Das Militärwesen besitzt bereits seit der Antike eine Vielzahl von Funktionen. Einerseits natürlich zur Kriegsführung, sowohl im Angriff als auch der Verteidigung, andererseits aber auch als Notfallhilfe bei Naturkatastrophen und insbesondere auch als Innovationstreiber – beispielsweise für den Vorläufer des Internets, das ARPANET, ohne welchen Sie heute diesen Blogpost nicht entspannt auf Ihrem Computer, Laptop oder Smartphone lesen könnten.
In Deutschland hat das Militärwesen jedoch einen vergleichsweise schwierigen Stand. Lange Zeit wurde es von der Politik vernachlässigt und innerhalb großer Teile der Bevölkerung genießt es zwar ein grundsätzlich hohes Ansehen, aber ihre klassische Arbeit, ergo Militäreinsätze, werden häufig sehr kritisch beäugt – selbst bei Einsätzen als Friedenstruppe.
Diese kritische Einstellung ist aus historischer Sicht mehr als verständlich. Großeltern und Eltern konnten ihren Enkeln und Kindern aus erster Hand von der destruktiven Wirkung eines Weltkriegs berichten, wodurch gesamtgesellschaftlich sämtliche auch nur potenzielle Adoration von militärischen Strukturen negativ behaftet wurde.
Diese kritische Einstellung gelangt jedoch in den letzten Jahren an eine Grenze. Sich ändernde globale Verhältnisse, eine Verkomplizierung von bilateralen Beziehungen und das Aufkochen mehrerer militärischer Konflikte ließen einen nervenzereibenden Strom durch die Gesellschaft schießen, welcher in einer großen Frage endete: Können wir diese kritische Einstellung beibehalten und gleichzeitig den Frieden verteidigen?
Diese Frage allgemeingültig zu beantworten ist weder möglich, noch mein Bestreben. Aber genau diese Frage war es, die zur von Olaf Scholz als „Zeitenwende“ betitelten Änderung des politischen Verhältnisses zum Militärwesen in ganz Europa geführt hat. Wehrtüchtigkeit könne in Europa nicht mehr nur auf dem Papier stattfinden, sie müsse einen handfesten Neuaufbau erleben.
Solch ein Neuaufbau ist natürlich nicht innerhalb einiger Monate oder gar Jahre vollbracht. Das Hochfahren von jahrzehntelang ruhenden Produktionskapazitäten, der Auf- und Ausbau von Militärfabriken und die Aufrüstung von Militärpersonal benötigt neben Geld und politischem Willen auch einiges an Zeit – und genau hier kommt die Additive Fertigung ins Spiel!
In diesem Blogpost erfahren Sie, wie der 3D-Druck das Militärwesen unterstützt, den technologischen Fortschritt vorantreibt, die militärische Ausrüstung von Soldaten beschleunigt und Krisensituationen entschärft. Ich werde mit den vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten des 3D-Drucks im Militärwesen beginnen und daraufhin zu den Vorteilen des Einsatzes von Additiver Fertigung übergehen.
Vom Boden über das Meer bis zur Luft
Das Militärwesen der meisten Länder dieser Welt teilt sich in drei Teile ein – das Heer, die Luftwaffe und die Marine. In den meisten Situationen stellt das Heer weiterhin das Rückgrat jeder militärischen Operation dar, aber spätestens seit dem Zweiten Weltkrieg sind auch Luft- und Seeunterstützung unabdingbar für eine optimale Verteidigung geworden. Ohne Luftüberlegenheit werden Bodentruppen zu einem leichten Ziel für gegnerische Luftnahunterstützung und ohne Dominanz auf dem Meer können Küstenlandungen nicht aufgehalten werden, welche zu katastrophalen Folgen, von logistischen Schwierigkeiten bis zur Einkesselung der Bodentruppen, führen können.
