Hoe verandert 3D-printen de defensie-industrie?

Maar liefst 75% van de industrieleiders gelooft dat 3D-printen binnen de komende 10 jaar de standaard zal worden binnen de defensie-industrie, volgens een onderzoek van Defense IQ. Het is duidelijk dat 3D-printen, net als in andere industrieën, zijn mannetje staat op defensie- en militair gebied. Additive manufacturing heeft het potentieel om de defensie-industrie te transformeren, door nieuwe manieren te bieden om op aanvraag vervangende onderdelen in 3D te printen, terwijl de productiekosten worden verlaagd en nieuwe ontwerp-engineeringmogelijkheden ontstaan.

Terwijl we doorgaan met het onderzoeken van de impact van additive manufacturing op verschillende industrieën, zullen we vandaag bekijken hoe de defensie-industrie 3D-printen heeft omarmd en welke kansen de technologie biedt aan militaire sectoren. We zullen ook de uitdagingen schetsen voor een bredere acceptatie van de technologie, evenals toekomstige toepassingen in de sector.

Gebruik van additieve productie in het leger

Additive manufacturing kan een zee van kansen voor de defensie-industrie ontsluiten, niet in de laatste plaats lagere productiekosten voor gereedschappen en componenten, extra ontwerpflexibiliteit en gelokaliseerde productie. Tegelijkertijd kan additieve fabricage het onderhoud van militaire systemen aanzienlijk verbeteren door de productie van reserveonderdelen of verouderde onderdelen.

De defensie-industrie levert een van de belangrijkste bijdragen aan de voortdurende ontwikkeling van AM-technologieën en materialen. Het voorgestelde Amerikaanse militaire budget voor dit jaar omvat bijvoorbeeld een investering van 13,2 miljard dollar in technologische innovatie. Dit omvat extra ondersteuning voor additive manufacturing binnen het ministerie van Defensie, een duidelijke indicatie van de groeiende belangstelling voor de mogelijkheden van 3D-printen voor defensietoepassingen.

Belangrijkste voordelen van AM voor defensie

1. Snellere productontwikkeling  

Additive manufacturing versnelt het ontwerpproces aanzienlijk, omdat er geen gereedschap voor nodig is. Daarentegen kan traditionele fabricage maanden duren om de benodigde gereedschappen te produceren om eindonderdelen en prototypes te maken. De defensie-industrie kan daarom profiteren van de technologie om kostbare en tijdrovende tooling te omzeilen, waardoor de tijd die nodig is voor productontwikkeling wordt verkort.

2. Vrijheid van ontwerp

De defensie-industrie kan ook profiteren van het vermogen van 3D-printen om vrije vorm, geoptimaliseerde objecten te produceren. Dit betekent dat het gewicht van een onderdeel aanzienlijk kan worden verminderd door middel van additive manufacturing, wat materiaalkosten en productietijd bespaart. Door gebruik te maken van geavanceerde ontwerptools, kunnen ontwerpingenieurs het aantal componenten in een assemblage terugbrengen tot slechts één, en zo het assemblageproces aanzienlijk vereenvoudigen.

3. Aangepaste uitrusting

3D-printen zorgt niet alleen voor meer ontwerpvrijheid, maar biedt ook de mogelijkheid om aangepaste onderdelen te maken, op maat gemaakt voor specifieke functies. In plaats van onderdelen voor alle mogelijke configuraties te dragen, kunnen soldaten 3D-printsystemen gebruiken om onderdelen op aanvraag te vervaardigen. Onderzoekers in het Amerikaanse leger kunnen nu bijvoorbeeld aangepaste drone-casco's 3D-printen die zijn afgestemd op de specifieke behoeften van een bepaalde missie. Aanpasbare 3D-afdrukbare ontwerpen zijn daarom van vitaal belang voor het bereiken van grotere wendbaarheid en flexibiliteit binnen het leger.

4. Gelokaliseerde en on-demand productie

De coördinatie van logistiek en transport vormt een aanzienlijk deel van elk militair budget. Voor een industrie die alleen al miljarden dollars aan logistiek uitgeeft (het Amerikaanse ministerie van Defensie, DoD, bijvoorbeeld, had in 2017 naar schatting $ 1.194 miljard aan logistieke operaties), kan het kosteneffectiever blijken te zijn om aangepaste onderdelen te printen, gereedschap en reserveonderdelen in de buurt van het punt van gebruik - een oplossing die additieve fabricage biedt.

