Od części zamiennych na pierwszej linii, po szybko budowane bunkry, wojsko wykorzystuje drukarki 3D, aby wykonywać pracę szybciej, lepiej i w dowolnym miejscu.
Największe siły zbrojne świata, włożyły setki milionów w badania oraz rozwój druku 3D i łatwo zrozumieć dlaczego. Nigdzie nie znajdziemy większej kontroli nad łańcuchem dostaw niż w wojsku. Możliwość przeniesienia produkcji na linie frontu, znacznie zmniejsza koszty i czas wysyłki części zamiennych, w porównaniu z zamówieniami z zagranicznych centrów produkcji narzędzi.
Siły zbrojne – od USA po Australię – od dziesięcioleci dostrzegają potencjał wytwarzania addytywnego i wprowadziły już drukarki 3D do użytku w terenie. Drukowane w 3D części są obecne w silnikach lotniczych, czołgach i okrętach podwodnych oraz w samych żołnierzach.
Wykorzystanie druku 3D w wojsku USA jest teraz tak powszechne, że na początku tego roku Defense Department’s Joint Defense Manufacturing Council, podjął działania dążące do skoordynowania tego wszystkiego, w ramach ujednoliconej strategii stosowania wytwarzania addytywnego, w celu promowania gotowości wojskowej, cięcia kosztów, skrócenia łańcuchów dostaw i przyspieszenia innowacji. Pierwsza strategia wytwarzania przyrostowego Pentagonu, wymaga zintegrowania druku 3D z bazą przemysłu obronnego i promowania go we wszystkich branżach.
Od drukowanych w 3D klamek do drzwi Humvee i uchwytów karabinów, po części silników myśliwców i niestandardowe protezy, zastosowania drukowania 3D w wojsku są ogromne.
W tym artykule, przyjrzymy się temu, jak siły na całym świecie zyskują przewagę dzięki drukowi 3D.
Armia australijska z powodzeniem przetestowała w terenie duże metalowe drukarki 3D firmy Spee3D, aby produkować części na linii frontu (Źródło: Spee3D)
Produkcja pojazdów drukowanych w 3D
Wojsko USA chce drukować w 3D kadłuby pojazdów bojowych w jednym kawałku. Organizacja non-profit zajmująca się badaniami i rozwojem w dziedzinie obronności ASTRO America, podpisała kontrakt w kwietniu 2021 r., aby nadzorować rozwój największej na świecie drukarki 3D do metalu do produkcji monolitycznych kadłubów, które ostatecznie będą kosztować mniej, będą mniej ważyć, będą szybsze w produkcji, a co najważniejsze, będą bardziej wytrzymałe.
„Produkcja przyrostowa na masową skalę ma potencjał, aby zmienić sposób, w jaki budowane są pojazdy dla wojska, jednocześnie zmniejszając niestabilność łańcucha dostaw”, mówi Larry „LJ” Holmes, główny badacz w ASTRO America.
Pojazdy bojowe z monolitycznymi kadłubami nie są nowe i udowodniono, że mają one doskonałą wytrzymałość, nawet przy zmniejszonej masie. Jednak konwencjonalne procesy obróbki maszynowej nie są ani opłacalne, ani dostosowane do produkcji na dużą skalę, tak dużych i złożonych modeli. Jednak wraz z pojawieniem się produkcji addytywnej i uruchomieniem programu Jointless Hull, mogą one stać się w niedalekiej przyszłości standardem w amerykańskich pojazdach bojowych. Taki wielkoskalowy system wytwarzania addytywnego, stwarza realną możliwość powstania pojazdów drukowanych w 3D, które mają zwiększoną odporność na uszkodzenia uderzeniowe, nawet przy mniejszej masie i niższych kosztach produkcji.
Wygląda na to, że ta technologia jest już sprzedana, ponieważ według Jasona Goreya, dyrektora wykonawczego ASTRO America; „To nie jest projekt badawczy dotyczący sprzętu, oprogramowania ani materiałów. Jest to projekt bezpośredniego wdrożenia, w którym skalujemy istniejące, ale zaawansowane metodologie do wymaganego rozmiaru kadłuba”.