Der 3D-Druck bietet für alle diese Stützpfeiler der Verteidigung eine Vielzahl von Anwendungsgebieten. Für diesen Blogpost konzentriere ich mich vor allem auf einsatzfähige Militärkomponenten, da 3D-gedruckte Prototypen im Militär inzwischen so vielseitig sind, dass diese den Rahmen dieses Blogposts sprengen würden. Zunächst beschäftigen wir uns mit den Möglichkeiten der Additiven Fertigung für das Herzstück eines jeden Militärs – das Heer.
Ausrüstung für die Front
Die ersten Gehversuche der Additiven Fertigung innerhalb des Militärwesens fanden in den frühen 2010er-Jahren statt. Insbesondere Infanterieausrüstung, beispielsweise Helme und Gewehrkolben, von welchen unter gegebenen Umständen eine große Menge in kurzer Zeit benötigt werden, wurde bei diesen ersten Gehversuchen additiv produziert.
Diese Gehversuche sind inzwischen weitaus ausgereifter und gehen weit über Helme und Gewehrkolben hinaus. Schalldämpfer, Linsen für Kollimatorvisiere und Ferngläser, Stative für Maschinengewehre, Schutzwestenteile, Granatenkorpora und vieles mehr kann und wird inzwischen per 3D-Druck produziert.
Für Komponenten von Militärlandfahrzeugen wird die Additive Fertigung inzwischen ebenfalls eingesetzt. So druckt die US Army bereits seit einiger Zeit Batteriehaltungen für ihren M998 HMMWV und kündigte 2023 an, die Nutzung der Additiven Fertigung auch auf andere Komponenten des M998 ausweiten zu wollen.
So arbeitet das Army Research Laboratory derzeit an der additiven Herstellung einer Vielzahl von Fahrzeugkomponenten – von Antriebssystemen bis Geschützturmkomponenten. Zusätzlich wird im Rahmen des 2017 gestarteten NGVC-Programms (Next-Gen Combat Vehicles) mit 3D-gedrucktem Titanium gearbeitet, um leichtgewichtige und langlebige Militärfahrzeugkomponenten zu erstellen. Weiterführende Informationen rund um den Einsatz von Additiver Fertigung des Army Research Laboratory können Sie in dieser PDF-Datei finden.
Ein weiteres sehr aussichtsreiches Projekt für additiv produzierte Kampffahrzeugteile ist das sogenannte „Jointless Hull“-Projekt des US Army Ground Vehicle System Center (GVSC). Gemeinsam mit ASTRO America, eine von der US-Regierung finanzierte NPO, und Unterauftragnehmern wie Ingersoll Machine Tools, Siemens und einige weiter wurde dabei ab 2021 der größte Metall-3D-Drucker weltweit, mit einem Bauvolumen von über 200.000 Litern, gebaut. Damit sollen in naher Zukunft auch sehr große Komponenten von Kampffahrzeugen, beispielsweise komplette Karosserien, an einem Stück gedruckt werden.
Aber auch außerhalb des Kampfgetümmels kommt dem 3D-Druck eine wichtige Rolle im Heer zu. Beispielsweise werden für auf dem Schlachtfeld verwundete Soldaten häufig personalisierte Prothesen benötigt, deren Produktion mit herkömmlichen Methoden, je nach Art der Verletzung und Auslastung, bis zu mehrere Monate dauern kann. Mit dem 3D-Druck hingegen lassen sich individualisierte Prothesen innerhalb weniger Stunden produzieren – im Notfall auch direkt im Lazarett selbst.
Ausrüstung für das Meer
Die Additive Fertigung für militärische Schiffe benötigte einige Zeit länger als in den anderen Geibeten des Militärs. Die Kräfte, die auf Militärschiffe ausgeübt werden, waren lange Zeit ein Ausschlusskriterium für 3D-gedruckte Bauteile, da die benötigte Widerstandsfähigkeit nicht erreichbar war.
Das erste vollständig 3D-gedruckte und einsatzbereite Bauteil für ein Schiff wurde im Jahr 2017 produziert – der „WAAMpeller“ des niederländischen Unternehmens RAMLAB. Diese 1,3 Meter große Schiffsschraube, welche ein Gewicht von nur 180 kg aufweist, hatte 2018 schließlich seine Jungfernfahrt, welche ohne Schwierigkeiten vonstattenging, und wird seitdem weiter für den Einsatz optimiert.