Dit zou kunnen betekenen dat ook militairen in afgelegen gebieden 3D-printen in hun voordeel kunnen gebruiken. Dit is tot op zekere hoogte al getest:in 2012 gebruikte het Amerikaanse leger een additive manufacturing-faciliteit in Afghanistan om reserveonderdelen veel sneller te printen dan ze aan te schaffen.

Defensie-applicaties voor 3D-printen 

Modellen, testunits en prototyping

Additive manufacturing is een ideale oplossing voor het maken van snelle conceptmodellen en prototypes, en wordt veel gebruikt in de defensie-industrie om snel prototypes te produceren zonder dat dure gereedschappen nodig zijn. Ontwerpconcepten en validatietesten kunnen veel sneller worden uitgevoerd, waardoor de productontwikkelingscyclus wordt verkort.

Vervangende onderdelen, gereedschap en onderhoud

Aangezien militair materieel doorgaans gedurende een periode van vele jaren wordt bewaard en gebruikt, de defensie-industrie is sterk afhankelijk van reserve- en vervangingsonderdelen. Jarenlang was outsourcing de meest gebruikelijke manier om deze onderdelen aan te schaffen, met duizenden vervangende onderdelen en gereedschappen voor militaire uitrusting van externe bedrijven. Additieve fabricage wordt hier een haalbare optie, omdat het de kosteneffectieve en relatief snelle productie van onderdelen en gereedschappen op aanvraag mogelijk maakt. Veel schepen van de Amerikaanse marine hebben 3D-printers aan boord die worden gebruikt voor vervangende onderdelen, waardoor de verouderende vloot in stand kan worden gehouden zonder een reserveonderdeel te hoeven bestellen of terug te hoeven keren naar een haven.

Bovendien worden technologieën zoals Direct Energy Deposition (DED) en Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) al veel gebruikt om functionele militaire uitrusting te repareren. Dankzij deze technologieën kunnen versleten oppervlakken van turbinebladen en andere hoogwaardige apparatuur worden hersteld en gerepareerd. Omdat vervangende onderdelen snel uitverkocht kunnen raken, kunnen 3D-scantechnieken worden gebruikt om een ​​beschikbaar onderdeel te reverse-engineeren, dat vervolgens eenvoudig kan worden gerepliceerd via 3D-printen.

Structurele componenten voor verdedigingssystemen

De eerste jager met 3D-geprinte componenten aan boord nam de vlucht in 2013 en sindsdien is het duidelijk dat additive manufacturing een aanzienlijke impact kan hebben bij de productie van eindonderdelen voor militaire uitrusting. De defensie-industrie onderzoekt momenteel de mogelijkheden van directe additive manufacturing nog uitgebreider, omdat de technologie kan helpen de productiekosten te verlagen en tegelijkertijd complexe lichtgewicht componenten in kleine volumes te produceren. De toepassingen van additieve fabricage variëren hier, van complexe beugels en kleine bewakingsdrones tot onderdelen van straalmotoren en onderzeeërrompen. Daarnaast zijn 3D-geprinte wapens zoals granaatwerpers al realiteit, met raketten in ontwikkeling.

Uitdagingen

Kwaliteitsborging

Hoewel militaire prototypen snel en goedkoop in 3D kunnen worden geprint, staat de bredere implementatie van additive manufacturing voor de productie van eindonderdelen nog voor een aantal uitdagingen.

Een van de grootste zorgen voor de defensie-industrie is kwaliteitsborging, aangezien alle onderdelen moeten voldoen aan strenge prestatie-eisen. Voordat additive manufacturing verder kan worden geïntegreerd in de productie van eindonderdelen, moet het leger verzekerd zijn van de herhaalbaarheid en nauwkeurigheid van het AM-productieproces. Momenteel zijn er geen volledig gedefinieerde industriestandaarden voor 3D-geprinte onderdelen in de defensie-industrie. Het is van cruciaal belang om een ​​uitgebreide reeks normen vast te stellen om 3D-printprocessen te regelen en geprinte onderdelen te kwalificeren.

