EXAMENSARBETE INOM MASKINTEKNIK, AVANCERAD NIVÅ, 30 HP STOCKHOLM, SVERIGE 2019
Additiv Tillverkning i Försvarsapplikationer
Förberedande studie för implementering av additiv tillverkning inom Försvarsmakten/FMV
OSKAR BJÖRK
KTH
SKOLAN FÖR INDUSTRIELL TEKNIK OCH MANAGEMENT
Additiv Tillverkning i Försvarsapplikationer
Förberedande studie för implementering av additiv tillverkning inom Försvarsmakten/FMV
Oskar Björk
Master of Science Thesis MMK 2019: TRITA-ITM-EX 2019:483 KTH Industrial Engineering and Management
Machine Design SE-100 44 STOCKHOLM
Examensarbete MMK 2019: TRITA-ITM-EX 2019:483
Additiv Tillverkning i Försvarsapplikationer
Förberedande studie för implementering av additiv tillverkning inom Försvarsmakten/FMV
Oskar Björk
Godkänt
2019-06-07
Examinator
Claes Tisell
Handledare
Conrad Luttrop
Uppdragsgivare
FMV
Kontaktperson
Olle Johansson
Sammanfattning
Additiv tillverkning, eller 3D-printing som det i vardagligt tal brukar benämnas är en av 2000-talets stora trender inom tillverkning och utveckling. Tekniken har en tydlig del inom framtidens tillverkande industri och med dess stora flexibilitet som tillverkningsteknik har det en viktig del inom det som benämns som den fjärde industriella revolutionen, industri 4.0 (Additive Manufacturing at Industry 4.0, 2018).
3D-printing och additiv tillverkning bör i sig inte ses som en specifik teknik utan snarare en samling av tekniker. Samlingen av tekniker kan enklast förklaras som tillverkning där en geometri skapas genom addering av material sker i lager på lager med hjälp av en datorstyrd maskin.
Den civila industrin är ledande för denna utveckling och det finns idag många exempel på lyckade kommersiella implementeringar av additiv tillverkning inom produktion och utveckling. Det finns flera faktorer som driver denna utveckling. Mest tydligt är möjligheten till att tillverka geometrier som tidigare inte varit möjliga eller mycket svårt med traditionella tillverkningstekniker. Det kan även handla om att göra lättare komponenter eller minska ledtider vid framtagning av komponenter och system.
Försvarsindustrin ligger dock generellt efter i denna utveckling och FMV och Försvarsmakten är inget undantag. Det finns dock tydliga positiva egenskaper med additiv tillverkning som är unikt för en militär applikation. Till exempel möjligheten att kunna skapa bättre och mer flexibla underhållsberedningar samt den unika möjligheten att kunna tillverka komponenter i en isolerad miljö.
Det finns dock många hinder för en implementering av additiv tillverkning inom FMV och Försvarsmakten. Systemsäkerhetsfrågor samt immaterialrättsliga frågor kopplat till 3D-printing av komponenter är ett sådant område. Dessa frågor kan hanteras om de behandlas på ett strukturerat sätt.
Denna rapport behandlar därför additiv tillverkning generellt och presenterar metoder och processer för att skapa en bättre förståelse för hur additiva tillverkningstekniker kan implementeras inom FMV och Försvarsmakten i framtiden.
Master of Science Thesis MMK 2018:MF217X
Additive Manufacturing for Defense Applications
Preliminary study for implementation of additive manufacturing within the Swedish Armed Forces and Defense Material Administration
Oskar Björk
Approved
2019-06-07
Examiner
Claes Tisell
Supervisor
Conrad Luttrop
Commissioner
FMV
Contact person
Olle Johansson
Abstract
Additive Manufacturing, or 3D-printing as it is most commonly known is one of the major trends in production today. The technique has a certain part in the future of production industry and is one clear contributor to the fourth industrial revolution, industry 4.0 (Additive Manufacturing at Industry 4.0, 2018).
3dD-printing and additive manufacturing is not to be viewed as one specific technique. It should be considered as a collection of techniques which could be described as computer controlled and the geometries being fabricated by adding material in layers.
The development of additive manufacturing is mainly lead by the civil industry and there are today many successful commercial implementations of additive manufacturing within production and development. There are a few key factors pushing this development. First is the fact that you with additive manufacturing might be able to manufacture geometries otherwise not possible with traditional techniques. It could also be producing lighter products or achieve shorter lead times for development of components and systems
The development of additive manufacturing for Security and defense is however generally behind in area and the Swedish Armed Forces and Swedish Material Administration Department (FMV) is no exception. There are though some clear positive potentials with additive manufacturing specific to a military application. For example, the ability to create better logistic support and spare part management with the unique possibility to manufacture complex components in an isolated environment.
There are many barriers before implanting additive manufacturing within the Swedish Armed Forces and FMV. System safety and legal questions connected to 3D-printing of components is one of the major areas that must be considered. These questions could however be dealt with if they are handled in a structured way.
This report therefore covers additive manufacturing in general and presents methods and processes to create a better understanding of how additive manufacturing could be implemented within FMV and the Swedish Armed Forces in the future.
Förord
Detta är ett examensarbete som genomförts inom ramen för civilingenjörsutbildning inom design och produktframtagning på Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. Arbetet har utförts åt Försvarets Materielverk och avdelningen för generella underhållsutrustningar. Uppdraget var från början en egen idé som växte fram under Försvarmaktsövningen Aurora 17 där tanken om att 3D- printa komponenter i en container i fält dök upp men utvecklades senare till att bli en generell studie i var och hur tekniken skulle kunna implementeras.
Intresset för arbetet har under projektets gång verkligen varit stort vilket har varit väldigt kul. Det är med detta sagt tydligt att detta på många sätt är väldigt aktuellt område.
Först och främst vill jag rikta ett tack till Olle Johansson, och Kristoffer Hjälmtorp som har varit handledare på FMV för det stöd och support ni har visat. Tack även till Camilla Gustafsson för att godkänna projektet och göra detta arbete möjligt. Jag vill även tacka Conrad Luttrop, KTH, för den handledning och insikter du bidragit med.
Slutligen vill jag rikta ett specifikt tack till Daniel Ljungstig på 3D-Verkstan för den stora entusiasm och hjälpsamhet du har visat. För att inte glömma någon så vill jag rikta ett tack till alla som på något sätt har varit del av detta arbete samt har visat intresse i det.
Oskar Björk, Stockholm, April 2019
Innehåll
1. Introduktion ... 1
1.1 Syfte ... 1
1.2 Mål: ... 1
1.3 Metod ... 1
2. State of the art ... 5
2.1 Tillverkningstekniker. ... 5
2.2 Tekniker inom additiv tillverkning ... 6
2.3 Material för additiv tillverkning ... 7
2.4 Tillverkningsprocess för additiv tillverkning ... 8
2.5 Andra automatiserade tillverkningsprocesser ... 9
3. Allmänna begränsningar ... 11
3.1 Teknologiska begränsningar ... 11
4. Drivkrafter för additiv tillverkning ... 13
4.1 Drivkrafter inom industri ... 13
4.2 Drivkrafter inom säkerhet och försvar ... 14
5. Bedömning av komponenters lämplighet för AM ... 16
5.1 Lämplighet och kostnadseffektivitet ... 16
5.2 Effektivitet ... 17
6. Exempelkomponenter för tillverkning med AM ... 19
6.1 Vapendelar AK5C ... 19
6.2 Dörrstopp hjullastare 18T ... 20
6.3 Termostathus BV 206 ... 21
6.4 Övriga militära komponentexempel ... 21
6.5 Sammanställning mot nytta/lämplighet för AM ... 24
7. Implementering I Försvarsmaktens organisation ... 25
7.1 AM som integrerad del i en underhållsberedning ... 25
7.2 AM genom livscykeln för ett tekniskt system ... 26
7.3 Stridsskadereparationer ... 27
8. Utbildning av AM på lednings- och förbandsnivå ... 29
8.1 Utbildning på ledningsnivå ... 29
8.2 Utbildning på förbandsnivå ... 29
9. Systemsäkerhet och designansvar ... 31
10. Beslutsprocess för egentillverkning av komponenter ... 35
11. Miljö ... 37
11.1 Försvarsmakten och miljöfrågor ... 37
11.2 Additiv tillverkning som miljövänligt alternativ ... 37
12. Diskussion ... 39
13. Referenser ... 41 BILLAGA A – Lästips ...
BILLAGA B – Dörrstopp Hjullastare 18T ...
