an stillstehenden oder beschädigten Einheiten.

Schnelle Produktion und Lieferung: sofortiges Angebot durch Hochladen der 3D-Datei und Produktion in 1-3 Arbeitstagen.

Ein konkreter Fall: Drohne für die Inspektion von Stromleitungen

Ein auf die Entwicklung von Drohnen für die thermografische Inspektion der Hochspannungsleitungen spezialisiertes Ingenieurunternehmen benötigte 40 maßgefertigte Gehäuse für das Gimbal der Wärmebildkamera. Die Anforderungen waren besonders streng: elektrische Isolation, um das Risiko von Störungen und Entladungen zu verringern; ein Gewicht unter 200 Gramm pro Komponente, um die Autonomie der Drohne nicht zu beeinträchtigen; Beständigkeit gegen UV-Strahlen und Betriebstemperaturen bis zu 60 °C. Der Spritzguss war für ein so geringes Volumen wirtschaftlich nicht tragbar, während die CNC-Bearbeitung zu hohe Stückkosten mit sich gebracht hätte. Die Lösung war der FDM-3D-Druck in PEEK GF: Online-Angebot, Lieferung in fünf Arbeitstagen, intrinsische elektrische Isolation, eine Dichte von 1,35 g/cm³ und eine thermische Beständigkeit weit über den Projektanforderungen.

Analoge Anforderungen ergeben sich täglich bei der Realisierung von aerodynamischen Verkleidungen für Drohnen, flammhemmenden Gehäusen aus PA12 FR für in Raffinerieinspektionen eingesetzte Roboter, schwingungsdämpfenden Halterungen aus TPU für Trägheitssensoren und Behältern für Steuereinheiten der strukturellen Überwachung, die an Brücken und Viadukten installiert sind.

Fazit

Zivile Inspektions- und Überwachungssysteme erfordern zahlreiche kundenspezifische Komponenten: Sensorhalterungen, wasserdichte Gehäuse, Verkleidungen und für Legacy-Systeme bestimmte Ersatzteile.

Der industrielle 3D-Druck ermöglicht es, diese Anforderungen durch für jede Anwendung spezifische Materialien zu erfüllen: flammhemmendes PA12 FR für kritische Industrieumgebungen, PEEK CF für strukturelle Drohnenkomponenten, PEEK GF für Anwendungen der elektrischen Inspektion, TPU für schwingungsdämpfende Lösungen und ASA für Komponenten, die lange den UV-Strahlen ausgesetzt sind.

Dank der MJF-Technologien in Nylon PA12, PA12 FR und PA11, dem industriellen FDM-Druck in PEEK, ULTEM, PPS CF und anderen technischen Materialien und Lieferzeiten ab 1–3 Arbeitstagen erfordert es heute wenige Stunden der Konstruktion, eine Komponente von der digitalen Datei zum Einsatz auf dem Feld zu bringen, nicht Monate der Produktionsvorbereitung.

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Häufig gestellte Fragen