STANDPUNKT: Additive Technologie revolutioniert die Verteidigungsfertigung

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Foto des Verteidigungsministeriums

Vom Drucken einzigartiger Teile bis hin zur Ermöglichung schneller Reparaturen vor Ort verändert die additive Fertigung die industrielle Basis. Material- und Prozessinnovationen haben neue Möglichkeiten eröffnet, die wiederum das Interesse an der Technologie wecken.

Da Märkte wie Automobil, Luft- und Raumfahrt und Gesundheitswesen additive Möglichkeiten nutzen, werden die Chancen nur zunehmen. Nach Angaben von Grand View Research Inc. könnte die globale additive Fertigungsindustrie bis 2030 auf 76,16 Milliarden US-Dollar anwachsen. Dies entspricht einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 20,8 Prozent – ​​und übertrifft damit die Entwicklung des breiteren Fertigungssektors bei weitem.

Für das Militär bietet die additive Fertigung die Möglichkeit, Konstruktionsschwachstellen wie physische Schwächen in Produkten zu beheben, die traditionelle Herstellungsmethoden verwenden. Unterdessen setzen Bundes- und Industrieverbände auf sein Potenzial, seit langem bestehende Probleme in der Lieferkette zu lösen.

Doch trotz vielversprechender Fortschritte muss der Verteidigungssektor noch eine erhebliche Hürde überwinden. Um eine flächendeckende Umsetzung zu erreichen, müssen Hersteller auf allen Ebenen des Vertriebsnetzes bereit sein, zu investieren. Doch derzeit stellen Großkonzerne die Mehrheit der Anwender.

Während die additive Fertigung oft als eine aufstrebende Technologie gilt, reichen die ersten militärischen Anwendungen bis in die späten 1980er Jahre zurück, als Ingenieure mit der Entwicklung der additiven Technologie begannen. Die frühe Verwendung der Terminologie war jedoch unterschiedlich. Erst in den 2000er Jahren machten Branchenkommentatoren den Begriff „additive Fertigung“ populär.

Die Bereitstellung einer neuen Technologie – insbesondere einer Technologie, für die es keine branchenweiten Standards gibt – ist eine mühsame Aufgabe. Die US-Militärzweige gehören zu den umfangreichsten und komplexesten Organisationen der Welt. Allein die Armee umfasst mehr als zwei Millionen Soldaten. Da es in den 1980er und 1990er Jahren keine einheitliche Sprache und nur begrenzte Kenntnisse der Technologie gab, erkannten nur wenige in der Branche tätige Personen das Potenzial der additiven Fertigung. Infolgedessen blieb die Verteidigung in ihrer Akzeptanz hinter anderen Sektoren zurück.

Allerdings hat das Militär in den letzten drei Jahrzehnten konsequent daran gearbeitet, es in seine Forschungs- und Entwicklungsfunktionen zu integrieren. Während jeder Zweig nach neuen Möglichkeiten suchte, additive Technologie in seine Prozesse zu integrieren, identifizierten Forscher und Ingenieure Bereiche, in denen die additive Fertigung Lücken schließen und Herausforderungen angehen könnte. Zunächst handelte es sich dabei in erster Linie um Anwendungsfälle, bei denen die Technologie herkömmliche Fertigungstechniken ergänzen konnte – beispielsweise das Drucken von Werkzeugführungen, Vorrichtungen und Vorrichtungen.

Ein Wendepunkt kam Anfang 2016, als das Verteidigungsministerium eine Reihe von Workshops initiierte, in denen der Einsatz des 3D-Drucks im Militär untersucht wurde. Aus diesen Erkenntnissen entstand ein Bericht, der einen Fahrplan für den weit verbreiteten Einsatz dieser Techniken durch das Militär lieferte.

Heutzutage ist die additive Fertigung in jedem Zweig des Militärs in seinen Forschungs- und Entwicklungsportfolios vertreten – von der Advanced Manufacturing Community of Practice des Army Research Laboratory bis hin zum Navy Additive Manufacturing Technical Interchange. Im Laufe des letzten Jahrzehnts haben sich diese Unternehmenszweige zunehmend auf die additive Fertigung verlassen, um die Produktionsanstrengungen vor Ort und im Feld zu verbessern.

Im November 2022 installierte die Marine erstmals dauerhaft einen Metall-3D-Drucker an Bord eines ihrer Schiffe. Die Maschine, die Edelstahl bedruckt, wird das Team mit Fertigungskapazitäten auf industriellem Niveau ausstatten und es ihnen ermöglichen, Teile nach Bedarf herzustellen, die bisher nicht verfügbar waren. Durch die Verringerung der Abhängigkeit von Drittanbietern wird die Technologie eine neue Unabhängigkeit von Schiffen und Besatzungen ermöglichen und der Marine helfen, Verzögerungen bei der Durchlaufzeit und Probleme mit der Veralterung zu überwinden.