BILAGA C - Bedömningsmall för systemsäkerhetsbedömande ...
1
1. Introduktion
Försvarets Materielverk (FMV) är den civila myndighet som har till uppgift att tillse att Försvarsmakten har rätt materiel och rätt tjänster för att kunna lösa det uppdrag som de erhållit (FMV, 2018). Myndigheten har inom ramen för detta i uppgift att bevaka teknikutveckling samt militär teknikutveckling i andra länder. Detta i syfte att kunna upphandla och utveckla teknik som är modern så att Försvarsmaktens förmågor upprätthålls.
Additiv tillverkning är en modern teknik för tillverkning där komplexa komponenter eller delsystem kan tillverkas genom addering av material i lager, styrt direkt från en geometrisk representation i en dator. Additiv tillverkning är en av 2000-talets stora trender och är en del i det som kan kallas för nästa industriella revolution och Industri 4.0. Additiv tillverkning ger många nya möjligheter inom industrin med tillverkning av produkter och med ledtider som aldrig tidigare har varit möjligt.
Inom försvarsindustri har dessutom additiv tillverkning potentialen att leverera andra helt unika värden som till exempel att kunna skapa en bättre uthållighet för förbanden genom att tillverka funktionskomponenter och reservdelar i en fältmiljö. Tillverkning av reservmateriel som annars hade prioriterats bort i en underhållsberedning på grund av ekonomiska eller utrymmesmässiga skäl skulle också kunna varit möjliga. Tekniken skulle även med unna nyttjas för att snabbare och mer effektivt kunna genomföra tekniska anpassningar och modifieringar av befintliga system Försvarsmateriel i Sverige består ofta är små serier med komplexa produkter, möjligheten att kunna tillverka dessa i ett lokalt tillverkningssystem gör att additiv tillverkning är mycket intressant ur en försvars- och säkerhetssynpunkt.
Trots att tekniken med detta visar stor potential och är något som både FMV (Exova 2017), Försvarets Forskningsinstitut (FOI, 2017) samt personal från Försvarsmakten (Pettersson FHS, 2018) har insett att det är ett intressant område för försvarsmaktens verksamhet att vara en viktig del inom den svenska försvarsorganisationen, så finns idag ingen tydlig handlingsplan för var tekniken kan implementeras eller hur en implementering skall gå till.
1.1 Syfte
Projektet syftar till att undersöka begränsningar och möjligheter givet ett system för additiv tillverkning samt undersöka var och hur det kan implementeras i FMV och Försvarsmakten samt vad som behöver göras för att kunna genomföra detta.
1.2 Mål:
Projektets målsättningar består av att:
A. Kartlägga möjligheter och begränsningar (Teknologiska/icke teknologiska) specifika för AM som tillverkningsteknik.
B. Kartlägga behovet och nyttan av additiv tillverkning inom FM/FMV, i fred och i krig.
C: Fastställa riktlinjer och metoder för utveckling, upphandling och implementering där additiv tillverkning har en del i systemet.
1.3 Metod
För att nå projektets syfte och mål har projektet delats i tre huvudspår. Det första spåret syftade till att ge en grund för att dels kunna besvara var tekniken är idag och var utvecklingen inom industrin är på väg. Det andra spåret syftade till att undersöka vilket behov som finns och kan finnas i Försvarsmakten i framtiden. Det tredje spåret syftade till att undersöka var utvecklingen inom försvarsindustrin och hur frågor inom additiv tillverkning hanteras inom säkerhet och
2
försvar, dels nationellt och internationellt. För att uppnå syftena med de olika spåren genomfördes ett antal olika aktiviteter. Indelningen och en schematisk visualisering av de olika spåren och aktiviteter kopplade till dessa visas i figur 1.
Figur 1. Schematisk figur över huvudspår och aktiviteter i projektet.
Litteraturstudie
För att kunna presentera en kartläggning av additiv tillverkning och dess möjligheter till implementering i Försvarsmakten genomfördes först en omfattande litteraturstudie. Studien syftade till att ge en grund för att dels kunna besvara var tekniken är idag och är på väg samt även få en bild av vart och hur det ska kunna implementeras. Litteraturstudien genomfördes genom sökningar på Kungliga Tekniska Högskolans databaser, på Försvarets Materielverks databaser och bibliotek samt på google.schoolar. Sökningen genomfördes både på engelska och på svenska. De nyckelord som nyttjades i sökningen var primärt (engelsk översättning inom parantes):
- Additiv tillverkning (Addtive manfacturing) - 3D-print
- Säkerherhet och försvar (Security and defence) - Försvarsmakten (Armed Fodces)
- ILS, Integrerat logistikstöd (Integrated logistic support) - Reservdelsberedning (Spare part management)
En förteckning av den litteratur som kan vara aktuell vid vidare studier finns förtecknad i bilaga A.
Förbandskontakt
För att kunna finna en praktisk tillämpning och kunna hitta en tillämpning där additiv tillverkning gör nytta idag i Försvarsmakten genomfördes förbandsbesök. Kontakt gjordes med personal från 3e och 4e sjöstridsflottiljen, FMTS, samt personal från I19. Dessa förbandsbesök syftade dels till att hitta exempelkomponenter som kan användas för att visa på praktisk tillämpning av additiv tillverkning samt för att få en bättre förståelse för hur underhållet fungerar på förbanden.
Additiv tillverkning inom
försvarssektorn
Kartläggning teknik "state of
the art"
Litteraturstude
Intervjuer industri
Workshop AM
Kartläggning FM behov
Litteraturstude
Intervjuer FMV/FM
Förbandsbesök Försvarsmakten
Tillverkning av exempel- komponenter
Kartläggning möjligheter
Studiebesök
Litteraturstudie
3
Studiebesök
I projektets början gjordes ett studiebesök vid mittuniversitetet i Östersund samt AIM-Sweden på Frösön. Syftet med besöket var att skapa en bild av var tekniken för additiv tillverkning inom metall är idag samt vad som är i forskningsstadiet. Ytterligare så syftade besöket till att skapa en bild av hur additiv tillverkning idag är applicerbart i industriella applikationer.
Mittuniversitetet valdes då de har lång erfarenhet inom området. De köpte bland annat 2007 en 3D-printer för tillverkning i metall vilken då var den första i norra Europa. AIM (Additive Innovation and Manufacturing) är en kommersiell spinoff från forskningsverksamheten och har varit verksam och levererar tjänster inom additiv tillverkning och har gjort det sedan 2016.
Besöket avslutades med en workshop med temat ”Industriell transformation genom digitalisering baserad på 3D-printing i metall”. Workshopen behandlade bland annat framtiden s materialval, design, beredning, produktion, service, eftermarknad, inköp, logistik, organisation och affärsmodeller. Ansvariga för arrangemanget var IUC Z-Group AB, Appivo AB, IUC Sverige, Sports Tech Research Centre vid Mittuniversitetet, Uddeholms AB samt Örebro universitet.
Därefter genomfördes studiebesök på 3D-verkstan i Stockholm (2018). 3D-verkstan är ett företag som ”tillhandahåller desktop 3D-skrivare och material för professionellt bruk samt 3D- teknikutbildningar i Sverige”. Utöver detta så har de ett ”3D-meetup center”. Detta nyttjas dels som showroom för företag verksamma inom additiv tillverkning samt för olika 3D-tekniker på marknaden. Detta center nyttjas även som forum för kunskapsspridning inom området där kurser och workshops anordnas.