Ende 2018 wurde dann das erste 3D-gedruckte Bauteil auf einem Militärschiff verwendet. Eine Abflusssiebdüse aus einem 3D-Drucker wurde erfolgreich in die Dampfleitung des USS Harry S. Truman Flugzeugträgers eingebaut und dient seither mit vollem Erfolg.
Seit 2019 fokussiert die US Navy seine additive Produktion insbesondere auf Ersatzteile von U-Booten. Da klassische Herstellungsmethoden lange Vorlaufzeiten besitzen, wodurch U-Boote gegebenenfalls längere Zeit nicht nutzbar sind, ist die hohe Geschwindigkeit der Additiven Fertigung ideal, um Notausfälle zu vermeiden. Auch vollständige U-Boot-Hüllen wurden bereits gedruckt, beispielsweise 2017 ein SEAL Delivery Verhicle, diese befinden sich bis dato jedoch ausschließlich im Prototypenstadium.
Die US Navy hat 2022 außerdem die ersten 3D-Drucker auf Schiffen selbst installiert, um auch auf hoher See Reparaturarbeiten durchführen zu können, ohne tonnenweise Ersatzteile auf dem Schiff lagern zu müssen. So wurden 3D-Drucker zunächst auf der USS Essex und später auch auf der USS Bataan, beides amphibische Angriffsschiffe, zur Standardausrüstung.
Solche 3D-Drucker auf den Schiffen helfen dabei nicht nur der Marine selbst, auch amphibische Bodentruppen oder Militärflugfahrzeuge auf Seemissionen profitieren von einer rapiden Ersatzteilproduktion auf Militärschiffen. Auch für Forschungszwecke können 3D-Drucker auf Schiffen nützlich sein – beispielsweise benutzt die Deutsche Marine 3D-Drucker für diesen Zweck bereits seit einigen Jahren.
Ausrüstung für die Luft
Die ersten 3D-gedruckten Komponenten in einem Flugzeug gab es bereits 2013 – allerdings zunächst nur in Verkehrsflugzeugen. Da die Anforderungen an militärische Luftfahrzeuge noch einmal strenger sind, hat die Entwicklung im Militärwesen noch einmal etwas länger gedauert.
Der erste Durchbruch hierbei wurde im Jahr 2015 erzielt, als das erste, 3D-gedruckte Bauteil für ein Düsentriebwerk von der FAA für den kommerziellen Einsatz zertifiziert wurde. Seitdem buhlen hochrangige Flugfahrzeughersteller wie Airbus, Boeing und General Motors geradezu um eine Erweiterung von 3D-gedruckten Komponenten, die in Flugzeugen verbaut werden können.
Bei Militärflugzeugen kamen die ersten 3D-gedruckten Bauteile im Jahr 2019 zum Einsatz. Dies waren zunächst nur unkritische Komponenten, beispielsweise eine Trittplatthalterung im Cockpit des Lockheed Martin F-22 Raptor. Trotz der unkritischen Art dieser Komponenten waren sie ein weiterer Durchbruch für die Additive Fertigung im Bereich der Militärluftfahrzeuge.
Der finale Durchbruch gelang dem Oklahoma City Air Logistics Complex im Jahr 2020. Hier wurde das erste additiv produzierte Bauteil hergestellt, welches erfolgreich an einem Triebwerk der US Air Force getestet wurde. Dieses Bauteil, welches zuerst bei der Boeing B-52 Stratofortress eingesetzt wurde, war für die US Air Force der Beweis, dass der 3D-Druck auch die extraordinär strengen Regularien für kritische Militärflugzeugbauteile erfüllen kann.
