Es ist kein Geheimnis, dass additive Fertigung (AM) in den letzten Jahren im Verteidigungsbereich an Boden gewonnen hat, mit zahlreichen neuen Maschinen, Materialien und Partnerschaften. Von Drohnen bis zu Kleinkalibern explodieren die Anwendungsfälle von AM in der Verteidigung, aber es besteht die Tendenz, über diese Fortschritte eher allgemein als mit konkreten Beispielen zu sprechen.
Schau, ich habe es gerade getan!
Ein Grund dafür (und ein hartnäckiges Problem für Vermarkter im Technologiesektor) ist, dass wenn Ihr Produkt oder Ihre Lösung Ihren Kunden einen Wettbewerbsvorteil verschafft, sie ihr Geheimrezept wahrscheinlich nicht teilen wollen. Tatsächlich gibt es zu jeder fesselnden Fallstudie, die ich gefunden habe, Dutzende weitere, über die ich nicht sprechen kann, ohne gegen eine NDA zu verstoßen.
Also, was soll ein bescheidener Senior Editor tun?
Natürlich direkt zur Quelle gehen!
Ich hatte mehrere aktuelle Ankündigungen von großen Akteuren gesehen, die Beehive Industries erwähnten, also kontaktierte ich das Unternehmen, um mehr darüber zu erfahren, wie es AM einsetzt, um im Verteidigungs-Herstellungsbereich einen Vorsprung zu erlangen. Ich setzte mich schließlich mit Gordie Follin, dem Chief Product Officer des Unternehmens und einem Ingenieur mit jahrzehntelanger Erfahrung in der Luft- und Raumfahrt, zusammen.
Von GE zu Beehive
Nach mehr als zwanzig Jahren bei Branchengrößen, darunter GE Aerospace und Pratt & Whitney, war Follin kein Unbekannter, wenn es um AM im großen Maßstab geht. Seine Zeit bei GE umfasste Arbeiten an dem, was er für den am stärksten additiv-fähigen FAA-zertifizierten Flugzeugtriebwerk: den Catalyst hält. Aber die FAA-Zertifizierung, wie Follin anerkennt, ist eine wiederkehrende Herausforderung für AM in der Produktion.
Es ist eine Sache, eine Einmal-Anwendung an einer Drohne zu zertifizieren, aber die Zertifizierung eines kritischen Bauteils für ein bemanntes Flugzeug ist ein deutlich höherer Anspruch. Deshalb, als Follin vor fünf Jahren GE verließ, um zu Beehive zu kommen, war die Verteidigung nicht der alleinige Fokus des Unternehmens. Das Team betrachtete industrielle Gasturbinen, feste und flüssige Raketentriebwerke, sogar zahn- und medizinische Geräte. Aber, wie Follin erzählt, zeigten die Zahlen, dass Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung die beste Option waren.
„Additive ermöglicht es, Leistung, Gewicht, Kosten und Zeitplan zu optimieren“, erklärt Follin. „Normalerweise muss man zwei dieser vier Dinge wählen, aber additive erlaubt es potenziell, alle zu verfolgen, ohne die anderen zu opfern.“ Noch wichtiger ist, dass dort, wo diese Kompromisse am meisten zählen, Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung am besten abschneiden.
Von dort aus verengte Beehive den Fokus weiter auf unbemannte Systeme, eine Entscheidung, die den Qualifikationsprozess dramatisch vereinfacht und dem Unternehmen ein iteratives Tempo ermöglicht, das in einem bemannten Flugzeugprogramm undenkbar wäre.
Von Demonstrator zu Frenzy
Wie so oft geschieht, war Beehives Flaggschiff-Produkt – der Frenzy-Turbojet-Motor – nicht das erste. Anfangs teilweise inspiriert vom X-61 Gremlin, baute Beehive mehrere Demonstrator-Motoren und testete sie, was Follin zufolge nicht nur eine wichtige Lernerfahrung war, sondern dem jungen Unternehmen auch Glaubwürdigkeit verschaffte.