Efter studiebesöket besöktes 3D-verkstan igen för en workshop arrangerad av AddWorks som är en del inom General Electrics Additive. Workshopen behandlade dels exempel på vad additiv tillverkning i metall kan användas till och vilka typer av komponenter. De behandlade även metoder för hitta komponenter och delsystem som kan vala lämpliga för att tillverka additivt med någon form av vinning i et systemperspektiv. Workshopen avslutades med typexempel på komponenter och system där additiv tillverkning har nyttjats med stor framgång.
Därefter genomfördes besök vid FMTS (Försvarsmaktens tekniska skola). Syftet med besöket var dels att skapa en uppfattning om hur olika materielsystem är underhållsberedda samt var i organisationen en förmåga till egentillverkning genom additiv tillverkning skulle kunna vara tillämpbar. Besöket syftade också till att hitta konkreta exempel på komponenter som kan tillverkas med hjälp av en 3D-printer.
För att sedan undersöka vilka förutsättningar som finns från industrins sida så besöktes band annat Hägglunds för genomgång av deras AM projekt. Besöket och slutsatser finns beskrivet i Reserapport besök Hägglunds. Kontakt upprättades även med Saab och projektledare AM projekt på Saab.
Besök vid FieldMades mobila 3D-printcontainer som visades i samband med övningen Trident Juncture genomfördes också. Besöket och slutsatser från det finns beskrivet i reserapport FieldMade.
4
5
2. State of the art
Tillverkning kan i den i sin enklaste form genarallseras till tre olika tillverkningssätt. Dessa tre tekniker bygger på tre i grunden olika principer för att skapa en geometri. Detta är viktigt att förstå vid en studie av för en implementering av additiv tillverkning. Additiv tillverkning ska alltså ses som en grundprincip och inte en specifik tillverkningsteknik. Alla dessa grundläggande tillverkningssätt har möjligheter och begränsningar förknippade med dem vilka förklaras i kapitlet nedan. Kapitlet är en sammanställning från 3D-hubs, The 3D-Printing Handbook (2017)
2.1 Tillverkningstekniker.
Formativ tillverkning
Formativ tillverkning är tillverkning där tillverkning sker genom att en form som innehar en motsvarande geometri som det som ska tillverkas skapas. I denna form hälls eller pressas sedan flytande material in som sedan får stelna i formen. Formen delas därefter och den färdiga geometrin avlägsnas från formen. Processen visas schematiskt i figur 1.
Figur 2, Formativ tillverkning
Med en färdig form blir denna teknik snabb och repeterbar vilket innebär att stora geometrier i stort antal kan produceras väldigt snabbt. Denna teknik är därför grunden inom massproduktion och tillverkningsindustri. Tekniken är dock strikt begränsad till en gjutform och dess egenskaper.
Ytfinhet och toleranser kommer aldrig vara bättre på det gjutna godset än på gjutformen.
Efterbearbetning av gjutgodset kan därför behövas för att uppnå önskade toleranser. Vid tillverkning av enstaka komponenter eller då en hög nivå av flexibilitet inom en produktion då insatsen att tillverka specifika formar för varje specifik komponent kan bli för stor.
Subtraktiv tillverkning
Subtraktiv tillverkning är när material tas bort från ett från ett solitt block eller annan geometri.
Typiskt används här skärande verktyg i form av en fräs eller svarv för att uppnå den önskad form på materialet. Fräsar och svarvar kan vara både manuella och automatiska datorstyrda NC (Numerical control) maskiner.
Figur 3, Subtraktiv tillverkning
6
Subtraktiv tillverkning ger generellt hög geometrisk precision och mycket hög ytfinhet. Tekniken används därför ofta i kombination med andra tekniker för att på en geometri med låg precision på gränsyta eller liknande uppnå önskad ytfinhet och geometriska krav för det specifika området.
Additiv tillverkning
Additiv tillverkning är tillverkning där material läggs på (adderas) i lager. Tillverkningen sker då genom att material extraheras eller på annat sätt sammanfogas i ett lager i en geometrisk genomskärning av materialet. Detta upprepas sedan i en ”lager på lager” princip för att bygga upp en geometri. Tekniken är i princip alltid datorstyrd och brukar i vardagligt tal benämnas som 3D- Printing.
Figur 4, Additiv tillverkning
Tekniken har precis som subtraktiv tillverkning och formativ tillverkning specifika möjligheter och begränsningar kopplade till hur tekniken fungerar. Det som gör att denna teknik få vissa geometriska begränsningar är att tillverkningen sker i lager i flera plan. Detta gör att ytligheten blir beroende av antal lager där fler lager ger bättre ytfinhet. Fler lager innebär också en långsammare print-tid vilket skapar en ”trade-off” mellan tillverkningstid att krav på ytfinhet.
2.2 Tekniker inom additiv tillverkning
Det finns idag ett stort antal olika tillverkningstekniker inom additiv tillverkning. Teknikerna kan delas in i sex olika grundprinciper enligt figur 4.
Figur 4, Schema över Tillverkningstekniker för additiv tillverkning
Teknikerna skiljer sig framför allt genom att de på olika sätt sammanbinder materialet i tillverkningsprocessen. Detta gör att olika tekniker är olika snabba och ger olika mekaniska egenskaper och ytstrukturer samt passar olika bra till olika material (3D-Hubs, 2017).
Additiv tillverkning
Material Extrudering
FFF (FDM)
VAT Polymerisation
SLA/DLP
Pulverbäddsmältning (polymerer)
SLS
Material Jetting
Material Jetting DED
Binder Jetting
Binder Jetting
Pulverbäddsstekniker (Metall)
DMLS/SLM/EBM
7
Teknikerna finns beskrivna mer i detalj i The 3D-Printing Handbook (3D-Hubs, 2017) och för militära applikationer i Additive Manufacturing Feasibility Study & Technology Demonsration (EDA, 2018).
2.3 Material för additiv tillverkning
Det finns idag ett antal material som används inom additiv tillverkning. Materialen kan delas in i tre kategorier som polymerer (plaster), metaller och övriga material. Plaster kan delas in i termoplaster och härdplaster. De specifika material som idag finns kommersiellt tillgängligt för additiv tillverkning är presenterade i Figur 2.
Figur 5, Schema över material anpassade för additiv tillverkning
Faktum är dock att additiv tillverkning är som företeelse enbart enligt kapitel 2.1 enbart är begränsat till material som kan på något sätt sammanfogas i små bitar på ett automatiserat sätt. Detta innebär att till exempel cement (Marines, 2018) är möjligt att avvända som 3D-printmaterial. Även mer oväntade material med till exempel födoämnen så som choklad (Struktur3D, 2015) och pizzadeg (Space.com, 2013) är fullt möjligt att nyttja som material inom 3D-printteknik.
Det som primärt begränsar antalet material är till viss del att materialen i sig måste anpassas för 3D-printtekniken men framför allt så måste den 3D-printer som används anpassas för själva materialet och lämpliga parametrar för materialet måste bestämmas. I och med att tekniken är relativt ny så finns därför ett begränsat antal material som är testat och verifierat för additiv tillverkning. I framtiden kan det dock förväntas komma en betydligt större portfolio av material i takt med att tekniken blir mer kommersiellt etablerad.
Ett material som visar stor potential är plastkompositer som kan printas i en FDM-plastprinter.
Dessa material kan förstärkas med till exempel kolfiberfragment eller metallspån. Detta gör att materialet får betydligt bättre mekaniska och termiska egenskaper och därför lämpar sig bättre för komponenter med mekanisk funktion. som förstärks med kontinuerlig fibertråd. En ytterligare
3D-Print Material
Polymerer
Termoplaster
Filament
FFF (FDM)
Härdplaster
Flytande resin
SLA/DLP/Material Jetting
Metaller
Metallpulver
DMLS/SLM/EBM Material Jetting
Övriga
Keramer
Binder Jetting
8
intressant teknik är förstärkning med kontinuerlig fibertråd från ett separat printhuvud. Tråden läggs efter varje printat lager. Materialet får således inte homogena egenskaper. Den kontinuerliga tråden ökar framförallt brottstyrkan i fiberriktningen markant. Materialet kan enligt tillverkaren i många fall ersätta komponenter tillverkade av aluminium. Det är det idag en tillverkare (MarkForged, 2018) erbjuder tekniken.
