Die Schiffbauindustrie setzt auf 3D-Druck, um ihr Tempo zu beschleunigen

ARLINGTON, Virginia – Das Flugzeugträgerbauteam von HIIs Newport News Shipbuilding stand im März 2022 vor einer wichtigen Frist.

Das Team stand kurz davor, einen Hunderte Tonnen schweren Kielblock der künftigen Enterprise ins Trockendock zu transportieren.

Schiffbauer rüsten diese als Superlifte bezeichneten Teile auf der Endmontageplattform am Pier aus, installieren die Rohrleitungen und Kabel in diesen riesigen Legosteinen und heben sie dann mit einem Kran im Trockendock an ihren Platz.

Aber eine einzige Komponente drohte, diese komplexe Aktivität zum Scheitern zu bringen, sagte Brian Fields, Vizepräsident der Enterprise und des Schwesterschiffs Doris Miller, kürzlich gegenüber Reportern.

Im November 2021 erfuhr das Team, dass ein gegossenes Metallteil – eine kritische, aber sensible Komponente, die Fields nicht nennen wollte – erst Ende Juni oder Anfang Juli verfügbar sein würde.

„Ich musste diesen riesigen Superlift ins Trockendock bringen“, sagte er. „Es war ein Teil, und ich musste es in der Endmontageplattform installieren lassen.“

Zu warten und es später zu installieren, wäre „erheblich riskant und mit großen Kostenauswirkungen verbunden gewesen“, fügte Fields hinzu.

Anstatt zwischen einer Verzögerung des Zeitplans oder zusätzlichen Kosten zu wählen, arbeiteten der Schiffbauer und die Marine zusammen, um das Teil in nur vier Monaten zu entwerfen, zu qualifizieren und in 3D zu drucken und so die Frist für den Superlift im März einzuhalten.

Obwohl dieser Umstand ungewöhnlich war, hoffen die Marine und ihre Zulieferer, dass dies eines Tages der Standard sein wird und nicht das veraltete Gussverfahren.

Hochrangige Marinebeamte haben wiederholt auf Herausforderungen insbesondere im U-Boot-Industriestützpunkt sowie im Flugzeugträger- und Überwasserschiff-Industriestützpunkt hingewiesen. Die Zahl der Lieferanten nimmt ab, obwohl der Dienst seine Produktionsrate steigern möchte.

Im Fall der Angriffs-U-Boote der Virginia-Klasse beispielsweise sind Bedenken hinsichtlich der industriellen Basis der einzige Grund dafür, dass die Regierung ihre Beschaffungsrate nicht von zwei auf drei pro Jahr erhöht.

Matt Sermon, der geschäftsführende Direktor des Program Executive Office for Strategic Submarines, der für Fragen der U-Boot-Industriebasis zuständig ist, sagte, die Marine verfolge die additive Fertigung nicht als Neuheit, sondern „wir tun dies, weil wir es müssen.“

Es sei „der Weg“, um rechtzeitig zum Bau und zur Reparatur von U-Booten zu gelangen, fügte er hinzu.

Sermon sagte am 30. Januar auf einer Konferenz der American Society of Naval Engineers, dass die Industrie am meisten Schwierigkeiten habe, mit der erforderlichen Kapazität an Schwermetallteilen und -komponenten Schritt zu halten. Dazu gehören Gussteile, Schmiedeteile, Ventile, Armaturen und Verbindungselemente.

Tatsächlich, sagte er, habe die Marine 5.500 Teile untersucht, die zeitliche Herausforderungen für neue Bau- und Wartungsverfügbarkeiten für U-Boote und Schiffe darstellten; Sechs Materialien seien für 70 % der verspäteten Lieferungen verantwortlich, sagte er. Mithilfe der additiven Fertigung könnten mehr dieser Teile schneller und zuverlässiger zu Bau- und Reparaturwerkstätten gelangen.

Diese Teile stellten schon immer eine Herausforderung für die Industrie dar, da die grundlegende Metallurgie komplex ist und zu Fehlern führen kann. Allerdings gibt es heute weniger Unternehmen, die diese Komponenten herstellen als in den vergangenen Jahrzehnten, und diese kleinere Basis hat Mühe, mit der wachsenden Nachfrage Schritt zu halten.

Die Marine habe einen Plan entwickelt, um die mit diesen sechs Materialien verbundenen Metalle, Druckmaschinen und Prozesse in diesem Jahr so ​​weit zu entwickeln, dass sie bis März 2024 in großen Mengen gedruckt und auf U-Booten eingesetzt werden können, sagte Sermon.

