Uitgerust voor noodgevallen - 3D-printen in het leger

2. mei 2024

Het leger heeft sinds de oudheid verschillende functies gehad. Uiteraard voor oorlogsvoering, zowel bij aanval als verdediging, maar ook als noodhulp bij natuurrampen en vooral als aanjager van innovatie - bijvoorbeeld voor de voorloper van het internet, het ARPANET, zonder welke je deze blogpost vandaag de dag niet op je computer, laptop of smartphone zou kunnen lezen.

In Duitsland heeft het leger echter een relatief moeilijke positie. Lange tijd werd het door politici verwaarloosd en hoewel het over het algemeen in hoog aanzien staat bij grote delen van de bevolking, wordt het traditionele werk, dat wil zeggen militaire operaties, vaak zeer kritisch bekeken - zelfs als het wordt ingezet als vredesmacht.

Vanuit historisch perspectief is deze kritische houding meer dan begrijpelijk. Grootouders en ouders konden hun kleinkinderen en kinderen uit de eerste hand vertellen over de destructieve gevolgen van een wereldoorlog, wat betekende dat zelfs elke potentiële aanbidding van militaire structuren negatief werd bekeken door de samenleving als geheel.

Deze kritische houding heeft de afgelopen jaren echter zijn grenzen bereikt. Veranderende mondiale omstandigheden, een complicatie van de bilaterale betrekkingen en het oplaaien van verschillende militaire conflicten hebben een zenuwslopende stroom door de samenleving gestuurd, die heeft geresulteerd in één grote vraag: kunnen we deze kritische houding handhaven en tegelijkertijd de vrede waarborgen?

Het is noch mogelijk, noch mijn ambitie om deze vraag universeel te beantwoorden. Maar het was juist deze vraag die leidde tot wat Olaf Scholz een ‘keerpunt’ noemde in de politieke relatie met het leger in heel Europa. De militaire capaciteit in Europa kon niet langer alleen op papier plaatsvinden, maar moest een tastbare wederopbouw ondergaan.

Een dergelijke wederopbouw kan uiteraard niet binnen een paar maanden of zelfs jaren worden gerealiseerd. Het opvoeren van productiecapaciteiten die al tientallen jaren sluimeren, de bouw en uitbreiding van militaire fabrieken en de herbewapening van militair personeel vergen niet alleen geld en politieke wil, maar ook veel tijd - en dit is precies waar additive manufacturing in het spel komt!

In deze blogpost leert u hoe 3D-printen het leger ondersteunt, technologische vooruitgang stimuleert, de militaire uitrusting van soldaten versnelt en crisissituaties onschadelijk maakt. Ik begin met de vele toepassingen van 3D-printen in het leger en ga dan verder met de voordelen van het gebruik van additive manufacturing.

Van de grond tot de zee en de lucht

Het militaire systeem van de meeste landen ter wereld is verdeeld in drie delen: het leger, de luchtmacht en de marine. In de meeste situaties blijft het leger de ruggengraat van elke militaire operatie, maar sinds uiterlijk de Tweede Wereldoorlog is ook lucht- en marinesteun onmisbaar geworden voor een optimale verdediging. Zonder luchtsuperioriteit worden grondtroepen een gemakkelijk doelwit voor vijandelijke luchtsteun, en zonder dominantie van de marine kunnen kustlandingen niet worden gestopt, wat tot catastrofale gevolgen kan leiden, van logistieke problemen tot de omsingeling van grondtroepen.

3D-printen biedt een verscheidenheid aan toepassingen voor al deze verdedigingspijlers. Voor deze blogpost richt ik mij vooral op inzetbare militaire componenten, omdat 3D-geprinte prototypes in het leger nu zo veelzijdig zijn dat ze buiten het bestek van deze blogpost vallen. Laten we eerst eens kijken naar de mogelijkheden van additive manufacturing voor het hart van elk leger: het leger.