Koszary i bunkry drukowane w 3D
W ciągu zaledwie 36 godzin, drukarka 3D producenta Icon i obsługiwana przez US Marines wydrukowała wystarczająco duży bunkier o konstrukcji betonowej, aby ukryć zamontowany na ciężarówce system wielu wyrzutni rakiet. Drukarka jest w stanie konstruować całe budynki z szybkoschnącego betonu.
„Projektowanie nowych konstrukcji, od schronów po mosty, można wykonać w krótszym czasie i przy użyciu mniejszej liczby rąk za pomocą prostych, intuicyjnych poleceń na tablecie lub smartfonie z ekranem dotykowym i wykonać przez system robotyki za naciśnięciem przycisku” – mówi Jeremiah Diacogiannis , kierownik programu DIU, porucznik US Navy. „Istnieją komercyjne technologie, które zapewniają jeden obszar doskonałości w budowaniu robotów, ale niewiele z nich łączy wszystkie niezbędne aspekty w sposób, który sprawia, że konstrukcja jest natychmiast dostępna dla nowicjuszy, bez żadnego szkolenia inżyniera z obsługi oprogramowania. ”
USMC od lat pracuje nad wykorzystaniem wytwarzania przyrostowego w skali konstrukcyjnej do celów wojskowych, a w przyszłości nad skalowaniem jej w ramach usług, aby zapewnić szybkie i ekspedycyjne możliwości konstrukcyjne. Będzie to jednocześnie wspierać operacje wojskowe i działania w zakresie reagowania kryzysowego na całym świecie.
Icon prototypuje różne konstrukcje z Marines, wykorzystując technologię łączącą robotykę 3D, oprogramowanie i zaawansowany materiał. Po zaledwie kilku godzinach szkolenia w terenie i obserwacji operatorów Icon na miejscu, Marines przejęli rolę głównych operatorów sprzętu od początku do końca podczas drukowania. Technologia ta zapewnia sterowanie systemem oparte na tabletach, które umożliwiają nawet zupełnie nowym operatorom dostarczanie wysokiej jakości wydruków.
Druk 3D części wycofanych z produkcji
Jednym z najbardziej udanych zastosowań druku 3D w armii amerykańskiej w ostatnim czasie, była produkcja wtyczki do włazu pojazdu. Ten niezbędny element jest montowany w pojazdach bojowych do misji wykonywanych w warunkach słabego oświetlenia, dzięki czemu kierowcy mogą wyraźnie widzieć w nocy. Pierwotny producent zaprzestał produkcji części, co oznacza, że zamienniki kosztowałyby ponad 10 000 USD, a wyprodukowanie ich zajęłoby wiele miesięcy.
Dzięki metalowej drukarce 3D firmy Markforged, armia była w stanie wyprodukować zaślepki włazu, które były nie tylko znacznie tańsze, ale także bardziej eleganckie i wydajniej zaprojektowane. Inżynierowie armii uprościli konstrukcję włazu do czterech części z dziesięciu. Produkcja przyrostowa pozwoliła armii zaoszczędzić ponad 244 000 dolarów na kosztach produkcji małoseryjnej, a także usprawniła projektowanie kluczowego sprzętu.
Innym przykładem wykorzystania drukarek 3D do utrzymywania starzejących się, kosztownych zasobów wojskowych, jest próba wydrukowania części zamiennych do helikoptera Black Hawk, który ma ponad 41 lat oraz B-2 Spirit, znanego również jako Bombowiec Stealth. DOD zamierza utrzymać te maszyny w eksploatacji przez co najmniej kolejną dekadę, więc zdecydował się na wykorzystanie drukarek 3D, w celu produkcji części zamiennych. Air Force Lifecycle Management Center znalazło ostatnio dziesiątki zastosowań druku 3D, aby przedłużyć żywotność wszystkiego, od C-5 Super Galaxy po B-52 Stratofortress.
„Wytwarzanie przyrostowe, to droga przyszłości” — powiedział Roger Tyler, inżynier lotnictwa z Biura Programu B-2. „B-2, to flota o małej objętości. Jest ich tylko 20, więc za każdym razem, gdy trzeba coś zrobić w samolocie, koszt może być problemem. Ale dzięki produkcji addytywnej, możemy zaprojektować daną część i zlecić wydrukowanie w ciągu tygodnia, przy minimalnych kosztach”.