Metall ist nicht das einzige Material, mit dem das Militär experimentiert. Seit 2015 arbeiten Ingenieure des Army Corps of Engineers, des Engineer Research and Development Center und des Construction Engineering Research Laboratory an der Entwicklung von Technologien, mit denen Strukturen im Baumaßstab wie Gebäude und Brücken gedruckt werden können.

Im Rahmen des Additive Construction-Programms, das bereits zum sechsten Mal läuft, haben diese Ingenieure mehr als fünf Großmaschinen entwickelt, die Beton drucken können. Bisher hat das dahinterstehende Team erfolgreich zwei 512 Quadratmeter große Gebäude sowie kleinere Konstruktionen einschließlich Wachunterkünften und Absperrungen errichtet. Diese Bauweise kann Arbeitskosten einsparen, die Planungszeit verkürzen und gleichzeitig die Festigkeit und Stabilität einer Struktur verbessern.

Additive Technologie kann auch Probleme lösen, die durch die Einschränkungen herkömmlicher Produktionsmethoden entstehen. Das im Jahr 2020 angekündigte Jointless Hull Project zielt genau darauf ab.

Analysten schätzen, dass seit dem Vietnamkrieg etwa 73 Prozent der Fahrzeugschäden auf Unterbodenexplosionen zurückzuführen sind. Tatsächlich waren sie die häufigste Todesursache für im Irak und in Afghanistan stationierte US-Truppen.

Da Hersteller Fahrzeugrümpfe durch Zusammenschweißen mehrerer Teile herstellen, weisen Fahrzeugunterböden Verbindungen auf – und diese Schwachstellen machen sie anfällig für Bomben am Straßenrand. Das Jointless Hull Project wird additive Technologie nutzen, um einzelne, nahtlose Kampfpanzer zu drucken und so Schwachstellen in Fahrzeugkarosserien zu beseitigen. Dies wird die Widerstandsfähigkeit von Bodenfahrzeugen verbessern und den durch diese Angriffe verursachten Schaden verringern – was letztendlich die Überlebensfähigkeit erhöht.

Ingenieure, die am Jointless Hull-Projekt arbeiten, haben mehrere Metall-Hybrid-Fertigungssysteme hergestellt, von denen eines ein Bauvolumen von fast 30 x 20 x 12 Fuß hat und es damit zum weltweit größten Hybrid-Metall-3D-Drucker macht. Dank der Flexibilität der additiven Technologie können die Maschinen auch andere Aufgaben übernehmen, beispielsweise die Reparatur anderer großer Metallbauteile. Dies verschafft der additiven Fertigung einen erheblichen Vorteil gegenüber Methoden wie dem Gießen, bei denen Formen nur ein Produkt herstellen können.

Mit seiner breiten Anwendbarkeit könnte die additive Fertigung das Tempo, die Agilität und die Kapazität von US-Zulieferern deutlich steigern und so ein dringend benötigtes Gegenmittel für die jüngsten Schwierigkeiten in der Lieferkette darstellen. Um dies zu erreichen, müssen die Hersteller es jedoch in großem Maßstab umsetzen.

Schon vor der Pandemie hatte das Verteidigungsministerium mit Schwachstellen in der Lieferkette zu kämpfen, insbesondere bei Mikroelektronik wie Halbleitern. Mit der Ausbreitung von COVID-19 kam es aufgrund von Lockdowns und Arbeitskräftemangel zu einem Stillstand der Produktion von Materialien und Fertigwaren. Da nicht genügend Arbeitskräfte für den Transport der Produkte zur Verfügung standen, verlangsamten sich die Lieferzeiten. Und da kein Personal für den Empfang der Fracht zur Verfügung stand, verstopften Schiffe die Häfen. Unterdessen verschlimmerte der geopolitische Konflikt die Situation nur noch.

Wie die meisten Industriezweige spürte auch die Rüstungsindustrie die Auswirkungen. Von Stahl und Aluminium, die für den Bau von Booten und Flugzeugen verwendet werden, bis hin zu Kleinteilen wie Bremsen und Getrieben war die Abhängigkeit des Sektors von im Ausland hergestellten Teilen und Materialien plötzlich nicht mehr tragbar.

Die Aerospace Industries Association stellte fest, dass im Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungssektor im Jahr 2020 mehr als 87.000 Arbeitsplätze verloren gingen. Der Verband schätzte, dass Lieferkettenschwierigkeiten für 64 Prozent dieser Verluste verantwortlich seien, wobei kleine und mittelständische Unternehmen die Hauptlast tragen müssten. Besonders hart trifft die Knappheit kleine und mittlere Zulieferer, die sich auf Teile mit geringem Volumen und hohem Mix spezialisiert haben.