Seitdem hat der 3D-Druck Stück für Stück weitere Anwendungsgebiete bei Militärflugzeugen erschlossen. So werden inzwischen beispielsweise Ersatzteile für den legendären UH-60 Black Hawk mit Hilfe der Additiven Fertigung hergestellt. Da dieser Helikopter bereits seit über 40 Jahren im Einsatz ist, ist die Produktion bereits seit über einem Jahrzehnt eingestellt, wodurch Ersatzteile nur noch sehr rar gesät sind.
So vergingen laut dem ehemaligen Commander Major General der US AMCOM (Army Aviation and Missle Command) Todd Royar teilweise über zwei Jahre, bis benötigte Ersatzteile geliefert werden konnten. Der 3D-Druck schaffte und schafft auch weiterhin Abhilfe für dieses Problem, indem Ersatzteile einfach und schnell selbst produziert werden können.
Auch im Bereich von UAVs (Unmanned Aerial Vehicle) findet der 3D-Druck inzwischen vermehrt Anwendung. Für einige kleine Kampf- oder Logistikdrohnen werden bereits seit 2021 die Gehäuse vollständig mit Additiver Fertigung hergestellt, da diese besonders leichtgewichtige Komponenten ermöglicht.
Zu guter Letzt sollte auch ein brandneues Projekt von Boeing erwähnt werden. Seit Ende 2023 arbeitet Boeing zusammen mit ASTRO America, um Komponenten für ihren AH-64 Kampfhubschrauber per Additiver Fertigung zu produzieren. Das erste Ziel dieser Kollaboration ist es, ein vollständig 3D-gedrucktes Hauptrotorsystem in naher Zukunft zu testen und in etwas fernerer Zukunft auch im Einsatz zu haben.
Die Gründe für die Ausweitung der Additiven Fertigung
Nun haben wir einige der Anwendungen des 3D-Drucks im Militärwesen, zumindest von denen, bei den Informationen öffentlich verfügbar sind, kennengelernt. Diese sind offensichtlich vielfältig – und noch offensichtlicher ist die stetige Ausweitung der Additiven Fertigung im Militärwesen seit den frühen 2010er-Jahren.
Straits Research beziffert den Wert von 3D-Druck im Markt von Luftfahrt und Verteidigung auf 1,35 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 – und rechnet mit einer jährlichen Wachstumsrate von 26,1 % bis zum Jahr 2030. Warum genau dieser enorm hohe Anstieg zu erwarten ist, sollte aus den nachfolgenden Vorteilen mehr als ersichtlich werden.
On-Demand-Produktion
Der eindeutig allumfassendste Grund ist die schnelle On-Demand-Produktion von Komponenten. Seien es Ersatzteile oder eigenständige Gerätschaften – keine der traditionellen Fertigungsmethoden kommt an die Produktionsflexibilität der Additiven Fertigung heran.
Diese Flexibilität wird natürlich in vielen Industriezweigen geschätzt, aber kaum in einem anderen Anwendungsbereich wird sie so zwingend benötigt, wie im Militärwesen. Notfälle und Kriegsschauplätze sind vieles, aber nicht planbar. Mit dem 3D-Druck kann mit dieser Unplanbarkeit besser umgegangen, Produktionsspitzen gemeistert und das Hochfahren von Produktionskapazitäten erleichtert werden.
Jedoch nicht nur in Produktionshallen und Fabriken können so rasch Komponenten hergestellt werden, auch in direkter Nähe zum Kampfgeschehen oder der Notsituation können 3D-Drucker genutzt werden. Ob in einer Kommandozentrale, einem Lazarett oder auf einem Schiff und sogar in einem Flugzeug – der 3D-Druck ermöglicht dem Militärwesen den Begriff „On-Demand“ wortwörtlich in die Tat umzusetzen.
Auch die Möglichkeit zur hausinternen oder, im Falle eines Servicedienstleisters, regionsnahen Produktion kritischer Komponenten sollte spätestens seit der COVID-19-Pandemie nicht mehr unterschätzt werden. Es reicht schließlich bereits eine einzige fehlende Komponente, um die Produktion essenzieller Geräte zum Stocken zu bringen – und stockt die Produktion bei Ausnahmesituationen und Notfällen geht es nicht mehr nur um verlorenen Umsatz, sondern verlorene Menschenleben.