Naprawa kadłuba na morzu
Główny partner australijskiej marynarki wojennej i eksperci ds. okrętów podwodnych, Australian Submarine Corporation (ASC), niedawno nawiązali współpracę z krajową organizacją naukową, aby zbadać potencjał wykorzystania technologii natryskiwania na zimno, rodzaju druku 3D z metalu, na morzu do napraw okrętów podwodnych. Natrysk na zimno wykorzystuje strumień gazu naddźwiękowego do przyspieszania cząstek proszku metalu na powierzchni, tworząc gęsty osad. Innowacyjny proces przebiega poniżej temperatur topnienia zaangażowanych metali, co pozwala uniknąć uszkodzenia integralności strukturalnej elementów i otaczającego obszaru.
Organizacje skoncentrują się na wykorzystaniu technologii natryskiwania na zimno w celu naprawy naturalnie występujących usterek kadłubów ciśnieniowych okrętów podwodnych klasy Collins, które stanowią większość podmorskiej floty Królewskiej Marynarki Wojennej Australii.
Posiadanie drukarki 3D, która może zmieścić się w ciasnej przestrzeni łodzi podwodnej i przeprowadzać niezbędne naprawy na morzu, pozwoli okrętom na skrócenie czasu, które spędziłyby w dokach podczas konwencjonalnych napraw.
Lżejsze wojsko porusza się szybciej
Wojskowe Laboratorium Badawcze pracuje obecnie nad nowymi, lekkimi częściami pojazdów, takimi jak wsporniki, komponenty wieży, układy napędowe i broń, przy użyciu technologii druku 3D. W szczególności badają zastosowanie lekkich metali, takich jak tytan, stopy tytanu i hybrydowe kompozyty z płytek ceramicznych w połączeniu z drukowaniem 3D w programie wojskowych pojazdów bojowych nowej generacji (NGCV).
NGCV to rodzina nowych maszyn bojowych, które są obecnie opracowywane z myślą o przyszłych działaniach wojennych. Chociaż armia trzyma szczegóły programu w tajemnicy, mówi się, że niemiecka firma zajmująca się produkcją addytywną DGM Mori prowadzi aspekt tej inicjatywy w zakresie wytwarzania przyrostowego.
Przenośna fabryka druku 3D
Sprowadzenie fabryki w teren, jest z pewnością jednym ze sposobów na skrócenie łańcucha dostaw. Kontenery transportowe, to pomysł, który badają USA i inne wojska.
W lutym 2021 r. Departament Obrony Stanów Zjednoczonych zawarł umowę z producentem metalowych drukarek 3D ExOne, aby opracować 40-metrową przenośną jednostkę do produkcji przyrostowej, która zostanie wdrożona na lądzie i morzu. Kapsuła do drukowania 3D będzie umieszczona w standardowym pojemniku transportowym, co ułatwia transport, a firma obecnie opracowuje zaktualizowany model wojskowy, zaprojektowany tak, aby lepiej odpowiadał potrzebom wojskowym w strefach walk i obszarach pomocy w przypadku klęsk żywiołowych.
„Cieszymy się, że możemy współpracować z Departamentem Obrony USA i innymi partnerami, aby nasze drukarki 3D były bardziej wytrzymałe dla wojska, co przyniesie korzyści również naszym innym klientom produkcyjnym” — mówi John Hartner, dyrektor generalny ExOne. Co najważniejsze, wiemy, że za wiele lat nasza technologia będzie odgrywać ważną rolę w szybkim zaspokajaniu krytycznych potrzeb”.
Bezpieczne, wrażliwe pliki do druku 3D
Przesyłanie plików części, bezpośrednio do podłączonych drukarek 3D w dowolnym miejscu, jest niezbędnym elementem gotowości, który oferuje produkcja addytywna. Utrzymanie tych plików z dala od rąk wroga jest wyzwaniem, które wojsko ma nadzieję rozwiązać za pomocą blockchain.
US Air Force Rapid Sustainment Office współpracuje z innowatorem blockchain SIMBA Chain, w celu opracowania rozwiązania, które umożliwi siłom powietrznym produkcję, testowanie i wdrażanie krytycznych części zamiennych do samolotów i innej broni, w wysuniętych lokalizacjach operacyjnych i bazach na całym świecie, przy użyciu zaawansowanych drukarek 3D, wspieranych i zabezpieczonych przez blockchain.