Uitrusting voor het front

De eerste pogingen tot additieve productie binnen het leger vonden begin jaren 2010 plaats. Vooral infanterie-uitrusting, zoals helmen en geweerkolven, waarvan onder bepaalde omstandigheden in korte tijd grote hoeveelheden nodig zijn, werd bij deze eerste tests additief geproduceerd.

Deze tests zijn nu veel volwassener en gaan veel verder dan helmen en geweerkolven. Geluiddempers, lenzen voor collimatorvizieren en verrekijkers, statieven voor machinegeweren, beschermende vestonderdelen, granaatlichamen en nog veel meer kunnen en worden nu geproduceerd met behulp van 3D-printen.

Additive manufacturing wordt nu ook gebruikt voor onderdelen voor militaire landvoertuigen. Het Amerikaanse leger heeft bijvoorbeeld batterijhouders voor de M998 geprint HMMWV bestaat al enige tijd en kondigde in 2023 aan dat het van plan is het gebruik van additieve productie uit te breiden naar andere componenten van de M998.

Het Army Research Laboratory werkt momenteel aan de additieve productie van een verscheidenheid aan voertuigcomponenten - van aandrijfsystemen tot koepelcomponenten. Daarnaast werkt het Next-Gen Combat Vehicles (NGVC)-programma, dat in 2017 werd gelanceerd, met 3D-geprint titanium om lichtgewicht en duurzame militaire voertuigcomponenten te creëren. Meer informatie over het gebruik van additive manufacturing door het Army Research Laboratory kunt u vinden in dit PDF-bestand.

Een ander veelbelovend project voor additief vervaardigde gevechtsvoertuigonderdelen is het zogenaamde "Jointless Hull"-project van het US Army Ground Vehicle System Center (GVSC). Samen met ASTRO America, een door de Amerikaanse overheid gefinancierde NPO, en onderaannemers als Ingersoll Machine Tools, Siemens en diverse anderen werd in 2021 de grootste metalen 3D-printer ter wereld, met een bouwvolume van ruim 200.000 liter, gebouwd. In de nabije toekomst zal deze ook worden gebruikt om zeer grote onderdelen van gevechtsvoertuigen, zoals complete carrosserieën, in één stuk te printen.

Maar 3D-printen speelt ook een belangrijke rol in de leger buiten het slagveld. Soldaten die gewond zijn geraakt op het slagveld hebben bijvoorbeeld vaak gepersonaliseerde prothesen nodig. De productie ervan kan met conventionele methoden enkele maanden duren, afhankelijk van het soort letsel en de werklast. Met 3D-printen kunnen geïndividualiseerde prothesen daarentegen binnen een paar uur worden geproduceerd - in geval van nood zelfs direct in het militaire hospitaal zelf.

Uitrusting voor de zee

Additive manufacturing voor militaire schepen duurde wat langer dan bij de andere takken van het leger. Lange tijd waren de krachten die op militaire schepen werden uitgeoefend een uitsluitingscriterium voor 3D-geprinte componenten, omdat de vereiste weerstand niet haalbaar was.

Het eerste volledig 3D-geprinte en gebruiksklare onderdeel voor een schip werd in 2017 geproduceerd: de "WAAMpeller" van het Nederlandse bedrijf RAMLAB. Deze 1,3 meter lange propeller, die slechts 180 kg weegt, maakte in 2018 eindelijk zijn eerste reis, verliep probleemloos en is sindsdien verder geoptimaliseerd voor gebruik.

Het eerste 3D-geprinte onderdeel werd vervolgens eind 2018 op een militair schip gebruikt. Een afvoerzeefmondstuk van een 3D-printer werd met succes geïnstalleerd in de stoomlijn van het vliegdekschip USS Harry S. Truman en heeft met groot succes dienst gedaan sindsdien.