Het Amerikaanse ministerie van Defensie heeft echter al een routekaart voor additieve productie ontwikkeld, die een nog grotere acceptatie van de technologie binnen het leger mogelijk moet maken. Automatiseringssoftware zal ook van vitaal belang zijn om ervoor te zorgen dat dit proces transparant en herhaalbaar blijft en om een ​​uitgebreid productiebeheer te bieden.

Kloof in vaardigheden

Hoewel additieve fabricage al een aantal jaren wordt gebruikt in de defensie-industrie, net als in andere industrieën, blijft er een lacune in AM-vaardigheden. Dit tekort aan vaardigheden staat het ontsluiten van het volledige potentieel van 3D-printen voor militair gebruik in de weg. Verdere training in de bijzonderheden van AM-productie, ontwerpen voor AM, onderhoud en supply chain management zal nodig zijn om het bredere gebruik van additive manufacturing binnen het leger te bevorderen.

Digitale beveiliging

Als het leger additieve fabricage gaat gebruiken voor on-demand, gelokaliseerde productie, is het van vitaal belang om de veiligheid van de digitale CAD-bestanden te waarborgen. Dit vereist aanvullende digitale beveiligingsmaatregelen om ervoor te zorgen dat bestanden niet extern kunnen worden geopend en digitale toeleveringsketens veilig blijven.

Wat nu?

Omdat 3D-printen het potentieel heeft om de manier waarop onderdelen zijn fundamenteel te veranderen vervaardigd en afgeleverd, kan dit enorme gevolgen hebben voor de toekomst van de militaire toeleveringsketen. In plaats van dat defensie-aannemers reserveonderdelen, structurele componenten of wapens leveren, zouden ze in de toekomst alleen digitale 3D CAD-modellen kunnen leveren, waardoor een digitale toeleveringsketen ontstaat. Er kunnen ook minder voorraden voor reserveonderdelen zijn, waardoor er minder dure magazijnuitgaven nodig zijn. Productie op aanvraag kan de productie ook dichter bij het slagveld of de plaats van behoefte brengen. Door gebruik te maken van gelokaliseerde 3D-printfaciliteiten kan de levering van onderdelen worden versneld en de logistieke kosten worden verlaagd.

Additive manufacturing kan ook een sleutelrol spelen in de militair-medische sector door op maat gemaakte implantaten, protheses en medische hulpmiddelen in het veld te leveren. Het leger is al een belangrijke investeerder in regeneratieve geneeskunde en bioprinting met als doel verwondingen op het slagveld te behandelen.

Ook de defensie-industrie onderzoekt de mogelijkheden van 3D-geprinte kleding en embedded electronics. Additive manufacturing zou de defensie-industrie in staat kunnen stellen om goedkopere en geavanceerdere, aangepaste bepantsering te produceren met ingebouwde communicatie, sensoren en biomonitoringsystemen voor soldaten, wat meer flexibiliteit en functionaliteit op het slagveld oplevert. Door gebruik te maken van inkjet 3D-printen en geleidende inkten, konden militaire ingenieurs sensoren rechtstreeks op wapens of kleding printen, waardoor meer functionaliteit werd toegevoegd en de grootte en het gewicht van draagbare sensoren werden verminderd. In de toekomst zouden sensoren zelfs rechtstreeks op de huid kunnen worden geprint. Soldaten konden deze op het slagveld gebruiken om zonne-energie op te vangen en kleine elektronische apparaten op te laden.

Samenvattend

In een steeds complexer militair landschap heeft 3D-printen het potentieel om aan belangrijke defensiebehoeften te voldoen. Dankzij de snelle, gelokaliseerde en flexibele productiemogelijkheden van additive manufacturing is het een ideale technologie voor een industrie die afhankelijk is van snelle innovatie en technologische vooruitgang. Op de lange termijn zal additieve fabricage ervoor zorgen dat militaire systemen en uitrusting efficiënter kunnen worden vervaardigd, gerepareerd en onderhouden, en zal dit leiden tot een ongekende verschuiving in logistieke en militaire toeleveringsketens.

Met aanzienlijke investeringen om 3D-printprocessen en -materialen te ontwikkelen en te certificeren, ziet de toekomst van 3D-printen voor wereldwijde legers er zeker rooskleurig uit.