2.4 Tillverkningsprocess för additiv tillverkning
För att kunna tillverka en komponent med hjälp av någon 3D-printteknik krävs ett antal steg innan själva tillverkningen kan inledas.
Generering av geometridata
Processen inleds med att fysisk komponent, avbild eller foto, ritning eller en cad-fil som skall tillverkas med hjälp av additiv tillverkning. Då processen inleds med fysisk komponent så kan en så kallad 3D-scanning göras. Detta görs genom att ett scanningsverktyg som kan vara handhållet sveps över komponenten och punkter på komponentens yta lagras med koordinater i en rymd i ett så kallat pointcloud. I och med att scanningen görs över komponentens yta så finns här begränsningar för scanning av håligheter samt andra områden som är svåra att se och mäta. De punkter som har scannats sammanfogas sedan till en STL-fil som är ett universellt system för att representera geometrier. Denna geometri är dock inte editerbar utan måste ytterligare behandlas i ett CAD-program för att skapa en solid modell som går att justera. Dessa steg är idag i de flesta lösningar inte automatiserade utan måste göras manuellt.
Detta innebär att det i många fall kan vara mer effektivt genomföra en manuell mätning av komponenten vid enklare geometrier och därefter skapa en CAD-skiss av komponenten.
Mätningar kan också göras från en avbild eller ett foto och därefter generera en CAD- representation av geometrin. Mätningar kan också tas direkt från en ritning om det finns att tillgå.
Finns däremot en CAD-fil tillgänglig från början kan denna användas direkt.
Re-design för additiv tillverkning
Nästa steg i processen är att anpassa geometrin för additiv tillverkning. Detta kan behövas då beroende på vilken printteknik som avses att nyttjas så finns det vissa geometriska begränsningar för vad som är möjligt att tillverka. Från denna kan sedan printparametrar för den aktuella printern genomföras. Därefter skall en printorientering samt generering av eventuellt stödmaterial genomföras. Detta görs i många fall automatiserat.
Tillverkning
När den digitala geometrin är sparad och printparametrar är satta så kan den faktiska tillverkningen påbörjas. Detta steg är helt automatiserat och är det som kännetecknar 3D-printing. Den printer som genomför tillverkningen jobbar själv och bygger komponenten lager på lager till dess att komponenten har fått den slutliga formen.
Efterbearbetning
Slutligen när den printade komponenten är klar kan efterbearbetning av komponenten genomföras.
Hur omfattande detta är beror helt på vad det är för något som är tillverkat, vilket material det är tillverkat i och vilka krav på ytlighet som ställs. Generellt kan dock stödmaterial brytas bort med handkraft och efterbearbetningen är som regel utförd med enklare verktyg så som filar och enklare handverktyg. Vid högre krav på ytfinhet kan ytterligare steg i efterbearbetning nyttjas som till exempel maskinbearbetning av plana ytor eller ytor med höga krav på ytfinhet. Processen finns som helhet beskriven i Figur 3.
9
Test/användning
I det sista steget går komponenten eller systemet till användaren för användning direkt eller för test och verifiering.
Figur 6, Schematisk process för framställning av komponenter genom additiv tillverkning
I processfiguren går det röda sträckande linjer från STL-fil samt CAD Sketch. Dessa betyder att från dessa steg så går det i vissa fall direkt att från en CAD eller STL-fil kan tillverkning påbörjas direkt. Denna process kan vara viktig att som helhet förstå för att kunna veta vad det är som är viktigt vid en upphandling av ett system för att veta vilka underlag som skall efterfrågas.
2.5 Andra automatiserade tillverkningsprocesser
Additiv tillverkning är inte den enda tekniken som presenterar en automatiserad tillverkningsprocess. En annan vanlig teknik som enligt kapitel 3 kan göras helt automatiserat är CNC-tekniker. I många fall är tekniker snabbare och har bättre precision samt ytfinhet än 3D- printing. För att bearbeta plaster och aluminium behövs inte heller stora maskiner utan ett flertal
”skrivbordsmaskiner” finns idag på marknaden.
Datorstyrda fräsar kan även användas tillsammans med additiv tillverkning med stora vinster.
Grundkroppen skapas då genom 3D-printing för att sedan bearbetas i en automatiserad fräs. Det börjar dessutom på marknaden idag komma kombinationsmaskiner som kombinerar 3D Printing och CNC-fräsar i samma produkt. (Boxzy, 2018) och med styrningen av ett printhuvud är samma som styrningen av spindeln i en fräs är detta relativt enkelt att utveckla är detta en kompetent kombination.
10
11
3. Allmänna begränsningar
Additiv tillverkning skiljer sig på många sätt från traditionella tillverkningsmetoder. Med detta så presenterar tekniken helt nya möjligheter att producera nya typer av produkter och på ett nytt sätt.
Detta betyder också att traditionella metoder att hantera tillverkning inte alltid är applicerbara och kanske inte ger de positiva effekter som önskas när det appliceras på den nya tekniken. Den industri vi har idag är dessutom ofta optimerad mot en traditionell tillverkning och således behöver göra en omställning i produktion och utveckling för att kunna dra nytta av tekniken. (Douglas S. Thomas and Stanley W. Gilbert, 2014)
För att kunna förstå var och hur additiv tillverkning kan göra nytta i en organisation och inom produktion är det därför viktigt att ha en grundläggande förståelse för hur tekniken fungerar och vad den presenterar för möjligheter och begränsningar. (EDA 2018)
3.1 Teknologiska begränsningar Storlek
Storleken på en komponent påverkar alltid produktionen vid additiv tillverkning av en komponent.
Den maximala storleken på komponent beror av storleken på den printer som används och den printvolym som erbjuds. Det finns egentligen ingen övre gräns i storlek på vad som är möjligt att producera med en 3d-printer. Det som är gränssättande är storleken på printern och den måste generellt sett så måste vara större än det som printas. En printvolym på större än 300x300x300mm är därför ovanligt. Det finns dock undantag och större printar är fullt möjligt (3D-verkstan, 2018) Printtiden är också starkt kopplad till storleken på komponenter och för en given teknik så tar en stor komponent alltså lägre tid att producera än en liten och därmed också dyrare.
Material
Rent tekniskt så finns det enligt kapitel 2.3 få begränsningar i vilka material som går att 3d printa och tekniken är inte rent tekniskt direkt bunden till metaller och plast. Begräsningen i material ligger dock i vilka material som finns testade och som finns tillgängliga från någon producent för den specifika tekniken. Till detta skall även parametrar för hör materialet skal printas med hastighet och liknande vilket gör att utbudet av material idag är något begränsat.
Hastighet vid storskalig produktion
Den faktiska tid som en print tar varierar stort och är beroende av ett faktorer samt skiljer sig markant mellan olika tekniker. För de flesta tekniker så är tekniken beroende av komponentens storlek, hur många lager den är uppdelad i samt med vilken hastighet dessa lager kan genomföras.
En 100x100x100mm plastkomponent printad med FDM teknik mäts print-tid typiskt i timmar och en 300x300x300mm metalkomponent printad med SLM teknik så går printtiden upp till dagar.
(3D-Verkstan, 2018)
Geometriska begräsningar
Enligt kapitel 1 så bygger alla additiva tillverkningstekniker bygger på att det som tillverkas byggs upp i lager. Detta i sig skapar geometriska begränsningar för additivt tillverkade komponenter. Som exempel så kan stora håligheter och fria geometrier utan stöd vara svåra att uppnå med bra resultat.
Begräsningarna finns väl beskrivna som helhet i (3D-hubs, 2017). Dessa är helt unika för additiv tillverkning vilket innebär att en komponent som är anpassad för en annan tillverkningsteknik kan behöva designas om för att vara möjlig att tillverka additivt och för att uppnå önskat resultat (3D Systems, 2018).