Sinds 2019 concentreert de Amerikaanse marine haar additieve productie op reserveonderdelen voor met name onderzeeërs. Omdat traditionele productiemethoden lange doorlooptijden hebben, wat betekent dat onderzeeërs mogelijk lange tijd niet bruikbaar zijn, is de hoge snelheid van additieve productie ideaal om noodstoringen te voorkomen. Ook zijn er al complete onderzeeërrompen geprint, bijvoorbeeld een SEAL Delivery Verhicle in 2017, maar deze bevinden zich nog maar in de prototypefase.

In 2022 installeerde de Amerikaanse marine ook zelf de eerste 3D-printers op schepen om reparatiewerkzaamheden op volle zee uit te kunnen voeren zonder tonnen aan reserveonderdelen op het schip te hoeven opslaan. 3D-printers werden eerst standaarduitrusting op de USS Essex en later ook op de USS Bataan, beide amfibische aanvalsschepen.

Dergelijke 3D-printers op schepen helpen niet alleen de marine zelf, ook amfibische grondtroepen of militaire vliegtuigen op zee profiteren van de snelle productie van reserveonderdelen op militaire schepen. Ook voor onderzoeksdoeleinden kunnen 3D-printers op schepen nuttig zijn. Zo gebruikt de Duitse marine bijvoorbeeld al enkele jaren 3D-printers voor dit doel.

Apparatuur voor de lucht

De eerste 3D-geprinte componenten in een vliegtuig waren al in 2013 beschikbaar - maar aanvankelijk alleen in commerciële vliegtuigen. Omdat de eisen voor militaire vliegtuigen nog strenger zijn, duurde de ontwikkeling in de militaire sector iets langer.

De eerste doorbraak werd bereikt in 2015, toen het eerste 3D-geprinte onderdeel voor een straalmotor door de FAA werd gecertificeerd voor commercieel gebruik. Sindsdien strijden hooggeplaatste vliegtuigfabrikanten als Airbus, Boeing en General Motors om een uitbreiding van 3D-geprinte componenten die in vliegtuigen kunnen worden geïnstalleerd.

De eerste 3D-geprinte componenten werden in 2019 in militaire vliegtuigen toegepast. Aanvankelijk waren dit alleen niet-kritieke componenten, zoals een treeplankbeugel in de cockpit van de Lockheed Martin F-22 Raptor. Ondanks de niet-kritieke aard van deze componenten waren ze opnieuw een doorbraak voor additieve productie op het gebied van militaire vliegtuigen.

De laatste doorbraak kwam op de Oklahoma City Air Logistics Complex in 2020, waar het eerste additief vervaardigde onderdeel werd geproduceerd en met succes werd getest op een motor van de Amerikaanse luchtmacht. Dit onderdeel, dat voor het eerst werd gebruikt op de Boeing B-52 Stratofortress, was voor de Amerikaanse luchtmacht het bewijs dat 3D-printen ook kan voldoen aan de buitengewoon strenge regelgeving voor kritische militaire vliegtuigonderdelen.

Sindsdien heeft 3D-printen geleidelijk aan nieuwe toepassingsgebieden voor militaire vliegtuigen geopend. Reserveonderdelen voor de legendarische UH-60 Black Hawk worden nu bijvoorbeeld geproduceerd met behulp van additieve productie. Omdat deze helikopter al ruim 40 jaar in dienst is, ligt de productie al meer dan tien jaar stil, waardoor reserveonderdelen inmiddels zeer zeldzaam zijn.

Volgens de voormalige commandant generaal-majoor van het Amerikaanse AMCOM (Army Aviation and Missle Command) Todd Royar duurde het soms wel twee jaar voordat de benodigde reserveonderdelen geleverd konden worden. 3D-printen heeft dit probleem opgelost en blijft dit probleem oplossen door het mogelijk te maken om snel en eenvoudig reserveonderdelen te produceren.

3D-printen wordt inmiddels ook steeds vaker toegepast op het gebied van UAV’s (unmanned aerial vehicles). De behuizingen voor sommige kleine gevechts- of logistieke drones worden sinds 2021 al volledig met behulp van additive manufacturing geproduceerd, omdat hierdoor bijzonder lichtgewicht componenten mogelijk zijn.