„Viele Start-ups sagen, sie werden etwas tun, aber die Wahrheit ist, dass viele das nicht tun“, erklärt er. „Den Motor selbst zu bauen und zu Kunden zu bringen, hat uns wirklich Türen geöffnet.“
Aus den frühen Gesprächen mit Kunden erkannte Beehive eine Marktchance in einer kleineren Motorenklasse, angetrieben durch Förderungen aus Programmen wie der Extended Range Attack Munition (ERAM) und der Family of Affordable Mass Missiles (FAMM). Während Kunden Begeisterung für das zeigten, was Beehive vorschlug, sagt Follin, gebe es auch Bedenken, dass das Unternehmen zu spät komme, um zu konkurrieren:
„Vor drei Jahren sagten sie: ‚Wir brauchen in drei Jahren etwas, aber niemand kann einen Motor so schnell entwickeln.‘ Aber für den allerersten Motor, den wir bauten, gingen wir von einem leeren Blatt zu einem ersten Motortest in sieben Monaten.“
Als der Frenzy-Motor weiter voranschritt – selbst in großen Höhen, wo kleine Motoren Schwierigkeiten haben – wuchs das Interesse des Verteidigungssektors an Beehive Industries entsprechend.
Additive Fertigung bei Beehive Industries
Bei seiner Gründung war Beehive Industries wie viele AM-Job-Shops: 3D-Druck von Teilen für andere Branchen auf Abruf. Tatsächlich produziert das Unternehmen noch immer Teile für die Energieerzeugungsbranche sowie für andere in Luft- und Raumfahrt und Verteidigung. Darüber hinaus werden einige dieser Teile direkt mittels Pulverbettschmelze gedruckt, andere über additives Gießen hergestellt.
Anstatt den traditionellen, mehrstufigen Wachs-Muster-Prozess für das Gießen von Turbinen-Luftprofilen oder Kraftstoffdüsen zu durchlaufen, druckt Beehive 3D Keramikformen direkt. Dadurch, sagt Follin, können sie diese Gussteile in einem Bruchteil der Zeit liefern, die ein konventionelles Gießhaus benötigen würde. Das Unternehmen hat kürzlich auch Metall-Gießfähigkeiten hinzugefügt, sodass Beehive die Frenzy-Motoren entweder über AM oder konventionelles Gießen herstellen kann, je nachdem, was bei steigender Produktion sinnvoller ist.
Laut Follin weisen die gegossenen und gedruckten Einheiten dieselbe Leistung auf; der eigentliche Unterschied liegt in den Stückkosten bei externen Anbietern. „Im Moment kostet es uns etwa gleich, ob wir eine Turbine drucken oder gießen“, erklärt er. „Der Grund, warum es intern kostenneutral ist, liegt darin, dass wir keine Kosten für Keramik-Werkzeuge oder Feinguss zahlen; wenn wir eine gegossene Turbine von jemand anderem kaufen würden, wäre das viel teurer, als sie selbst zu drucken.“
Aus Design-Sicht hat Beehive Design for Additive Manufacturing (DfAM) vollständig übernommen, wobei die Motoren aus einer additive-first-Mentalität gebaut werden. Das Ergebnis, sagt Follin, ist, dass Frenzy nicht wie ein herkömmlicher Motor aussieht. „Wenn wir diesen Motor konventionell herstellen würden, wären es wahrscheinlich 400 Teile“, erklärt er. „Unser Motor, inklusive jeder Schraube und Unterlegscheibe, besteht aus etwa 40 Teilen. Die Turbomaschine ist fünf Teile, und das wären normalerweise 200.“ Kurz gesagt, Frenzy verkörpert die Vorteile der Teile-Konsolidierung, die AM-Befürworter seit Jahren preisen.
„Wir haben einen Mittelrahmen in der Mitte des Motors, der den Diffusor des Kompressors, das Brennkammergehäuse, den Brennkammer-Liner, die Lagergehäuse, die Düse der ersten Turbinenstufe, die Kraftstoffdüsen und den Kraftstoff-Verteiler enthält“, sagt Follin. „All das wird in einem einzigen Teil gedruckt, das man konventionell nie herstellen könnte. Es ist ein schönes Teil. Wenn Sie ein Technik-Nerd sind, würden Sie sagen, es sollte eines Tages im MoMA hängen.“
Außerdem bedeutet Beehives Erfahrung mit AM, dass die Ingenieure des Unternehmens wissen, wo und wie Kompromisse in der Betriebseffizienz gemacht werden können. Beispielsweise erzielt Frenzy seine Effizienz nicht durch Reduzierung der Oberflächenrauheit gedruckter Luftprofile, sondern durch Eliminierung von Leckpfaden und den Einsatz aerodynamischer Designs.