Vizeadmiral Bill Galinis, der Kommandeur des Naval Sea Systems Command, sagte am 12. Januar gegenüber Defense News, NAVSEA arbeite mit seinen Kriegsführungszentren und dem Naval Nuclear Propulsion Program zusammen, um das Verständnis und den Komfort der Seestreitkräfte mit additiven Fertigungstechnologien und -prozessen zu verbessern.

„Wir haben diesen Prozess noch nicht so weit ausgereift, dass wir die additive Fertigung so skalieren können, wie wir es meiner Meinung nach brauchen“, sagte er. „Wir können Einzelstücke herstellen, und ehrlich gesagt haben wir selbst für eine Reaktorkomponente einige ziemlich komplexe Teile mithilfe der additiven Fertigung hergestellt, aber wir sind noch nicht an dem Punkt angelangt, an dem das skalierbar ist.“

Der Bau von U-Booten mit ballistischen Raketen der Columbia-Klasse hat bereits begonnen, wird aber in den kommenden Jahren weiter wachsen, auch wenn die Industriebasis bereits mit der aktuellen Arbeitsbelastung zu kämpfen hat. Galinis sagte, dass die additive Fertigung als Alternative zu Guss- und Schmiedeteilen der Industrie dabei helfen werde, das Columbia-Programm im Zeitplan zu halten und das Programm der Virginia-Klasse wieder auf Kurs zu bringen.

„Sie möchten in der Lage sein, hochvolumige, häufig genutzte Teile zu identifizieren, und Sie verfügen über eine Druckfunktion, die es Ihnen ermöglicht, diese ziemlich regelmäßig zu drucken. Es gibt Teile der Privatwirtschaft, die einiges davon getan haben“, sagte er. „Unsere Herausforderung besteht derzeit zum einen darin, den Zertifizierungsprozess schnell zu durchlaufen, zu kodifizieren, wie dieser aussehen wird, und dann in der Lage zu sein, die additive Fertigung zu skalieren.“

Genau das versucht Fields bei Newport News zu erreichen.

Er sagte, Gussteile seien für die Werft besonders schwierig und es gebe eine lange Liste von Gussmetallteilen, die er nur schwer rechtzeitig und in guter Qualität beschaffen könne.

Fields sagte, das Unternehmen könne den Metallguss übernehmen, aber sobald die Mitarbeiter damit beginnen, es auf die richtige Form zu bringen, müssten etwaige Fehler im Metall entweder durch Schweißen repariert oder das gesamte Teil neu gestartet werden. Da diese Mängel nicht immer frühzeitig sichtbar sind, kann das Neugießen eines Teils eine unwillkommene Überraschung im Zeitplan für den Schiffsbau sein.

„Alle unsere Lieferanten haben Schwierigkeiten, die Gussteile pünktlich zu erhalten, um den Schiffsplan einzuhalten“, sagte er. „Die Qualität eines 3D-gedruckten Teils ist beim ersten Mal viel besser und die Kosten sind deutlich geringer.“

Als Beispiel verwendete er einen JP-5-Krümmer. Dieses Teil hilft, Kerosin um den Flugzeugträger zu bewegen und besteht aus einem gegossenen Metallteil mit angefertigten Flanschen an den Enden.

„Es ist wirklich schwierig, sie richtig herzustellen. Ich habe gerade 28 davon, auf deren Guss ich warte, und jedes Mal, wenn man sie mit Wasser versorgt, verwandeln sie sich in Sprinkler, weil der Guss schwierig zu machen ist. Und jetzt reparieren wir sie durch Schweißen“, sagte Fields. „An diesem Beispiel für all die Zeit und das Geld, die ich aufgewendet habe, um diese Teile zu mir zu bringen, damit ich sie rechtzeitig auf dem Schiff installieren kann, sehe ich, dass der 3D-Druck wirklich etwas bewegen kann.“

Laut Sermon könnte die additive Fertigung die Produktionszeit für bestimmte Metallteile je nach Effizienz des Druckers um durchschnittlich 80 % verkürzen.