Last but not least mag ook een gloednieuw project van Boeing worden vermeld. Sinds eind 2023 werkt Boeing samen met ASTRO America om onderdelen voor zijn AH-64 gevechtshelikopter te produceren met behulp van additive manufacturing. Het eerste doel van deze samenwerking is om in de nabije toekomst een volledig 3D-geprint hoofdrotorsysteem te testen en in de verdere toekomst in gebruik te nemen.

De redenen voor de uitbreiding van additive manufacturing

We hebben nu enkele toepassingen van 3D-printen in het leger gezien, tenminste die waar informatie openbaar beschikbaar is. Deze zijn duidelijk divers – en nog duidelijker is de gestage uitbreiding van additive manufacturing in het leger sinds begin 2010.

Straits Research schat de waarde van 3D-printen in de lucht- en ruimtevaart- en defensiemarkt op 1,35 miljard dollar in 2021 - en verwacht een samengesteld jaarlijks groeipercentage van 26,1% tot 2030. Waarom deze enorme stijging precies wordt verwacht, zou meer dan duidelijk moeten zijn uit de onderstaande voordelen.

On-demand-productie

De meest allesomvattende reden is duidelijk de snelle on-demand-productie van componenten. Of het nu gaat om reserveonderdelen of stand-alone apparatuur, geen van de traditionele productiemethoden kan de productieflexibiliteit van additieve productie evenaren.

Deze flexibiliteit wordt uiteraard in veel industrieën gewaardeerd, maar er is nauwelijks een andere toepassing waar deze zo dringend nodig is als in het leger. Noodsituaties en oorlogsgebieden zijn veel dingen, maar ze kunnen niet worden gepland. Met 3D-printen kan deze onvoorspelbaarheid beter worden aangepakt, kunnen productiepieken worden beheerst en kan het opvoeren van de productiecapaciteit worden gefaciliteerd.

Niet alleen in productiehallen en fabrieken kunnen componenten echter snel worden geproduceerd; Ook in de directe omgeving van gevechtsoperaties of noodsituaties kunnen 3D-printers worden ingezet. Of het nu in een commandocentrum, een militair hospitaal, op een schip of zelfs in een vliegtuig, 3D-printen stelt het leger in staat om letterlijk de term ‘on-demand’ in de praktijk brengen.

De mogelijkheid om kritische componenten in eigen beheer te produceren of, in het geval van een dienstverlener, dicht bij de regio, mag niet langer worden onderschat, vooral sinds de COVID-19-pandemie. Eén ontbrekend onderdeel is immers al voldoende om de productie van essentiële apparatuur tot stilstand te brengen. En als de productie in uitzonderlijke situaties en noodsituaties stilvalt, is er niet langer alleen sprake van omzetverlies, maar van verloren mensenlevens.

Veel militaire onderdelen zijn bovendien onderworpen aan de hoogste niveaus van geheimhouding. Vooral in het geval van prototypes van toekomstige apparatuur zou een lek naar bijvoorbeeld vijandelijke troepen catastrofaal zijn - en hoe meer partijen bij de productie betrokken zijn, hoe groter de kans dat geheimen algemeen bekend worden. Daarom is het gebruik van een interne 3D-printer of een full-serviceprovider die alle productie- en nabewerkingswerkzaamheden afhandelt, ideaal voor het handhaven van de veiligheid van militaire componenten.

Lichtgewicht en complexe componenten

Gewicht speelt vooral bij mobiliteitstoepassingen een essentiële rol. Hoe minder een voertuig weegt, hoe minder energie er nodig is om het te verplaatsen.

Maar soldaten profiteren ook van lichter materieel. Het Combat Load Report van het Marine Corps Combat Development Commands uit 2003 stelt het maximale gewicht dat een soldaat mag dragen om maximale prestaties te garanderen op 33% van het lichaamsgewicht. Met een lichaamsgewicht van 80 kg zou 26,4 kg uitrustingsgewicht daarom het absolute maximum zijn om de flexibiliteit en mobiliteit niet te beperken - maar tegenwoordig dragen infanterie-eenheden heel vaak meer dan 40 kilogram op hun schouders.