„Sercem tego projektu jest umożliwienie i zabezpieczenie cyfrowego łańcucha dostaw i właśnie tam SIMBA Chain napina muskuły”, mówi dyrektor generalny firmy Joel Neidig. „Nasza technologia blockchain zapewnia integralność danych i chroni przed ingerencją we własność intelektualną i komunikację”.
Rozwiązanie SIMBA Chain zabezpieczy rozmowy i informacje krytyczne dla produkcji określonych części oraz wspiera strategię Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych i Departamentu Obrony w zakresie przekształcenia praktyk inżynierskich w inżynierię cyfrową.
Neidig mówi, że ostatecznym celem projektu jest wykorzystanie wytwarzania przyrostowego w taki sposób, aby siły powietrzne mogły projektować i produkować części w ciągu kilku dni, a nie miesięcy, szybciej reagować na potrzeby sprzętu bojowego w bazach i na zagranicznych polach bitew oraz pomagać w uzupełnianiu części dla starzejących się, ale nadal sprawnych samolotów dla których nie ma dostępnych w handlu części zamiennych.
Biomedyczne drukowanie 3D dostosowane do potrzeb pacjenta
Amerykański Departament Spraw Weteranów, jest zapalonym użytkownikiem technologii druku 3D. Jego sieć VHA 3D Printing Network jest odpowiedzialna za koordynację inicjatyw drukowania 3D w ponad 33 obiektach VA w całym kraju, wytwarzając produkty, takie jak niestandardowe protezy, narzędzia dentystyczne i modele medyczne.
W jednym z najnowszych wniosków VA, Centrum Medyczne Ralpha H. Johnsona VA zwróciło się w kwietniu 2021 r. do zatwierdzenia przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA) swoich aparatów słuchowych drukowanych w 3D.
Według lokalnych mediów, WCSC, centrum wierzy, że może produkować dziesiątki tysięcy urządzeń medycznych rocznie przy użyciu swoich 17 drukarek 3D, po otrzymaniu zgody. Szpital jest również pierwszym szpitalem Veteran Affairs (VA) w USA, który otrzymał od FDA zgodę na użytkowanie drukowanego w 3D urządzenia medycznego – specjalnie zaprojektowanego aparatu słuchowego dla lokalnego weterana.
VA wykorzystuje technologie druku 3D do planowania przedoperacyjnego, które, jak mówi, może zaoszczędzić lekarzom nawet dwie godziny na operację lub do 9600 USD na uniknięcie kosztów placówek. Skraca również czas przebywania pacjentów w znieczuleniu i zwiększa dostępność sali operacyjnej dla innych weteranów.
Projektowanie 3D dla szybszej i lepszej konstrukcji
Po raz pierwszy dla Straży Przybrzeżnej Stanów Zjednoczonych (USCG) trwa budowa nowego statku, który został zaprojektowany, zbudowany i zweryfikowany przy użyciu kompleksowego procesu projektowania 3D – co oznacza, że używał tylko modeli 3D – bez papieru – podczas projektowania i budowy wszystkich konstrukcji.
Zaprojektowany został przez Roberta Allana Ltd. Advanced Rotortug, który będzie eskortował statki i aktywa przybrzeżne w porcie Corpus Christi w Teksasie.
„Zrozumienie i wierność tego modelu budowy stanowi kamień milowy w historii amerykańskiego przemysłu morskiego”, mówi Timothy S. McCallum, wiceprezes Signet Maritime Corporation, który jest jednym z partnerów budowlanych. „Przegląd projektu 3D zapewnia, że projektant, inżynier, kierownik produkcji, monter, spawacz i geodeta pracują na tym samym kompletnym modelu”.
Proces całkowicie 3D zmniejsza koszty i czas inwestycji, jednocześnie usprawniając interakcję między wszystkimi zainteresowanymi stronami na etapie projektowania, weryfikacji i budowy, bez narażania bezpieczeństwa.