12
Olika standarder och få standardiserade processer
Inom industrin så är additiv tillverkning en relativt ung teknik. Detta innebär att det idag finns många olika tillverkningsprocesser och inga tydliga standarder för olika tillverkningstekniker. Detta betyder att det kan vara svårt att välja teknik samt att en upplevd risk för att välja en teknik som i framtiden inte kommer att bli standard kan finnas (Christer Midgården, 2018). Den trend som uppfattats är dock att det idag är FDM som är det som störst och kommer vara stort inom plasttillverkning i liten skala samt SLS för plast i mera industriella applikationer, samt SLM inom tillverkning av metall (3D-verkstans 2018).
Icke-teknologiska begränsningar
En av de största begränsningar och hinder för en implementering som konstaterats är en generell okunskap om tekniken. (EDA, 2018) etta visar sig på flera sätt. Det kan bland annat vara att tekniken inte presenterar det som först förväntas av den. Till exempel kan det finnas en föreställning om att 3D-printing är en 3D-kopiator för metall eller plastmaterial. Som beskrivet tidigare i kapitlet så ger additiv tillverkning helt andra geometriska begränsningar än vad till exempel formtillverkning genom gjutning gör. Att kopiera att tidigare gjutet objekt med additiv tillverkning kan därför vara olämpligt och således inte presentera en lönsam lösning. Grundläggande kunskaper om vilka möjligheter och begränsningar som de olika 3D-printteknikerna ger är därför väsentligt för att kunna implementera additiv tillverkning inom olika system på ett lönsamt sätt.
13
4. Drivkrafter för additiv tillverkning
I detta kapitel beskrivs drivkrafter som driver utvecklingen mot implementering och utveckling av additiv tillverkning inom tillverkningsindustri samt säkerhet och försvar. Kapitlet beskriver trender och principer för hur nya teknologier implementeras
4.1 Drivkrafter inom industri
En av de största drivkrafterna för additiv tillverkning att inom industrin kunna tillverka produkter med komplexa geometrier och detaljer. Det som är utmärkande för additiv tillverkning är att tillverkningen i sig blir inte svårare eller dyrare för att en komponent är komplex (AddWorks, 2018).
Detta skiljer sig från traditionella tillverkningsmetoder då geometrisk komplexitet resulterar i en högre tillverkningskostnad enligt figur 7 (3D-skiftet, 2018). Därför kan det betyda att genom generering av komplexa geometrier som i sig skapar starka och lätta komponenter kan i ett systemperspektiv vara lönsamma.
Figur 7. Schematisk graf över geometrisk komplexitet i relation till tillverkningskostnad
Detta gör att generering av komplexa geometrier som i sig skapar starka och lätta komponenter kan i ett systemperspektiv vara lönsamma. Detta har dessutom den för tillverkningstekniken unika vinsten att lätta komponenter betyder också minskad materialanvändning. Den minskade materialanvändningen betyder dessutom att tillverkningstiden blir lägre och komponenter blir billigare att tillverka.
Ett sätt att skapa lätta komponenter är genom topologioptimering. Topologioptimering innebär att för ett givet lastfall och givna gränsytor så genereras en geometri med hjälp av beräkningar i en dator. En optimerad design kan således erhållas. Den geometri som skapas är dock komplex med friaformer som är mycket svåra att tillverka med traditionella metoder. Dessa passar dock bra för att tillverkas med hjälp av additiv tillverkning. (Topology Optimization of a Swing Arm for a Track Driven Vehicle, Nilsson, 2018)
Nyttjade av komplexitet kan också göras genom integrering av flera delsystem till ett större integrerat system (AddWorks, 2018). Med en minskning av antalet delsystem kan produktionen göras enklare genom färre tillverkningssteg och de mer komplexa geometrierna kan bidra till en mer effektiv produkt.
Ytterligare en drivkraft för additiv tillverkning är ekonomiska incitament vid tillverkning med mycket små produktionsvolymer eller då hög anpassningsgrad av komponenter efterfrågas. Detta
14
beror av det faktum att det inte finns några kostnader kopplade till gjutformar eller andra specifika tillverkningsrelaterade verktyg behövs (3D-Skiftet, 2018) Sambandet visa schematiskt i figur 8.
Figur 8, Graf över totalkostnad i relation till produktionsvolym
Tillverkning genom additiv tillverkning förväntas även bli billigare i och med att tekniken blir mer och mer etablerad enligt figur 9. Med detta kommer additiv tillverkning i framtiden kunna bli lönsam vid allt större produktionsvolymer.
Figur 9, Graf över enhetspris i relation till antal enheter vid olika tillverkningstekniker.
Den obefintliga omställningen för att tillverka olika typer av produkter betyder också att mycket korta ledtider för en utvecklingsprocess kan erhållas. Detta innebär att tiden från ”ide” till faktisk fysisk produkt kan göras mycket kort. I fall där ledtider är viktiga då till exempel produktionsstopp på grund av avsaknad av en specifik komponent kan finnas kan additiv tillverkning representera ett mycket stort värde ur ett systemperspektiv.
4.2 Drivkrafter inom säkerhet och försvar
Försvarsindustrin drivs till del av samma principer som övrig industri enligt kapitel 4.1. Det kan vara att till exempel genom att skapa lättare mekaniska komponenter kunna erbjuda bättre system.
Detta genom att med lättare grundchassin kunna erbjuda högre skyddsnivå med bibehållen totalvikt hos ett terrängfordon (Reserapport Hägglunds, 2018)
En additivt tillverkad komponent med en komplex geometri kan i vissa fall också erbjuda bättre prestanda än en traditionellt tillverkad komponent. För kylkomponenter till elektronikenheter kan additiv tillverkning möjliggöra geometrier som tidigare inte varit möjliga att tillverka. Kylplattan till Gripen E är ett sådant exempel där tillverkaren har valt att använda additiv tillverkning vid ordinarie
15
produktion och genom det kunna erhålla en lättare komponent med bättre kylprestanda (Emmelie Simic, 2018).
Specifikt för militära system är att de ofta ska kunna verka i en isolerad miljö. Detta kan vara till exempel marina system såsom ubåtar och fregatter alternativt fältoperationer eller internationella insatser. Då det i dessa tillfällen kan finnas mycket små möjligheter till yttre stöd vid reparationsbehov eller underhåll så blir förmågan att kunna lösa sitt eget underhåll mycket viktig.
Additiv tillverkning kan här ingå som en metod där tillverkning av nya komponenter och delsystem kan genomföras inom den isolerade enheten (Pettersson, FHS, 2018).
System i en försvarsapplikation är ofta komplexa och med en mycket lång förväntad livslängd (EDA, 2018). Med detta kommer ett stort behov av underhåll för att kunna upprätthålla materielens status. Additiv tillverkning kan då erbjuda ett sätt att skapa mer robusta underhållslösningar och i vissa fall kunna vara ett alternativ för nytillverkning av obsoleta komponenter och delsystem.
Sett specifikt för Sverige och övergången till ett mer nationellt inriktat försvar kan additiv tillverkning betyda ett viktigt steg till en ökad självständighet i materielförsörjning. Vid en eventuell konflikt i Sverige eller vårt närområde så skulle materielförsörjning från ordinarie leverantör kunna strypas och således så blir förmågan att kunna tillgodose sitt eget materielbehov viktigt. Med ett väl utvecklat system med additiv tillverkning som del skulle vissa komponenter och system kunna tillverkas på en markverkstad eller liknande och på så vis skapa en mer robust underhållslösning.
Ytterligare exempel på militära applikationer presenteras i kapitel 5 i European Defence Agency, AM State of the Art & Strategic Report (EDA, 2018)
16
5. Bedömning av komponenters lämplighet för AM
För en implementering av additiv tillverkning skall kunna göras i Försvarsmakten och mottagas på ett bra sätt är det viktigt att det görs där det skapar nytta. Nytta definieras enligt
försvarshögskolans definition som: ”Nytta är att systemet är effektivt, lämpligt och kostnadseffektivt.”
5.1 Lämplighet och kostnadseffektivitet
För att skapa värde och nytta genom att implementera additiv tillverkning i en organisation så är det viktigt att komponenter och delsystem som är lämpliga väljs ut (AddWorks 2018). Systemen ska dessutom vara kostnadseffektiva för att nå militär nytta enligt Försvarshögskolans definition.