Additive manufacturing maakt de productie van lichtgewicht componenten mogelijk zonder dat dit ten koste gaat van de mechanische prestaties. Dit wordt enerzijds geholpen door bepaalde materialen en anderzijds door de vrijwel onbeperkte ontwerpvrijheid, die zeer complexe componenten mogelijk maakt.

Als het om materialen gaat, zijn vooral vezelversterkte materialen en verschillende soorten harsen indrukwekkend. Koolstofvezelcomposieten worden bijvoorbeeld al veel gebruikt als metaalvervanger, omdat ze zeer vergelijkbare mechanische eigenschappen bieden, maar een veel lagere dichtheid hebben, waardoor de geprinte onderdelen veel lichter zijn. Ook hoogwaardige polymeren zoals PEEK zijn hiervoor ideaal.

De ontwerpvrijheid komt vooral interne structuren ten goede. Dit betekent dat componenten geheel of gedeeltelijk hol kunnen worden gemaakt en met complexe interne structuren, b.v. honingraat- of kanaalachtig, zonder veel moeite. Als gevolg hiervan kan het gewicht enorm worden verminderd zonder de mechanische prestaties te beperken.

Gemaximaliseerde individualisering

Zelfs als een groot aantal militaire apparaten is ontworpen voor massaproductie, klassieke voorbeelden zijn projectielen of bepaalde infanteriegeweren zoals de AK-47 of de M16, is toch een hoge mate van individualiteit vereist voor bepaalde militaire componenten.

Prothesen en het belang van individualiteit en productiesnelheid bij de vervaardiging hiervan zijn al genoemd. Maar zelfs bij militaire uitrusting zoals helmen, gasmaskers, medische instrumenten, kogelvrije vesten en vele andere kan personalisatie voor de betreffende drager het verschil maken tussen leven en dood.

De mate van maatwerk speelt ook een grote rol bij zeer gespecialiseerde vuurwapens, vooral sluipschuttersgeweren. Dankzij additieve productie kunnen elementen zoals vizieren, grepen, geweerkolven of steunen rechtstreeks worden aangepast aan de schutter, wat de nauwkeurigheid enorm kan vergroten.

Last but not least is er natuurlijk de individualisering van componenten voor allerlei soorten militaire voertuigen. Deze aanpassingen kunnen worden gebruikt om voertuigen aan bepaalde omstandigheden aan te passen, bijvoorbeeld hun aerodynamica te verbeteren en hun gewicht te verminderen.

Schnelles Prototyping

Hoewel ik prototyping grotendeels heb uitgesloten van de lijst met toepassingen, zou het meer dan ongepast zijn om niet te spreken over het enorme voordeel dat rapid prototyping het leger biedt.

De enorm verkorte iteratiecycli en het gemak waarmee wijzigingen in het digitale model kunnen worden aangebracht, maken 3D-printen tot het ideale hulpmiddel voor prototyping voor defensiebedrijven en het leger. Dit betekent dat er veel meer tests kunnen worden uitgevoerd op de respectieve componenten, waardoor hun veiligheid, functionaliteit en duurzaamheid worden gemaximaliseerd.

De toepassingsgebieden zijn talloze en bestrijken alle gebieden van het leger. Van kleine onderdelen zoals helmbevestigingen en triggers tot componenten van groot formaat zoals complete vuurwapenprototypes en voertuigonderdelen - vrijwel elk mogelijk onderdeel is geschikt voor rapid prototyping.

Zelfs als het gaat om gebieden als robotica biedt prototyping met 3D-printen enorme voordelen. Toekomstige technologieën kunnen op hoge snelheid worden geproduceerd en getest en eventuele zwakke punten kunnen eenvoudig worden verholpen. De invloed van additive manufacturing zal daarom een grote impact hebben op de toekomst van het leger en de ontwikkeling van nieuwe systemen sneller dan ooit tevoren maken.