Viele militärische Komponenten sind außerdem höchster Geheimhaltung unterlegen. Insbesondere bei Prototypen von zukünftigen Gerätschaften wäre ein Leak, der beispielsweise gegnerischen Truppen zugespielt wird, katastrophal – und umso mehr Parteien an der Produktion beteiligt sind, desto höher wird die Wahrscheinlichkeit, dass Geheimnisse an die Öffentlichkeit geraten. Daher ist die Nutzung eines eigenen 3D-Druckers oder eines vollumfänglichen Serviceanbieters, welcher die gesamten Produktions- und Nachbearbeitungsarbeiten übernimmt, ideal, um die Sicherheit von militärischen Komponenten zu wahren.
Leichtgewichtige und komplexe Komponenten
Insbesondere bei Mobilitätsanwendungen spielt das Gewicht eine essenzielle Rolle. Umso weniger ein Fahrzeug wiegt, desto weniger Energie wird benötigt, um dieses fortzubewegen.
Aber auch Soldaten profitieren von leichterer Ausrüstung. Der Combat Load Report der Marine Corps Combat Development Commands aus dem Jahr 2003 beziffert das maximale Gewicht, das ein Soldat tragen sollte, um maximale Leistungsfähigkeit zu garantieren auf 33 % des Körpergewichts. Bei einem Körpergewicht von 80 kg wären also 26,4 kg Ausrüstungsgewicht das absolute Maximum, um Flexibilität und Beweglichkeit nicht einzuschränken – jedoch lasten heutzutage sehr häufig über 40 Kilogramm auf den Schultern von Infanterieeinheiten.
Die Additive Fertigung ermöglicht die Herstellung von leichtgewichtigen Bauteilen, ohne dabei mechanische Leistungsfähigkeit zu verlieren. Dabei helfen einerseits bestimmte Materialien, andererseits die beinahe unbeschränkte Designfreiheit, welche sehr komplexe Komponenten ermöglicht.
Bei den Materialien bestechen insbesondere faserverstärkte Materialien sowie Resine verschiedener Art. Carbonfaserverbundwerkstoffe werden beispielsweise bereits vielfach als Metallersatz eingesetzt, da diese sehr ähnliche mechanische Eigenschaften bieten, jedoch eine weitaus geringere Dichte besitzen, wodurch die gedruckten Teile weitaus leichter werden. Auch Hochleistungspolymere wie PEEK eignen sich dafür ideal.
Die Designfreiheit kommt vor allem innenliegenden Strukturen zu Gute. So können Komponenten ohne großen Aufwand vollständig oder teilweise hohl sowie mit komplexen internen, z. B. wabenförmigen oder kanalartigen, Strukturen erstellt werden. Dadurch kann das Gewicht massiv reduziert werden, ohne die mechanische Leistung einzuschränken.
Maximierte Individualisierung
Auch wenn eine Vielzahl von Militärgeräten auf Massenproduktion ausgelegt ist, klassische Beispiele wären hierbei Projektile oder gewisse Infanteriegewehre wie die AK-47 oder das M16, werden für gewisse Militärkomponenten nichtsdestotrotz ein hohes Maß an Individualität erfordert.
Prothesen und die Wichtigkeit der Individualität und Produktionsgeschwindigkeit bei der Herstellung dieser wurden bereits erwähnt. Aber auch bei Militärequipment wie Helmen, Gasmasken, medizinischen Instrumenten, schusssicheren Westen und vielen weiteren kann die Personalisierung an den jeweiligen Träger den Unterschied zwischen Leben und Tod ausmachen.
Auch bei sehr spezialisierten Schusswaffen, insbesondere Scharfschützengewehren, spielt der Individualisierungsgrad eine hohe Rolle. Die Additive Fertigung ermöglicht direkt an den Schützen angepasste Elemente wie Visiere, Griffe, Gewehrkolben oder Stützen, wodurch die Treffsicherheit massiv erhöht werden kann.