Chociaż nic jeszcze nie wskazuje na to, że jakakolwiek część statku zostanie wydrukowana w 3D, wykorzystanie całego projektu 3D otwiera inżynierom drzwi do ponownego wyobrażenia sobie procesu budowy i nastawienia Straży Przybrzeżnej na nowy kurs budowy statków.
Wydruki 3D certyfikowane do latania
F-22 Raptor, najdroższy myśliwiec sił powietrznych USA, latał z częściami wydrukowanymi w 3D, począwszy od 2019 roku. Wydrukowany w 3D komponent to niewielka część używana w kokpicie, która była pierwotnie wykonana z aluminium i była wymieniana w 80% przypadków podczas konserwacji. W przeciwieństwie do części aluminiowej, wydrukowana w 3D część tytanowa nie koroduje i może wytrzymać pozostałą część życia myśliwca stealth.
„Jedną z rzeczy, które odkryliśmy… jest to, że możemy potencjalnie rozwiązać problem niedoboru dostaw poprzez przeprojektowanie i wydrukowanie czegoś oraz udowodnienie, że latanie jest bezpieczne” – powiedział Richard Banks, 76. inżynier delegowany przez PMXG. „Ten rodzaj inżynierii ułatwia pozyskiwanie materiałów, znacznie skraca czas realizacji i ostatecznie pomaga ograniczyć problemy logistyczne i dostawcze”.
Siły Powietrzne poinformowały, że mają co najmniej pięć dodatkowych metalowych części drukowanych w 3D, które planują przetestować na F-22.
“Kiedy zajmiemy się bardziej skomplikowanymi częściami, rezultatem może być skrócenie czasu oczekiwania na obsługę techniczną samolotu o 60-70 dni” – powiedział Robert Lewin, dyrektor 574-ej obsługi technicznej samolotów w Hill.
Siły Powietrzne nie podały, ile czasu i pieniędzy można by zaoszczędzić na konserwacji F-22 dzięki drukowi 3D, ale Robert Lewin, 574. dyrektor ds. konserwacji samolotów w Hill, powiedział, że technologia daje konserwatorom możliwość szybkiego zakupu części zamiennych bez minimalnych ilości zamówień, co jest szczególnie trudne w społeczności F-22 ze względu na mały rozmiar floty.
Istnieje wiele innych części drukowanych w 3D zatwierdzonych do użytku w samolotach wojskowych na całym świecie, w tym mały metalowy element pomyślnie przetestowany na silniku lotniczym US Air Force w 2020 roku. Ten krok stanowił znaczący kamień milowy dla przyszłego utrzymania samolotów, takich jak starzejący się E- 3 Powietrzny system ostrzegania i kontroli oraz B-52 Stratofortress.
Unikalne i niezbędne narzędzia do druku 3D
Aktywni żołnierze australijscy studiujący druk 3D na Uniwersytecie Karola Darwina, zaprojektowali narzędzie do wymiany części i sprzętu, które często psują się w terenie. Gunner’s Ratchet – specjalistyczne narzędzie wielofunkcyjne w kształcie klucza, zostało stworzone specjalnie do obsługi lekkiego opancerzonego karabinu maszynowego ANZAC M242.
Zamiast pracować na istniejącym projekcie, żołnierze byli w stanie zidentyfikować regularnie potrzebne rozwiązanie, samodzielnie je zaprojektować i przetestować, a następnie wydrukować w 3D działający element sprzętu przy użyciu tak wyspecjalizowanego, że w innym przypadku jego produkcja byłaby zbyt kosztowna.
Australijski startup SPEE3D, we współpracy z Korpusem Armii Australii i Nowej Zelandii (ANZAC) oraz Uniwersytetem Karola Darwina, opracował system wytwarzania przyrostowego WarpSPEE3D, aby tworzyć takie narzędzia w terenie. Potrafi wytrzymać surowe środowiska i trudne warunki panujące w różnych terenach i strefach walki. Podobnie jak model US ExOne, jest wytrzymały i wystarczająco mały, aby zmieścić się w kontenerze transportowym, dzięki czemu drukarkę można równie łatwo wdrożyć na okrętach wojennych, jak i transportować ją do stref walki ciężarówkami towarowymi. Zastosowanie technologii natryskiwania na zimno jako alternatywy dla gazów lub laserów sprawia, że idealnie nadaje się do wielu terenów i zastosowań, a po dwóch udanych testach terenowych ANZAC poszukuje możliwości dalszej integracji wytwarzania addytywnego ze swoimi łańcuchami dostaw.
