Hoe 3D-printen een impact heeft op defensie

3D-printen staat al meer dan tien jaar op de radar van de defensiesector. ^[1] Het is echter pas in de afgelopen jaren dat additieve technologieën zo volwassen zijn geworden dat ze echt levensvatbare productietoepassingen voor militaire adoptanten mogelijk maken, en het potentieel begint nog maar net te worden aangeboord.

Additieve productietechnologieën zijn goed gepositioneerd om verschillende aspecten van defensieproductieprocessen te verbeteren. Volgens de Additive Manufacturing Strategy van het Amerikaanse ministerie van Defensie, gepubliceerd in 2021, heeft 3D-printen een aantal voordelen voor de defensiesector, waaronder "het moderniseren van nationale defensiesystemen" door middel van geoptimaliseerd AM-ontwerp, het produceren van innovatieve oplossingen en apparaten aan de frontlinies en "het vergroten van de materiaalgereedheid" door versnelde ontwikkeling en on-demand productie van reserveonderdelen. ^[2]

In dit artikel onderzoeken we hoe deze voordelen worden gerealiseerd door legers en defensiegroepen over de hele wereld, en hoe de 3D-printoplossingen van UltiMaker bij uitstek geschikt zijn om te voldoen aan de strenge normen en wendbaarheid die vereist zijn in militaire toepassingen.

3D-printtoepassingen in defensie

Toepassingen in de defensie- en militaire sector zijn in de loop der jaren gestaag geëvolueerd, van rapid prototyping tot verschillende productietoepassingen die waarde bieden op het gebied van efficiëntie, logistiek en veiligheid. Hieronder staan de belangrijkste toepassingsgebieden voor additieve productie in defensiesectoren over de hele wereld.

Reserveonderdelen

Een van de meest baanbrekende toepassingen voor 3D-printen in de defensiesector is de productie van reserveonderdelen ter plaatse. Aangezien 3D-printtechnologieën op afgelegen locaties of zelfs in de frontlinie kunnen worden ingezet, vergemakkelijkt de technologie de productie van vervangende onderdelen op aanvraag. Dit heeft enorme voordelen als het gaat om logistieke en militaire toeleveringsketens. Ten eerste zijn troepen die op afgelegen locaties worden ingezet meer zelfvoorzienend wanneer ze onderdelen kunnen printen die ze onderweg nodig hebben. Deze mogelijkheid elimineert ook de noodzaak om uitgebreide voorraden reserveonderdelen te vervoeren; in plaats daarvan moeten troepen gewoon een 3D-printer en materialen meenemen om de onderdelen te printen die ze nodig hebben wanneer ze die nodig hebben.

Op militaire bases zijn 3D-printtechnologieën ook waardevol voor de productie van reserveonderdelen. Als een verouderd voertuig of vliegtuig bijvoorbeeld terugkeert met een kapot of defect onderdeel, kunnen ingenieurs het onderdeel reverse-engineeren en ter plaatse afdrukken als een noodoplossing, terwijl het eigenlijke onderdeel wordt ingekocht via een complexe toeleveringsketen. In sommige gevallen zijn 3D-geprinte onderdelen ook bruikbaar om te gebruiken als permanente vervangingen, wat de toeleveringsketens nog meer vereenvoudigt. Dit is te danken aan de vooruitgang in 3D-printmaterialen van productiekwaliteit, zoals met glas en koolstofvezel versterkte polymeren en metalen filamenten.

Een voorbeeld van het gebruik van 3D-printen voor de productie van reserveonderdelen komt uit Frankrijk, waar het Franse leger een van de grootste militaire 3D-printboerderijen in Europa lanceerde om de uitdagingen in de toeleveringsketen als gevolg van COVID-19 te verlichten. In totaal werden in april 2020 50 UltiMaker 3D-printers geïnstalleerd bij de Ecoles Militaires de Bourges om reserveonderdelen te produceren voor het repareren van systemen en voertuigen voor externe operaties. ^[3] Tegenwoordig beschikt het Franse leger over een vloot van ongeveer 200 UltiMaker 3D-printers.