Natürlich heißt das nicht, dass AM das Fräsen bei Beehive vollständig ersetzt hat. In Fällen, in denen Toleranzen extrem eng oder Belastungen extrem hoch sind – etwa bei Turbinenblattspitzen oder Wellen-Schnittstellen – ist Fräsen immer noch die beste Option. Follin ist jedoch überzeugt, dass das Drucken eines Teils fast in Endform und danach das komplette Fräsen nicht der richtige Weg ist. Das ist ein weiterer Grund, warum Beehives Fokus auf kleinen Motoren für Einweg-Einsätze gut zu AM passt: Diese Motoren benötigen nicht das gleiche Effizienzniveau wie Motoren, die tausende Stunden fliegen. Für diesen Anwendungsfall sind die Gewinne durch AM beeindruckend:
„Am Ende des Tages, wenn wir unseren Motor mit einer konventionell hergestellten Alternative vergleichen, sind wir 20-30 % effizienter“, sagt Follin.
Herausforderungen und die China-Frage
Beehive Industries wächst rasant und hat in den letzten Jahren zahlreiche wichtige Meilensteine erreicht. Während das zweifellos gut für das Unternehmen ist, kann es auch neue Herausforderungen schaffen, von denen die bedeutendste die Skalierung ist. Von Personal über Anlagen bis hin zu Produktionsraten muss ein wachsendes Unternehmen reibungslos skalieren können, sonst droht es, in Bürokratie und technische Schulden zu versinken. Einer der Wege, wie Beehive sich darauf vorbereitete, waren die von Follin genannten Manufacturing Demonstrations, bei denen Beehive das Drucken vieler Motoren in begrenzter Zeit – ein bis zwei Wochen – übte, um sich auf den geplanten Produktionsanstieg vorzubereiten.
Und jetzt beginnt das echte Skalieren: Beehive plant, dieses Jahr Hunderte von Motoren zu bauen, 2027 mehrere Tausend und vielleicht bis zu 10 000 im darauffolgenden Jahr. „Wir versenden derzeit mehrere Ingenieure pro Tag“, sagt Follin.
Im Personalbereich sucht Beehive Industries nach Ingenieuren mit Branchenerfahrung statt nach Hochschulabsolventen. „Im Allgemeinen sind die Leute, die wir einstellen, sehr stark in additive Fertigung, Jet-Engine-Technologie oder beidem“, erklärt Follin. Das bedeutet, dass Talente nicht nur aus der Luftfahrt, sondern auch aus der Raumfahrt, industriellen Gasturbinen und anderen Bereichen, die additive Expertise fördern, rekrutiert werden. „Bei additive ist die Grenze zwischen Fertigung und Konstruktion im Grunde Null“, sagt Follin. Das ist einer der Gründe, warum das Unternehmen Maschinenbediener in seine Design-Reviews einbezieht: um zu vermeiden, dass Teile entworfen werden, die gar nicht herstellbar sind.
Eine letzte Frage, die ich stellen musste, betraf China. Ich habe schon seit einer Weile eine Theorie, dass das Wachstum von AM in der Verteidigung zumindest teilweise durch den Wettbewerbsdruck chinesischer additive OEMs wie BLT und Farsoon getrieben wird. Ich fragte Follin direkt, ob Beehive Industries jemals erwägen würde, einen BLT- oder Farsoon-Drucker zu nutzen, und seine Antwort war eindeutig:
„Für uns geht es weniger um die technische Leistungsfähigkeit des Druckers, sondern mehr um die Datensicherheit. Wir arbeiten an militärischen Anwendungen, deshalb werden wir weiterhin Komponenten verwenden, die in den Vereinigten Staaten oder verbündeten Ländern hergestellt werden. Es gibt Wege, wie Informationen leaksen können, wenn jemand Ihren Drucker wartet, also sind wir da sehr vorsichtig. Wir werden chinesische Drucker zu diesem Zeitpunkt nicht in Betracht ziehen, weil wir an diesen Projekten arbeiten. Wenn wir Schmuck drucken würden, wäre das vielleicht in Ordnung, aber das tun wir nicht. Die Anwendung bestimmt unseren Prozess fast genauso stark wie alles andere.“
AM für die Verteidigung richtig eingesetzt
Es ist schwer, ein besseres Beispiel dafür zu finden, was AM für die Verteidigung leisten kann, als Beehive Industries. Vom Design-Prozess über die Produkte bis hin zum Produktionsansatz – das ist ein Unternehmen, dem 3D-Druck im Blut liegt. Tatsächlich würde ich sogar sagen, dass Beehive Industries in seiner jetzigen Form ohne die Ermöglichung additiver Technologien nicht existieren würde. Wenn Sie sich fragen, wie die Zukunft der Fertigung im Verteidigungssektor allgemein aussehen wird, das ist es.
The post This is how you do AM for defense appeared first on Engineering.com.