Die Auswirkungen gehen jedoch weit über die Gesundheit der Wirtschaft hinaus. In der Verteidigungsindustrie kann das Fehlen kritischer Materialien, Teile und Produkte, die die Inflation antreiben und Gewinne in anderen Sektoren schmälern, schnell zu einem Problem der nationalen Sicherheit werden.

Vor diesem Hintergrund hat die Biden-Regierung im Mai 2022 mit mehreren großen Herstellern zusammengearbeitet, um AM Forward auf den Markt zu bringen. Durch diese mehrgleisige Initiative hofft die Regierung, die Fähigkeit additiver Technologien zu nutzen, um die heimische Produktion anzukurbeln und die Bereitschaft der Lieferkette zu verbessern.

Mit Unterstützung der Applied Science and Technology Research Organization of America (ASTRO) wird AM Forward US-Unternehmen dabei unterstützen, die Lücke bis zur Einführung zu schließen, indem es ihnen dabei hilft, Geschäfte abzuschließen, Ausrüstung zu kaufen und Arbeitskräfte auszubilden. Dieses freiwillige Programm bringt führende Hersteller mit kleineren US-amerikanischen Unternehmen zusammen. Zu den Teilnehmern zählen GE Aviation, Honeywell, Lockheed Martin, Raytheon und Siemens Energy.

Jeder wird sich dazu verpflichten, einen Prozentsatz der additiv hergestellten Teile von inländischen Lieferanten zu beziehen und so Anreize für die Einführung der additiven Fertigung in Fertigungsstätten im ganzen Land zu schaffen. Die Teilnehmer werden außerdem Ressourcen für die Aus- und Weiterbildung bereitstellen, unter anderem durch Universitäts- und Fachhochschulprogramme sowie die Personalentwicklung.

AM Forward will auch ein weiteres allgegenwärtiges Problem angehen. Trotz der wachsenden Beliebtheit des 3D-Drucks mangelt es der Branche immer noch an einheitlichen Richtlinien für additive Fertigungstechnologien und -produkte. Mit AM Forward zielt die Forschung des National Institute of Standards and Technology darauf ab, dies durch die Entwicklung und Verbreitung neuer Standards mit hoher Priorität zu ändern.

Agil, flink und flexibel – die fortschrittlichen Möglichkeiten der additiven Technologie könnten das Gesicht der Fertigung verändern. Daten von ASTRO America gehen davon aus, dass die additive Technologie die Durchlaufzeiten von Teilen um bis zu 90 Prozent verkürzen könnte, wenn sie anstelle langwieriger Verfahren wie Schmieden und Gießen eingesetzt wird.

Die Vorteile enden hier nicht. Die Technologie – die in der Regel weit weniger Abfall produziert als herkömmliche Produktionsmethoden – könnte die Materialkosten um 90 Prozent senken und gleichzeitig den Energieverbrauch um 50 Prozent senken.

Trotz klarer Belege dafür, dass additive Fertigung die Produktivität steigern, Kosten senken und die Einsatzbereitschaft verbessern kann, erfolgt die Akzeptanz der additiven Technologie im Verteidigungssektor relativ langsam. Viele Hersteller beginnen gerade erst, die enormen Möglichkeiten der additiven Fertigung zu verstehen. Kleinere Hersteller, die oft am stärksten von Störungen in der Lieferkette betroffen sind, haben das Potenzial erst spät erkannt.

Glücklicherweise wächst die Community. Dadurch werden sich die außerhalb des Fachbereichs Tätigen immer bewusster, welche Ressourcen ihnen zur Verfügung stehen. SME – ein Verband für Fachleute in der Fertigungsindustrie – bietet Veranstaltungen, Schulungen und Zertifizierungen für diejenigen an, die mit additiven Technologiewerkzeugen arbeiten, die einheimischen Herstellern dabei helfen könnten, ihre Arbeitskräfte weiterzubilden.

Als Branche ist es von entscheidender Bedeutung, dass wir weiterhin in Bemühungen investieren, die Bekanntheit und Akzeptanz zu beschleunigen. Auf diese Weise können wir die Produktionskapazitäten in den USA erhöhen, neue Innovationen einführen und die Systeme verbessern, die das Militär unterstützen. NDLarry (LJ) R. Holmes Jr. ist geschäftsführender Direktor für Forschung und Technik an der Harrisburg University of Science and Technology, wo er die Entwicklung und den Betrieb eines Advanced Manufacturing Research Institute leitet. Er fungiert außerdem als Direktor für Regierungsbeziehungen bei nScrypt in Orlando, Florida, und als Produktionsleiter bei der Applied Science and Technology Research Organization of America.

Themen:Defense Watch, Neue Technologien

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