Zu guter Letzt ist selbstverständlich auch die Individualisierung bei Komponenten für Militärfahrzeuge aller Art zu nennen. Durch diese Individualisierungen können Fahrzeuge beispielsweise auf bestimmte Bedingungen angepasst, die Aerodynamik dieser verbessert und das Gewicht dieser reduziert werden.
Rapid Prototyping
Habe ich bei den Anwendungen das Prototyping noch zum größten Teil ausgeklammert, wäre es nun mehr als unangebracht, den riesigen Vorteil, den das Rapid Prototyping dem Militärwesen bietet, zu verschweigen.
Die massiv verkürzten Iterationszyklen sowie die einfache Änderung am digitalen Modell lassen den 3D-Druck zum idealen Werkzeug für das Prototyping von Rüstungsunternehmen und Militärs werden. So können weitaus mehr Testungen an den jeweiligen Komponenten durchgeführt werden, wodurch deren Sicherheit, Funktionalität und Langlebigkeit maximiert werden können.
Die Anwendungsgebiete sind hierbei unaufzählbar vielfältig und erstrecken sich über alle Bereiche des Militärwesens. Von Kleinteilen wie Helmverschlüssen und Abzügen bis hin zu großformatigen Bauteilen wie vollständige Schusswaffenprototypen und Fahrzeugteile – beinahe jede mögliche Komponente bietet sich für das Rapid Prototyping an.
Auch wenn es um Bereiche wie Robotik geht, bringt das Prototyping mit dem 3D-Druck massive Vorteile. Zukunftstechnologien können mit höchster Geschwindigkeit hergestellt, getestet und mögliche Schwachstellen einfach ausgebessert werden. Der Einfluss der Additiven Fertigung wird also die Zukunft des Militärwesens großflächig beeinflussen und die Entwicklung neuer Systeme so schnell wie nie zuvor gestalten.
Fazit
Bereits früh hat das Militärwesen den 3D-Druck ins Auge genommen. Die potenziellen Vorteile, die der 3D-Druck auch in seinen Anfangszeiten besaß, wollten Militärs rund um die Welt sich nicht entgehen lassen.
Nichtsdestotrotz dauerte es einige Zeit, bis handfeste Ergebnisse zu sehen waren. Die hohen Regularien was Sicherheit und Langlebigkeit angeht, stellte selbst die so zukunftsträchtige Technologie der Additiven Fertigung vor große Herausforderungen.
Durch die massive Ausweitung der Materialauswahl und den schnellen technischen Fortschritt des 3D-Drucks insbesondere in den späten 2000ern konnten diese Herausforderungen jedoch Schlag um Schlag eliminiert werden – und inzwischen ist die Additive Fertigung in allen Bereichen des Militärwesens nicht mehr wegzudenken.
Dies wird insbesondere durch die Additive Manufacturing Strategy des US-amerikanischen Department of Defense mehr als deutlich. In diesem Strategiepapier werden die zukünftigen Auswirkungen und Verbesserungen durch die Additive Fertigung im Militärwesen erörtert und essenzielle Ziele dieser Strategie aufgezeigt.
Diese Ziele lassen sich in fünf Hauptpunkten zusammenfassen:
- Integration der Additiven Fertigung in die Produktion
- Abstimmung der Aktivitäten rund um die Additive Fertigung
- Förderung von Technologie im Zusammenhang mit Additiver Fertigung
- Erweiterung der Kenntnisse rund um Additive Fertigung
- Sicherung eines idealen Workflows mit der Additiven Fertigung.
Wir von der PartsToGo arbeiten tagtäglich an exakt denselben Zielen und ermöglichen daher als 3D-Druck-Dienstleister mit exzellentem Service und außergewöhnlicher Expertise eine aufwandslose Umsetzung von Projekten und Ideen mit der Additiven Fertigung für Rüstungs- und Verteidigungsunternehmen.
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Und damit sind wir am Ende dieses Blogposts angelangt. Ich bedanke mich vielmals für Ihre Aufmerksamkeit – und bis zum nächsten Blogpost!