Feuerwehrmann Dalton Garret, der der technischen Abteilung des amphibischen Angriffsschiffs USS Bataan (LHD 5) der Wasp-Klasse zugeteilt ist, erstellt am 16. November 2022 einen computergestützten Entwurf für ein dreidimensionales Druckprojekt. (MC2 Matthew Brown/US Navy)

HII unterzeichnete 2017 eine Vereinbarung mit dem Spezialisten für additive Fertigung 3D Systems, um potenzielle Druckmöglichkeiten bei Newport News für den Bau und die Reparatur von Flugzeugträgern und U-Booten zu erkunden.

Mike Shepard, Vizepräsident für Luft- und Raumfahrt und Verteidigung bei 3D Systems, sagte gegenüber Defence News, dass das Unternehmen zwar über eigene Druckzentren verfügt, das Ziel jedoch nicht darin besteht, Teile für Newport News Shipbuilding zu drucken, sondern das Unternehmen bei der Integration modernster Drucktechnologie zu unterstützen in seine Prozesse ein.

Die spezielle Kupfer-Nickel-Legierung von 3D Systems ist heute ein Bereich der Zusammenarbeit zwischen den beiden Unternehmen. Herkömmliche Methoden wie Gießen und Schmieden können zu Fehlern in Kupfer-Nickel-Teilen führen, die die Produktion verlangsamen.

Mit dem direkten Metalldruckverfahren von 3D Systems „erzielen wir bessere Eigenschaften als herkömmliche Schmiede- oder Gussteile.“ Beim [Druck-]Ansatz haben wir keine Probleme mit der Porosität. Das bedeutet, dass wir beim Gießen kostenmäßig wettbewerbsfähig sind und eine viel kürzere Vorlaufzeit haben“, sagte Shepard.

Shepard fügte hinzu, dass das Volumen der Teile, die 3D Systems beim Drucken von Newport News unterstützt, zunimmt, „aber wir überfliegen die Gesamtchance nur an der Oberfläche.“

Für Doug Arnold, Direktor für Meerestechnik bei Sermon und Naval Sea Systems Command, tragen solche Branchenkooperationen dazu bei, neue Technologien an Lücken in der industriellen Kapazität anzupassen – aber die Marine muss sicherstellen, dass ihre strengen technischen Standards angewendet werden.

Sermon sagte, die Luftfahrtgemeinschaft und die Wissenschaft hätten bereits in umfangreiche Forschung zur additiven Fertigung mit bestimmten Metallen investiert, und in diesen Fällen könne die Marine ziemlich schnell vorankommen. Aber bei Metallen, die speziell für Marineanwendungen bestimmt sind, darunter Kupfer-Nickel und einige Stahllegierungen, sind weitere Untersuchungen darüber erforderlich, was passiert, wenn diese Materialien zum Drucken verwendet werden, insbesondere wie sich dies auf die Ermüdungs- und Korrosionseigenschaften der Metalle auswirkt.

Arnold sagte, die Marine und Zulieferer könnten damit beginnen, diese Materialien zum Drucken von Bauteilen zu verwenden, bei denen diese Eigenschaften zweiter und dritter Ordnung nicht so relevant sind – beispielsweise die Verwendung von Kupfer-Nickel für Bauteile, die keinem Wasser ausgesetzt sind und bei denen Korrosion kein großes Problem darstellt Lernen Sie Lektionen über das Drucken risikoarmer Komponenten und gewinnen Sie Zeit für Forscher, um die Feinheiten der Verwendung dieser Metalle in der additiven Fertigung besser zu verstehen.

Fields sagte, HII müsse aufgrund der zusätzlichen technischen Anforderungen besonders vorsichtig mit Teilen für U-Boote sein.

Aber, sagte er, die Marine und ihre Industriepartner müssten einen Weg nach vorne finden, wenn sie die heutige U-Boot-Produktionsrate fortsetzen oder steigern wollen.

„Einer der Gründe für den Dammbruch ist, dass der Kunde am Ende schreit: ‚Das brauche ich‘.“ Ich denke also, dass sich das langsam beschleunigt“, sagte Fields, wenn man sich die gedruckten Teile für U-Boote anschaut.

Megan Eckstein ist Seekriegsreporterin bei Defense News. Seit 2009 berichtet sie über Militärnachrichten, wobei der Schwerpunkt auf Operationen, Beschaffungsprogrammen und Budgets der US-Marine und des Marine Corps liegt. Sie hat von vier geografischen Flotten berichtet und ist am glücklichsten, wenn sie Geschichten von einem Schiff aus archiviert. Megan ist Absolventin der University of Maryland.