Att hitta lämpliga system för att tillverka kan vara svårt och alla komponenter passar inte alls för tekniken.
Lämplig definieras här som ett system eller komponent som är lätt att anpassa och tillverka med någon additiv tillverkningsteknik. Är komponenten lämplig så kan den då också antas vara kostnadseffektiv. För att kunna bedöma detta måste bedömningen gällande huruvida komponenten är lätt att tillverka och gör stor nytta göras. Denna bedömning är komplex och har många faktorer som spelar in för att göra en bedömning som är helt korrekt.
För att förenkla detta och skapa en bättre förståelse för tekniken kan dock en förenklad bedömning göras. Bedömningen av komponenters tillverkningsbarhet bygger på en generell modell av riktlinjer för tillverkning från Design Guidelines i 3D-printing Handbook (3D-Hubs, 2017). Den förenklade modellen för detta visas i figur 7.
Figur 10, Modell för printbarhet för olika typer av komponenter.
Skalan i figur 7 är definierad som lätt är ca 100 sek per print och timmar i print-tid. ”Svår att printa”
är definierat som ca 100 000 kr per komponent och dagar i print-tid. Skalan tar alltså inte hänsyn till huruvida det är möjligt att tillverka med additiv tillverkning eller inte.
17
I denna modell har plast definierats som lättare att printa än metall. Detta beror på att processen för att printa metall är betydligt dyrare och tar längre tid än motsvarande komponent i plast (3D- Verkstan 2018). Ytterligare så är det betydligt högre krav på hanteringen av metallpulver än vad det kör vid plasttillverkning då denna kan vara dels brandfarlig samt hälsofarlig (AIM Sweden, 2018).
Storleken på den komponent som ska printas har valts som andra parameter då den är lätt att mäta och har stor påverkan på print-tid och kostnad. För denna modell har skalan definierats som små är mindre än 300x300x300mm och stora komponenter är större än det. Detta bygger på att de flesta normala printtekniker har med de printrar som finns idag en maximal printvolym på runt 300x300x300mm. (Ge Additive, Ultimaker, MarkForged, 2018.)
5.2 Effektivitet
Enligt definitionen av militär nytta så måste en komponent även vara effektivt. Att systemet eller komponenten är effektivt betyder att det på något sätt skapar en stor effekt genom att på ett avgörande sätt bidrar till viktiga funktioner eller förmågor. Det kan vara att till exempel möjliggöra vapenverkan, rörelse eller uthållighet. För att applicera detta på matriel som kan vara aktuellt för additiv tillverkning kan materielen delas in enligt en förenklad modell. Där en bedömning görs av hur stor positiv effekt en förmåga att kunna egentillverka en komponent genom 3D-printing skulle kunna innebära. Detta skulle kunna bedömas enligt:
Stor positiv effekt:
• Reservmatriel (RM) obsolescens inom UH-ber
• Reservmatriel obsolescens utom UH-ber
• One-off produkter/små serier Liten positiv effekt:
• RM, Låg tillgänglighet/saldo inom UH-ber
• RM Låg tillgänglighet/saldo utom UH-Ber
• RM, Hög tillgänglighet/saldo inom UH-ber
För att tydligare viska skillnader så kan dessa placeras på en skala så kan fördelningen ut enligt Figur 8
Figur 11, Skalning av effekt för reserv- och ny matriel.
En specifik komponent kan då placeras in på skalan i figur 8 utifrån den bedömda effekten att kunna 3D-printa komponenten. Kategorierna på skalan kan då avvändas som vägledning för att enklare placera in komponenten.
18
19
6. Exempelkomponenter för tillverkning med AM
I detta kapitel beskrivs exempelkomponenter för att påvisa militär nytta och hos specifika utvalda exempelkomponenter.
Metoden för att bedöma komponenters lämplighet för additiv tillverkning är genom bedömning av den militära nyttan. Nytta definieras enligt försvarshögskolans definition som: ”Nytta är att systemet är effektivt, lämpligt och kostnadseffektivt.”. Enligt kapitel 5, bedöms systemet eller komponenten vara lämpligt och kostnadseffektivt är det om det är lätt att printa, samt effektivt om additiv tillverkning ger stor effekt i form av uppdragstaktiska fördelar, förbättring i underhållsberedskap eller liknande.
6.1 Vapendelar AK5C
- Printbarhet: Låg - Effekt: Liten
AK5C är det personliga handeldvapnet som idag används i Försvarsmakten. Det personliga handeldvapnet är något som de allra flesta soldater sjömän och officerare inom Försvarsmakten har i sin standardutrustning. De visas i detta exempel valdes ut i ett tidigare examensarbete för FMV. Komponenterna är testade och uppfyller samma krav som är ställda för ursprungsvapnet och kan därmed ersätta ordinarie komponenter Gascylindern och slaghammaraxeln i figur 9 är båda printade en EOS M290 SLM-printer i titan (Emmelie Simic, 2018).
Figur 12, 3D-printad Gascylinder och slaghammaraxel i metall
Att komponenterna är printade i metall innebär att de är dyra att tillverka (>10 000 kr) samt att de tar lång tid att printa (> 24 timmar). Detta tillsammans med det faktum att detta vapen används av i stort sett alla inom Försvarsmakten och alltså inte är att se som kritisk komponent. Risken för felutfall på komponenten är dessutom liten och därmed kan nyttan med 3D-printing av komponenten anses vara liten.
Patronföraren i figur 13 är en komponent som sitter i magasinet till vapnet. Komponenten är printad i plast och är liten och kan därför anses som lätt att tillverka. Vapendelen ör dock fortfarande en komponent som finns i stora volymer och effekten kan därför anses liten.
20
Figur 13, 3D-printad patronförare i nylon
6.2 Dörrstopp hjullastare 18T
- Effekt: Stor
- Printbarhet: Mycket hög
Dörrstoppen är en komponent som är kritisk del i funktionen för att låsa sidodörrarna på den splitterskyddade hjullastaren i öppet läge. Dörrstoppen är i nylon och tål inte den belastning de utsätts för vid användning. När dörrstoppet är trasigt betyder det att dörren inte går att låsa i öppet läge. Detta betyder i sin tur att fordonet inte klarar grundtillsyn och således beläggs med körförbud.
Dörrstoppen i figur 14 är ej del i underhållberedningen och finns inte att tillgå som reservmateriel. Ordinarie tillverkare finns ej heller vilket gör att en lösning på detta obsolescensärende ger stor effekt.
Figur 14, Dörrstopp till hjullastare 18T, Till vänster ordinarie i nylon. Till höger och i mitten i printad armerad nylon.
Komponenten tillverkades som exempel med hjälp av 3D-verkstan. Komponenterna tillverkades med en Markforged x7. Som material valdes Onyx som är en kolfiberarmerad plast. Markfoged har även den funktionen att den kan tillföra kontinuerlig tråd av kolfiber, glasfiber eller Kevlar till materialet. Detta betyder att materialet får betydligt kraftigare mekaniska egenskaper än annan 3D-printad plast. Enligt Markforged ger printern en brottstyrka som motsvarar aluminium och
21
kan enligt dem i vissa fall ersätta aluminiumkomponenter med bibehållna krav på hållfasthet (MarkForged, 2018).
För denna komponent valdes Kevlar som förstärkningsmaterial då den påvisar hög slagtålighet (3D-Verkstan, 2018). Den 3D printade komponenten blir därför mer hållbar en ordinarie komponent och dessutom reproducerbar vilket löser obsolescensärendet. Komponenten kostar ca 200kr att tillverka och enligt FMTS så håller de 3D-pintade komponenten betydligt bättre och ingen av de testade komponenterna har gått sönder. Detta betyder att detta mycket väl skulle kunna vara en enkel lösning på problemet och den militära nyttan är således stor.
Tillverkningsprocessen för det 3D-printade dörrstoppet beskrivs i bilaga B.