Marine-eenheden kunnen ook profiteren van de mogelijkheid om vervangende onderdelen aan boord van schepen te printen. Een klant van UltiMaker heeft bijvoorbeeld een vervangend koudwaterfilter 3D-geprint dat op schepen wordt gebruikt om zeewater te filteren. Omdat het originele filter kapot ging terwijl het schip op missie was, was het niet mogelijk om met conventionele methoden gemakkelijk een vervanging te vinden. Met behulp van 3D-printen was de bemanning echter in staat om in één dag een functionele vervanging te produceren voor slechts € 30 (98% minder dan het originele onderdeel) met behulp van UltiMaker PLA en TPU. Het vervangende onderdeel ging uiteindelijk ook langer mee dan het originele onderdeel.

Verbeteringen in gereedschappen en apparatuur

3D-printen heeft ook bewezen een waardevolle productietechnologie te zijn voor militaire gebruikers als het gaat om onderhoudswerkzaamheden. Zoals we hierboven zagen, spelen reserveonderdelen een grote rol bij het efficiënt houden van onderhouds- en reparatiewerkzaamheden, maar 3D-printen kan ook op andere manieren worden gebruikt om workflows te stroomlijnen en het onderhoud van apparatuur te vergemakkelijken, zoals bij de snelle productie van op maat gemaakte gereedschappen en montagehulpmiddelen.

De Koninklijke Luchtmacht heeft zich tot UltiMaker 3D-printen gewend om een reeks op maat gemaakte gereedschappen te produceren voor het onderhoud van straaljagers, helikopters en vrachtvliegtuigen. Onderhoudswerkzaamheden om militaire vliegtuigen in topconditie te houden kunnen complex zijn, aangezien vliegtuigen vaak unieke of zeldzame onderdelen hebben. Met 3D-printen ter plaatse hebben Nederlandse militaire onderhoudsploegen de mogelijkheid om aangepaste gereedschappen te ontwerpen en te herhalen, zoals speciale doppen om openingen van straalmotoren tijdens transport af te dekken, of aanpassingstools voor helikopteronderdelen die de configuratie drastisch vereenvoudigen. In veel gevallen kunnen op maat gemaakte gereedschappen binnen enkele uren 3D-geprint worden, wat de onderhoudstijden versnelt en kosten bespaart die gepaard gaan met het uitbesteden van gereedschap. ^[4]

In een ander gebruiksgeval voor onderhoud werd een op maat gemaakte rotinor turbinesleutel die werd gebruikt om een onderwatertransportsysteem te onderhouden, 3D-geprint met behulp van een combinatie van PA CF10 en Igus' iglidur I150-PF filament. Terwijl het originele gereedschap, gemaakt van staal, € 1100 kostte om te vervaardigen en een doorlooptijd van 12 weken in beslag nam, bracht 3D-printen de kosten en doorlooptijd terug tot respectievelijk slechts € 24 en 13 uur. Naast de tijd- en kostenvoordelen maakte 3D-printen het ook mogelijk om het gereedschap eenvoudig aan te passen, ter plaatse te vervaardigen en de risico's op systeemschade te minimaliseren door de integratie van het tribo-filament iglidur I150-PF.

Naast onderhoudstools kan 3D-printen in de frontlinie worden gebruikt om snel componenten te produceren die de mogelijkheden van de apparatuur verbeteren. Troepen kunnen bijvoorbeeld het initiatief nemen om aangepaste beugels te 3D-printen voor het monteren van GPS- of radiocommunicatiesystemen in voertuigen zoals motorfietsen of quads. 3D-printen maakt het mogelijk om de beugels aan te passen voor verschillende soorten communicatieapparatuur en functies zoals microfoonsleuven te integreren (zoals het geval was met de 3D-geprinte beugel die hieronder is afgebeeld). Deze mogelijkheid helpt niet alleen de kosten en doorlooptijden te verminderen (in dit geval was het 3D-geprinte onderdeel 80% goedkoper dan het conventionele stalen onderdeel en duurde het slechts één dag om te maken), het stelt ook verdedigingsteams in staat, omdat ze nuttige producten op een zo nodig basis herhalen met behulp van materialen die geschikt zijn voor de zwaarste toepassingen.

Medische hulpmiddelen

De medische sector is een belangrijke gebruiker van 3D-printen en heeft met name geprofiteerd van het vermogen van de technologie om patiëntspecifieke modellen en apparaten op aanvraag te creëren. Deze zelfde voordelen vertalen zich ook naar de defensiesector, waar efficiënte medische behandeling absoluut noodzakelijk is. Het hebben van een 3D-printer op een basis of in het veld stelt medische teams in staat om snel potentieel levensreddende apparaten te ontwerpen en te herhalen, zoals patiëntspecifieke chirurgische planningstools of op maat gemaakte protheses, zelfs in afgelegen regio's.

