Additieve productie helpt marineschepen op leeftijd in de vaart te houden

De Amerikaanse marine wil onderdelen voor verouderde marineschepen gaan 3D-printen. Het ontwikkelen van 3D-modellen van deze onderdelen is echter een tijdrovend proces. GE Global Research, een divisie van GE gericht op technologische ontwikkelingen, heeft daarom 9 miljoen dollar beschikbaar gekregen van het Amerikaanse Office of Naval Research om een methode te ontwikkelen om dit proces te versnellen.

Marineschepen hebben een lange levensduur; de gemiddelde leeftijd van schepen in de Amerikaanse marine bedraagt 17 jaar. Het oudste Amerikaanse marineschip dat vandaag de dag nog in gebruik is werd in 1970 te water gelaten. Het in de vaart houden van dit soort schepen op leeftijd is een flinke uitdaging, onder meer omdat veel onderdelen niet langer geproduceerd worden. Deze onderdelen moeten daarom op maat worden ontwikkeld, wat veel tijd in beslag neemt. 

Onderdelen sneller produceren

De Amerikaanse marine kijkt daarom naar additieve productie om vervangende onderdelen sneller te produceren. Deze vorm van productie maakt het mogelijk onderdelen in een zeer kleine oplages of zelfs een oplage van één te produceren. Onderdelen voor oudere machines die hierdoor niet langer interessant zijn voor fabrikanten om via traditionele productietechnologieën te produceren, kunnen hierdoor toch gemaakt worden. 

Hiervoor zijn echter wel 3D-modellen nodig. Het opnieuw ontwikkelen van een bestaand onderdeel neemt veel tijd in beslag. Om dit proces te versnellen ontwikkelt GE Global Research in samenwerking met onderzoekers van GE Aviation, GE Additive, Honeywell, Penn State, Lawrence Livermore National Laboratory, Navy Nuclear Lab en het National Center for Defense Manufacturing and Machining zogeheten ‘digital twins’. Dit zijn levende en ‘lerende’ digitale modellen van fysieke objecten zoals onderdelen van een marineschip. De modellen zijn gebaseerd op model-gebaseerde data van het onderdeel en sensor-gebaseerde data van 3D-metaalprinters. 

Single source of truth

De modellen worden continu vernieuwd, zodat het digitale model continu een exacte replica is van zijn fysieke tegenhanger. Digital twins dienen hierdoor als een ‘single source of truth’ voor alle gegevens gerelateerd aan het onderdeel. Denk hierbij aan informatie over de huidige staat en prestaties van het object, maar ook aan de staat waarin het object op eerdere momenten in zijn geschiedenis verkeerde en de prestaties die het toen leverde. Dit maakt het mogelijk op basis van een digital twin onder meer analyses uit te voeren om signalen op te sporen die kunnen wijzen op aanstormende problemen. 

GE Global Research wil deze digital twins nu dus gaan inzetten om sneller een 3D-printbaar model te kunnen creëren van onderdelen van onder meer marineschepen. Dit is tot nu toe een flinke uitdaging, aangezien aan dergelijke modellen strenge eisen verbonden zijn. “De belangrijkste uitdaging met industrieel 3D-printen is het additief bouwen van een onderdeel dat exact dezelfde materiële samenstelling en eigenschappen bevat als het originele onderdeel dat via subtractieve methoden is geproduceerd. Met de missiekritieke apparatuur van de marine is er geen ruimte voor afwijkingen in de prestaties van materialen of productiefouten”, legt Ade Makinde, Principal Engineer Additive Technologies bij GE Global Research, uit. 

Van jaren naar weken

Met behulp van digital twins verwacht GE Global Research niet alleen aan deze eisen te kunnen voldoen, maar 3D-modellen ook veel sneller te kunnen ontwikkelen dan nu mogelijk is. “Met hedendaagse technologie kan het ontwerpen van een nieuw onderdeel jaren in beslag nemen. We denken dit te kunnen verkorten tot weken met de unieke oplossingen die nu in ontwikkeling zijn”, aldus Makinde. 

Binnen het project wordt gebruik gemaakt van een techniek om foutloos te kunnen printen die wordt ontwikkeld binnen het Accelerated Certification of Additively Manufactured Metals project van de Lawrence Livermore National Laboratory. Deze techniek maak gebruik van simulaties om het eindresultaat van het printproces te kunnen voorspellen, zodat problemen in het ontwerp vooraf aan het printproces kunnen worden ontdekt en verholpen. Niet alleen zorgt dit ervoor dat prints minder vaak mislukken, ook kan dit helpen het certificeren van 3D-geprinte onderdelen die voor kritieke toepassingen worden gebruikt te versnellen. 

Onderdelen voor klassieke Porsche’s

In andere sectoren wordt al langer gebruik gemaakt van additieve productie om onderdelen in kleine oplages te produceren. Zo produceert Porsche sinds begin dit jaar met behulp van 3D-printers onderdelen voor klassieke Porsche’s. De autofabrikant produceerde deze onderdelen voorheen via traditionele productiemethoden, maar kon deze niet efficiënt in kleine oplages produceren. Het bedrijf had hierdoor moeite onderdelen waar weinig vraag naar is in productie te houden. Additieve productie maakt het mogelijk onderdelen in kleinere oplages te printen, waardoor dit wel mogelijk is. 

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Bron: GE (foto)
Bron: Lawrence Livermore National Laboratory
Bron: Porsche