6.3 Termostathus BV 206
- Effekt: Stor - Printbarhet: Hög
Termostathusen är en komponent till kylsystemet till motorn på en bandvagn 206 och ses i figur 12. Komponenten finns idag som reservdel men i väldigt lågt saldo (Andersson, 2018) och finns inte längre som reservdel hos ordinarie leverantör. Utan denna komponent fungerar inte kylsystemet på fordonet och bandvagnen slutar alltså vara operativ. Med hänsyn till detta kan detta anses som ett kritiskt obsolescensärende. Effekten av att kunna tillverka denna komponent är alltså för systemet stor.
Figur 15, Termostathus BV206 bakre och främre
Komponenten är liten och i metall. Den skulle dock kunna tillverkas med gott resultat i en SLS- printer. Den skulle kunna tillverkas i till exempel Alumide som är som är en nylon och aluminiumkomposit med goda termiska och kemiska egenskaper. Övergången till plastprinter skulle minska kostnaden markant med tillräcklig kvalitet.
6.4 Övriga militära komponentexempel
Som referens har ett antal exempel på komponenter som skulle kunna tillverkas med hjälp av additiv tillverkning. Komponenterna är exempel som är kopplade till additiv tillverkning genom att de antingen redan finns som 3D-pintade komponenter alternativt har kommit som förfrågan för additiv tillverkning.
a
22
Expansionskärl Fältarbetsfordon 16T
Expansionskärlet är en komponent till kylsystemet på fältarbetsfordon 16T. Komponenten är i plast och är ca 300x300x300mm. Komponenten är således relativt enkel att tillverka additivt.
Komponenten finns idag ej som reservdel och har vid ett antal tillfällen gått sönder (FMTS, 2018).
Detta innebär att effekten av att kunna tillverka komponenten kan anses som stor.
Topplock till Terrängbil 11
Topplock till terrängbil 11 (TGB11) är ett av delsystemen i fordonets motor. Systemet är förhållandevis stort med en längde på >500mm samt måste tillverkas i metall med stora krav på ytfinhet. Systemet kan därför anses vara mycket svårt att tillverka med additiv tillverkning.
Topplocken finns dock ej som reservdel och tillverkas ej längre och då fordonen börjar bli gamla kan topplocken behövas byta. En mjölig nytillverkning skulle därför kunna ge stor effekt.
Insug Mercedes GW (TGB14/15)
Insuget är en motorkomponent för att leda luft till förbränningsrummet till motorn till Mercedes GW persontransportfordon. Fordonet ibland annat svenska såväl som norska försvaret. Ordinarie komponent är i metall och ca 300x200x100mm. Komponenten skulle dock kunna tillverkas i plast vilket gjordes som exempel av FieldMade under NATO övningen Trident Juncture. Tillverkad i plast kan komponenten anses enkel att tillverka och då komponenten under övningen ej gick att erhålla så kan effekten av en nytillverkning anses stor (Reserapport FieldMade, 2018)
Flygkroppskomponenter till JAS 39 C/D
En skyddslucka samt gångjärn är yttre komponenter till flygplanskroppen på Jas 39 Gripen.
Komponenterna används som projekt för att kunna tillverkas med hjälp av additiv tillverkning.
Komponenterna kan tillverkas i kolfiberarmerad plast och är begränsade i storlek. De kan därför anses vara enkla att tillverka med hjälp av additiv tillverkning. Komponenterna har valt ut då de enligt Saab har ett stort värde i att kunna printas. Detta framför allt då flygplanet är som mest sårbart då det står på marken. Alla medel för att kunna korta ledtider och få fram reservmateriel som saknat är därför mycket intressant.
Personlig utrustning
Personlig utrustning skull kunna vara ett område där additiv tillverkning lämpar sig väl. Det som skulle kunna tillverkas mindre komponenter till buren utrustning så som stridsvästar och bärsystem.
Komponenterna är generellt små samt och med lågt ställda krav på hållfasthet och kan därför tillverkas av plats. Komponenterna skulle kunna innebära bättre anpassad personlig utrustning och därigenom kunna bidra till att behålla stridsvärde. Dessa skulle även kunna vara reproducerbara och anpassningsbara i fältmiljö och således kunna erbjuda viss effekt. (EDA, 2018, kap 5)
Vapentillbehör
Vapentillbehör kan på samma sätt som personlig utrustning vara väl lämpat för additiv tillverkning.
Till exempel handgrepp samt vapenfästen är små och kan tillverkas med i plast med och skulle därför vara lätta att tillverka. Detta är dock att anse som extra utrustning där egentillverkning skulle kunna ge viss effekt. (Reserapport FieldMade, 2018).
Övningsmateriel
För tillverkning av övningsmateriel visar additiv tillverkning stor potential. Tekniken används redan idag inom övningsverksamhet vid vissa förband i Försvarsmakten (SWEDEC, 2018). Tekniken har idag används till bland annat tillverkning av övningsminor med bra resultat (SWEDEC, 2018).
Tekniken skulle också kunna användas till tillverkning av tillexempel övningshandgranater och liknande utrustning. Utrustningen består ofta av mindre komponenter med låga krav på material
23
och precision. Tillverkning med 3D-printer är därför att anse som lätt. Då utrustningen är enkelt reproducerbar innebär detta att utrustningen kan ”offras” i övningssyfte. Detta betyder till exempel att en handgranat tillverkad i en biologiskt nedbrytbar plast kan offras eller en övningsmina kan desarmeras utan att behövas övningstekniskt plockas bort för att inte skada i processen. Detta skulle kunna ha stor effekt för övningsverksamheten med bättre och mer tillämpad övning möjlig för förbanden.
Motorinfästning Helikopter MV-22B
Flygkritiska komponenter är typiskt något som inte vid första anblick är lämpat för additiv tillverkning. Hos den amerikanska marinkåren valdes dock flygkristiska komponenter så som motorinfästning till MV-22B tvåmotorig transporthelikopter ut. Detta är små komponenter som är tillverkade i metall och är således relativt enkla att tillverka. Det är ofta dessutom ofta komponenter med små serier och i fallet med marina förband så kan förmågan att kunna tillverka nya komponenter ombord värdefull och skulle kunna betyda stor effekt för att kunna hålla flygmaskinen operativ. De kritiska komponenterna valdes ut just för att kunna verifiera tillverkningstekniken och visa att det är möjligt att tillverka komponenter med tillräcklig kvalitet och med tillräcklig kontroll med ett gott resultat. (Marines, 2018)
Bärhjul till Stridsfordon 90
Bärhjul är de hjul som på ett bandfordon bär och rullar längs med bandet. Då bärhjulen har en viktig del i underhållet för bandfordon idag så finns det en uppenbar fördel med att kunna 3D- printa nya bärhjul. Till stridsfordon 90 eller andra bandfordon generellt är bärhjul ett typiskt exempel på att additiv tillverkning inte är svaret på alla underhållsfrågor. Först och främst är bärhjulen stora (diameter på ca 400mm) samt tillverkade i metall. Detta innebär att de skulle ta lång tid att tillverka samt bli mycket dyra och kan därför betraktas som svåra att tillverka. Bärhjulen är dock kritiska för fordonets framdrift och går ofta sönder. Då bärhjulen är kritiska för förbandets rörlighet och kan förväntas gå sönder ofta har försörjningen av bärhjul som resultat av UH- beredningen säkrats genom utplacering av lämpligt antal bärhjul på olika resursnivåer.
Komponenten finns således i organisationen och det har tagits höjd för att de kan komma att behöva bytas, effekten av att kunna tillverka de additivt kan därför anses vara mycket liten.
24
6.5 Sammanställning mot nytta/lämplighet för AM
För att kunna på ett enkelt sätt visualisera vilka typer av komponenter och system som är lämpliga för tillverkning med additiva tekniker kan exemplen från kapitlet delas in i en graf enligt figur 13.
Figur 16, sammanställning av militär nytta för exempelkomponenter tillverkade med additiv tillverkning Figuren är en enkel fyrfältsgraf där de komponenter som här i det högra övre hörnet kan anses vara mer lämpliga och erbjuda mer militär nytta enligt definitionen i kapitel 5. Komponenter och system i den undre vänstra delen av grafen kan på samma sätt anses vara mindre lämpliga för tillverkning med additiv tillverkning. Grafen och exemplen kan användas för vägledning vid beslut om tillverkning av andra komponenter och användas som en tankemodell för hur och för vilka komponenter additiv tillverkning är lämpligt.