Materiały wybuchowe drukowane w 3D
Brytyjskie Siły Zbrojne i brytyjskie Ministerstwo Obrony stworzyły nową technikę, która może oferować na linii frontu materiały wybuchowe drukowane w 3D. Zainwestowali prawie 10 milionów funtów w innowacje obronne w ramach projektu Future Energetics Project, a druk 3D przyniósł jedne z najbardziej ekscytujących wyników: materiały wybuchowe do druku.
Ze względu na wyjątkową przydatność wytwarzania addytywnego do złożonej produkcji na szczególnie małą skalę, ładunki wybuchowe można wytwarzać z niemożliwą do tej pory zawiłością, na żądanie i w pełni dostosowane do specyfikacji.
Naukowcy z Laboratorium Nauki i Technologii Obronności (Dstl) używają miksera akustycznego LabRAM do obsługi lotnych komponentów, zamiast fizycznych łopatek ze względów bezpieczeństwa i chociaż ładunki drukowane 3D nie są jeszcze dopuszczone do użytku w terenie, eksperci już rozważają ich testowanie, nie tylko pod kątem wytrzymałości samych materiałów wybuchowych, ale także możliwości zwiększenia wytrzymałości różnych typów pancerzy, przeciwko urządzeniom zapalającym.
Uczyń każdego żołnierza inżynierem
Rozwiązywanie problemów jest cenionym atrybutem w wojsku, nic więc dziwnego, że Korpus Piechoty Morskiej USA szkoli Marines w zakresie drukowania 3D, wyposażając ich w umiejętności szybkiego naprawiania usterek sprzętu na polu bitwy.
W 2019 r. MCSC rozpoczęło organizowanie kursów instruktażowych dotyczących podstawowego projektowania wspomaganego komputerowo, drukowania 3D i innych umiejętności technicznych dla Marines, umożliwiając im produkcję niestandardowych części na zamówienie.
Komórka Zaawansowanych Operacji Wytwarzania (AMOC) oddziału została utworzona w celu rozwoju AM w całym Korpusie Piechoty Morskiej. AMOC bierze udział w składaniu zapytań online i opracowuje rozwiązania do druku 3D, które można następnie wysyłać do drukarek 3D w terenie.
„Zaawansowana produkcja stawia produkcję w miejscu, w którym jest ona potrzebna. Korpus postrzega to jako znaczącą przewagę” – powiedział sierż. Douglas McCue, kierownik produkcji przyrostowej w Centrali Marine Corps.
Druk 3D większy i szybszy
Francuscy producenci zwani Naval Group, opracowali największą wydrukowaną w 3D metalową śrubę okrętową, zainstalowaną na służbowym statku wojskowym.
Wprowadzone na rynek na początku tego roku, po prawie trzech latach prac badawczo-rozwojowych, śmigło wydrukowane przy użyciu technologii wytwarzania przyrostowego metodą wire arc additive manufacturing (WAAM), ma rozpiętość 2,5 metra i jest wspierane przez pięć 200-kilogramowych łopat. Śmigła drukowane w 3D zapewniają statkom większą skuteczność na morzu, w tym zwiększoną wydajność ciągu, niewidoczność i lekkość, mówi Naval Group.
„Montaż tego śmigła wydrukowanego w 3D jest bardzo obiecujący na przyszłość”, mówi Eric Balufin, dyrektor Naval Group. „Ta nowa technologia pozwoli nam znacznie zmniejszyć ograniczenia techniczne, a tym samym pozwoli na nowe rozwiązania produkcyjne dla złożonych kształtów geometrycznych, których nie można wyprodukować w konwencjonalnych procesach. Umożliwi nam to również znaczne skrócenie czasu produkcji, a w konsekwencji wsparcie serwisowe.”
To śmigło, to pierwszy krok. W tym roku rozpocznie się nowa faza rozwoju, mająca na celu dopracowanie szczegółowego projektu innych części, tak aby również one korzystały z druku 3D.
Źródło: https://all3dp.com