Conclusie

Het leger was al vroeg geïnteresseerd in 3D-printen. De potentiële voordelen van 3D-printen mochten, zelfs in de beginperiode, niet gemist worden door het leger over de hele wereld.

Toch duurde het enige tijd voordat er tastbare resultaten zichtbaar waren. De strikte regelgeving met betrekking tot veiligheid en duurzaamheid stelde zelfs voor de veelbelovende technologie van additive manufacturing grote uitdagingen.

De enorme uitbreiding van de materiaalkeuze en de snelle technische vooruitgang van 3D-printen, vooral aan het eind van de jaren 2000, hebben deze uitdagingen echter stukje bij beetje geëlimineerd - en het is nu onmogelijk om alle onderdelen van het leger voor te stellen zonder additive manufacturing.

Dit komt vooral duidelijk naar voren in de Additive Manufacturing Strategy. Dit strategiedocument bespreekt de toekomstige impact en verbeteringen van additive manufacturing in het leger en schetst de belangrijkste doelstellingen van deze strategie.

Deze doelen kunnen worden samengevat in vijf hoofdpunten:

- Integratie van additive manufacturing in de productie

- Coördinatie van activiteiten gerelateerd aan additive manufacturing

- Bevordering van technologie gerelateerd aan additive manufacturing

- Uitbreiding van de kennis van additive manufacturing

- Zorgen voor een ideale workflow met additive manufacturing.

At PartsToGo werken we elke dag aan precies dezelfde doelen en daarom maken we als 3D-printserviceprovider met uitstekende service en uitzonderlijke expertise de moeiteloze implementatie van projecten en ideeën met additive manufacturing voor defensiebedrijven mogelijk.

Als u van ons wilt profiteren en uw ideeën met maximale efficiëntie in realiteit wilt omzetten, kunt u rechtstreeks contact met ons opnemen via de onderstaande knop. We nemen zo snel mogelijk contact met u op en verduidelijken alle individualiteiten van uw project, zodat het precies volgens uw ideeën wordt geïmplementeerd!

Onze ideale oplossing voor het leger

Last but not least willen we onze ideale oplossing voor militaire componenten onder de aandacht brengen, waarmee veel van onze projecten worden uitgevoerd. Een compleet overzicht van onze oplossingen en meer informatie over onze mogelijkheden vindt u op onze toepassingspagina.

Er zijn diverse materialen en printers beschikbaar om componenten voor het leger te produceren, afhankelijk van de toepassing. Een fantastische allround combinatie is echter de FDM Nylon 12CF in combinatie met de Fortus® 450mc van Stratasys®.

De FDM Nylon 12CF combineert PA12 met gehakte koolstofvezels, waardoor de sterkte en stijfheid van het matrixmateriaal toenemen zonder de dichtheid aan te tasten. De resulterende uitstekende sterkte-gewichtsverhouding maakt componenten gemaakt van dit materiaal tot een ideale vervanging voor zware en kostenintensieve metalen onderdelen.

Het materiaal kan worden gebruikt voor zowel eindcomponenten als prototyping. Of het nu gaat om gereedschap, functionele en designmodellen, voertuig- of infanterie-uitrustingscomponenten - de FDM Nylon 12CF schittert over de hele linie.

De F900™ is het ideale gereedschap voor de verwerking van dit materiaal. Het onderscheidt zich door zijn uitstekende betrouwbaarheid, consistentie en reproduceerbaarheid, wat het afdruksucces verbetert. Bovendien produceert deze printer vrijwel isotrope onderdelen en beschikt hij over een zeer breed scala aan materialen, waaronder verschillende composieten.

En daarmee zijn we aan het einde van deze blogpost gekomen. Hartelijk dank voor uw aandacht - en tot ziens in de volgende blogpost!

Van: Marco Lepple Marketing Content Manager

Gepubliceerd op 02. May 2024