25
7. Implementering I Försvarsmaktens organisation
I detta kapitel ges en presentation av hur additiv tillverkning skulle kunna vara en del av FMV och
Försvarsmakten i framtiden. Detta kapitel gen en förklaring på vilka strategiska och taktiska fördelar som kan åstadkommas genom en implementering av additiv tillverkning.
7.1 AM som integrerad del i en underhållsberedning
En viktig möjlighet med additiv tillverkning är möjligheten till en precis reproduktion av komponenter och delsystem som är tillverkade genom additiv tillverkning. Detta är något som kan använda som en del i en underhållsberedning (PWC, The Future of Spare Parts is 3D, 2015) En underhållsberedning är alltid en bedömning av hur behovet av underhåll och reservmaterial kommer att se ut under ett systems livslängd. Denna bedömning görs vanligtvis genom tidigare erfarenheter och expertis inom ILS- (Integrerat logistikstöd). Resultatet blir sedan en underhållsplan för systemets planerade livslängd och en initialanskaffning av reservmaterial för systemet. Detta representeras av den övre cirkeln i figur 17.
Under de senare åren har det dock genom nedskärningar och omprioriteringar lags mindre resurser för arbete med underhållsberedning vid anskaffning av nya system samt uppdatering av befintliga (FMTS, 2018). Detta kan då innebära att underhållsberedningen ger ett undermåligt resultat som skiljer sig från vad man skulle kunna åstadkomma med mer eller obegränsade resurser. Detta representeras av cirkeln till vänster i figur 17.
Oavsett hur mycket resurser som tilldelas ett projekt och hur mycket av detta som läggs på underhållsfrågor och på reservmaterial så är en underhållsberedning alltid bara en uppskattning av vad som kommer hända i framtiden. Det är en uppskattning som har gjorts utifrån de antaganden och det erfarenheter och data som fanns att tillgå vid det tillfälle då underhållsberedningen upprättades. Detta innebär att eftersom förutsättningarna för ett system kan förändras under dess livstid så kan också behovet av underhåll för ett system förändras och den underhålls och reservmateriel som finns täcker alltså inte det faktiska behovet. Det kan till exempel vara att systemet inte används på de sätt som det initialt var tänkt att användas eller att systemet används under en mycket längre tid än vad som från början var tänkt som systemets livscykel. Detta representeras i den högra cirkeln i figur 17.
Figur 17, Underhållsberedning och underhåll för verkliga förhållanden Resultat UH-
beredning
Verkligt UH behov, åldrande och
förändrad användning Vad UH-ber
borde gett för resultat
26
För att möta denna osäkerhet i en underhållsberedning och det ett skevt förhållande mellan underhållsberedning och behov av underhåll så ger additiv tillverkning en möjlighet att skapa en bredare underhållsberedning som täcker ett större antal scenarion (Freeman & Pauli, 2015) Detta kan göras för befintliga system där obsolescensärenden i fredstid uppstår eller vid specifika behov vid till exempel internationella insatser (Pettersson, FHS, 2018) eller i en nationell krissituation.
Additiv tillverkning är att bemöta som ett ytterligare led i en underhållsberedning. Det betyder att vissa komponenter fortfarande kommer behöva lagerföras som reservmateriel. I de fall där additiv tillverkning nyttjas vid tillverkning inom industrin alternativt att reproduktion av komponenten är möjligt genom additiv tillverkning så kan egentillverkning genom 3D-printing vara ett alternativ i underhållsberedningen. Detta nyttjas redan idag av till exempel holländska marinen som har externt reservdelsavtal genom additiv tillverkning för vissa komponenter (3D-print, 2018) samt Mercedes- Benz lastvagnar som idag nyttjar additiv tillverkning för vissa reservdelar (Additivemanufacturing, 2018)
I de fall där en komponent har en kritisk funktion för systemet skulle även FMV kunna krav ställa för möjlig egen reproduktion genom additiv tillverkning. Detta betyder att tillgänglighet för det tekniska systemet kan säkerställas oavsett om en underleverantör försvinner eller att lagersaldot på reservmaterialet är lågt.
Additiv tillverkning kommer alltså i sig inte ersätta en bra underhållsberedning utan kommer i framtiden kunna vara en naturlig del i den och framför allt kunna bidra till bättre förberedda system med lång teknisk livslängd.
7.2 AM genom livscykeln för ett tekniskt system
För att visualisera var och hur additiv tillverkning kan implementeras inom olika system presenteras i detta kapitel en genomgång kopplat till olika steg i ett systems livscykel. Den modell som har använts är försvarsmaktens modell för Livscykelprocesser för system.
Försvarsmaktens modell för livscykelprocesser för system är en standardmodell som används inom Försvarsmakten och FMV vid utveckling och anskaffning av system (FM, livscykelprocesser).
Modellen bygger på ISO standard 152 88. och har ett flöde enligt figur 18.
Figur 18, Livscykelprocesser för system
Additiv tillverkning är som teknik inte låst till en del i livscykelprocessen för ett system. Tekniken kan nyttjas för att uppnå olika mål i de olika stegen. Additiv tillverkning har stora styrkor som kan nyttjas vid konceptframtagning och för tillverkning av mock-uper. Tekniken har därför en naturlig del i konceptutvecklingsskedet (3D-hubs, 2017)
I utvecklingsskedet och i produktion kan tekniken primärt nyttjas inom industrin som ett verktyg för tillverkning. Tekniken dels erbjuda möjligheter till att göra bättre produkter som är lättare och starkare samt möjligheter till ”one-off” produkter och en större flexibilitet i produktion (reserapport Hägglunds). Ianvändning och underhålls-skedet har tekniken som beskrivet i AM som integrerad del i underhållsberedning tidigare i kapitlet en viktig plats i framtiden.
Inom alla led i livscykelprocessen bör det finnas aktiviteter och tekniska system kopplade till den specifika processen samt ett verksamhetsstöd för detta. (FM, Livscykelprocesser). Vid en implementering av additiv tillverkning i försvarsmakten är detta viktigt att ta i beaktan. För att detta skall kunna genomföras är bland annat en god förståelse för tekniken viktig.
27
7.3 Stridsskadereparationer
I och med att Försvarsmakten sedan en tid tillbaka går mot ett i huvudsak nationellt inriktat försvar har ett återtagande av förmågan till att kunna genomföra stridsfältsreparationer eller krigsskadereparationer blivit aktuell.
Stridskadereparationer representeras av ett antal mer eller mindre konventionella metoder för att reparera ett system för att uppnå en tillräcklig grad av teknisk tillgänglighet (funktion) för ett skadat system. En okonventionell reparationsmetod kan till exempel vara lagningar med tejp och ståltråd medan en konventionell metod är typiskt byte av verifierade komponenter. De reparationer som kan genomföras som stridsskadereparationer kan innehålla allt ifrån standard och verifierade reparationer till ej verifierade och okonventionella reparationsmetoder. Detta vissas schematiskt i figur 19.
Figur 19, Klassning av reparationsmetoder
Att nyttja en reparationsmetod som är ej verifierad och okonventionell innebär att en större risk och en större osäkerhet i själva reparationen finns. Idag i fredstid så är okonventionella reparationsmetoder generellt aldrig tillåtna (Handbok Stridskadereparationer, 1997) I händelse av krig ökar dock handlingsfriheten av flera anledningar. Bland annat så kan den ekonomiska aspekten inom ett system bli mindre viktig och personsäkerhet i enskilda val kan hanteras med större osäkerhet i syfte att uppnå ett specifikt ml eller uppdrag. Med detta så tillåts mer okonventionella metoder för reparationer och en större handlingsfrihet i valet av reparationsmetod enligt i figur 20.
Reparationsmetoder
Konventionella
standardrep Alternativa rep
Okonventionella
Ej verifierade rep