Het gebruik van 3D-printen bij de productie van medische modellen en apparaten is niet alleen belangrijk om militair personeel te behandelen, het kan ook worden ingezet in rampgebieden om ervoor te zorgen dat patiënten de zorg krijgen die ze nodig hebben en worden uitgerust met op maat gemaakte prothesen of orthesen, zelfs wanneer infrastructuur en traditionele toeleveringsketens hebben gefaald.

Technologische vooruitgang en innovaties

Naast de bovengenoemde toepassingen zijn er veel geavanceerde onderzoeks- en ontwikkelingsinitiatieven om additieve productie in de defensiesector te bevorderen. Hieronder staan slechts enkele voorbeelden van wegen die legers en defensieonderzoekers verkennen voor het gebruik en de optimalisatie van additieve technologieën:

● Hoogwaardige beschermende uitrusting en bepantsering die gebruikmaakt van geavanceerde 3D-geprinte materialen, metamaterialen en bio-geïnspireerd ontwerp.

● 3D-geprinte schuilplaatsen, kazernes en bunkers gemaakt met behulp van grootformaat 3D-printsystemen voor de bouw die in situ kunnen worden gebouwd met behulp van lokaal geproduceerde materialen. ^[5]

● AI-gestuurde software om het ontwerp van onderdelen te verbeteren en verder te automatiseren en om de efficiëntie en consistentie van productieprocessen te verhogen. ^[6]

UltiMaker-oplossingen voor defensie

Het vinden van de juiste 3D-printoplossing voor defensietoepassingen kan een uitdaging zijn, aangezien militaire organisaties veel overwegingen en vereisten hebben met betrekking tot inzetbaarheid, beveiliging en kwaliteit. De industriële desktopsystemen van UltiMaker, die nu in gebruik zijn voor verschillende defensietoepassingen over de hele wereld, zijn een haalbare oplossing voor defensiegebruikers die de voordelen van 3D-printen willen benutten. De 3D-printsystemen van UltiMaker, waaronder de S-serie, de Method-serie en de Factor-serie, bieden bijvoorbeeld:

● Een gesloten en volledig beschermde printkamer, waardoor ze in uitdagende omgevingen kunnen worden gebruikt. (De Factor 4 heeft een drievoudig geïsoleerde bouwkamer.)

● Dubbele extrusiemogelijkheden voor het maken van meerdere materialen, eenvoudig te verwijderen steunen of snellere afdruksnelheden.

● Een compacte voetafdruk, die de inzet van 3D-printers op afgelegen locaties in het veld of aan boord van schepen vergemakkelijkt.

● De optie van een materiaalkoffer die filamenten beschermt en ervoor zorgt dat materialen bij de juiste temperatuur en vochtigheidsniveaus worden opgeslagen. (In het geval van de Factor 4 heeft het systeem een ingebouwd geautomatiseerd material handling-systeem.)

● Een hoog niveau van beveiliging en IP-bescherming, aangezien UltiMaker-machines en Cura-software zonder cloudverbinding kunnen worden gebruikt; alle ontwerpen en 3D-prints kunnen worden opgeslagen binnen de eigen beveiligde databubbel van een organisatie.

● Brede materiaalopties, waaronder zeer sterke en hoogwaardige filamenten, zoals met koolstofvezel versterkt polyfenyleensulfide (PPS CF), PET CF, polycarbonaat (PC), flexibel TPU en zelfs metalen filamenten zoals Ultrafuse 17-4 PH. De Ultimaker Factor 4 is ook compatibel met meer dan 200 materialen van derden.

Naast deze technische voordelen is UltiMaker ook een betrouwbare partner voor defensiebedrijven en -organisaties en zet het zich in om langdurige relaties met haar klanten op te bouwen en ervoor te zorgen dat aan alle behoeften wordt voldaan. Het bedrijf biedt zelfs adviesdiensten aan die eindgebruikers in de defensiesector kunnen helpen het meeste uit 3D-printen te halen en innovatieve nieuwe manieren te ontdekken om de technologie te benutten.