Munitie uit de printer

4 min leestijd

Kruiten, raketmotoren en explosieve ladingen vormgeven met een 3D-printer. Door de expertises van energetisch materiaal en 3D-printen te bundelen, is het mogelijk. TNO ziet een toekomst waarin complete munitieartikelen met het gewenste effect en in de gevraagde hoeveelheid uit de printer rollen. Een innovatie die wordt gedreven door de behoefte aan productieveiligheid, prestatieverbetering en kostenvermindering.

Het produceren van munitie is een intensief proces dat de nodige veiligheidsmaatregelen vergt. Zo mogen de productie, de opslag noch het transport tot onnodige risico’s voor betrokkenen en derden leiden. Daarnaast wordt constant gewerkt aan het verhogen van de prestatie en de flexibiliteit. 3D-printen heeft de potentie hierin een grote rol te spelen. Door de vormvrijheid van het maakproces zijn betere prestaties mogelijk met minder materiaal en kan flexibiliteit worden ingebouwd. Verder is het productieproces veiliger, en mede daardoor kan munitie in de verre toekomst ter plaatse naar behoefte worden geprint. Het resultaat is dat de logistieke footprint wordt verkleind en uiteindelijk de kosten voor Defensie lager zijn.

Vormvrijheid bij 3D-printen

“Naast de constante behoefte aan een betere prestatie van munitie, speelt TNO doorlopend in op de vraag naar kleinere en lichtere instrumenten en middelen die de manschappen met zich meedragen”, vertelt Joost van Lingen, teamleider energetische materialen bij TNO. “Voor munitie betekent het dat een kleiner gewicht, een grotere performance dient te leveren. Maar op een gegeven moment loop je tegen de grenzen aan van de bestaande productietechnologieën. Zo kwam 3D-printen om de hoek kijken. Door de vormvrijheid voorzagen we nieuwe kansen. Vier jaar geleden besloten we de mogelijkheden voor het printen van energetische materialen in kaart te brengen. Daarmee kozen we meteen voor het meest uitdagende van het 3D-printen van munitie en richtten we ons bewust op een niche.”

“Door de vormvrijheid van het maakproces bij 3D-printen zijn betere prestaties mogelijk met minder materiaal en kan flexibiliteit worden ingebouwd”

Printtechnieken

“Ons startpunt was het maken van een index”, zegt Van Lingen. “Welke printtechnieken en klassieke energetische materialen bestaan al en zijn die te matchen? We kwamen tot de conclusie dat alleen de explosieve stof TNT ‘zomaar’ geprint kan worden. We hebben ervoor gekozen om zoveel mogelijk bestaande printtechnieken te gebruiken. De focus in het onderzoek lag daarbij op het zo hoog mogelijk energetisch maken van een printbaar materiaal.”

Druk achter de kogel

Na enkele jaren van onderzoek slagen de TNO-onderzoekers erin om van een niet-geoptimaliseerd kloddertje TNT tot een product te komen, dat qua prestatie vergelijkbaar is met standaardkruiten. Binnenkort worden de eerste drie patenten openbaar. Het eerste betreft de samenstelling van het printmateriaal. Het tweede betreft de vorm, die bij kruiten doorslaggevend is voor de prestatieverbetering. Van Lingen: “Door meerdere laagjes gradiënt aan te brengen in het materiaal, gaat het steeds sneller branden en wordt de druk achter de kogel een soort van plateau in plaats van een inefficiënte curve. Het derde patent richt zich op de stortdichtheid.”

“Voor de verdere toekomst voorzien we ook het printen van de behuizing, samen met het energetische materiaal, ingebouwde sensoren, enzovoorts”

Vorm van een smartie

“Normaal gesproken worden kruitkorrelcilinders voor de wat grotere wapensystemen, zoals die op de Nederlandse verkenningsvoertuigen, haaks doorgesneden op de extrusierichting”, vervolgt Van Lingen. “Als je ze meer richting de vorm van een smartie brengt, kun je veel meer korrels en dus veel meer gewicht in hetzelfde volume krijgen. Dat leidt tot een prestatievoordeel. De loop moet ertegen kunnen, maar het levert wel meer druk op voor een hogere projectielsnelheid. Zo zorgt een extra stortdichtheid van 18% voor circa 10% meer kinetische energie.”

Unieke combinatie van expertises

Het idee om expertise rond energetische materialen te koppelen aan expertise rond 3D-printen werd geboren bij TNO in Ypenburg. Van Lingen: “Wij zijn al zeventig jaar het huislab van Defensie en we doen opdrachten voor de internationale defensie-industrie. Het was een logische stap om bij TNO’ers elders in het land te gaan ‘shoppen’ voor kennis van 3D-printen. Onze collega’s bij AMSYSTEMS Center in Eindhoven en het Brightlands Materials Center in Geleen hebben al twintig jaar ervaring met 3D-printen. Door die unieke combinatie van expertises zijn we de koploper op dit gebied.”

“Door de unieke combinatie van expertise rond energetische materialen en 3D-printen zijn we de koploper op dit gebied”

Haken en ogen

Er zitten nog veel haken en ogen aan het 3D-printen. “Hoe meer energetisch materiaal je aan het bindersysteem toevoegt, hoe beter de uitwerking, maar hoe meer problemen je krijgt met viscositeit en sterkte. De massa moet wel blijven vloeien. Verder zijn veel processen gebaseerd op het smelten van materiaal. Een uitdaging is dan ook, dat de temperatuur niet te hoog mag zijn. Denk aan maximaal 300 ºC voor TNT en 80 ºC voor normale kruiten. Ligt het smeltpunt te dicht bij het ontsteekpunt – wat meestal het geval is – dan valt dat materiaal af. Een andere procesparameter is druk. Op de traditionele wijze worden kruitkorrels geproduceerd door extrusie, waarbij vervormbaar materiaal door een matrijs wordt geperst. Daarbij worden grote krachten op het materiaal gezet om het te laten mengen. Die druk mag niet te ver oplopen.”

Interesse en investeringen

Met de juiste investeringen kunnen over vijf jaar de eerste echte producten gerealiseerd worden. “Maar het kan sneller gaan”, meent Van Lingen. “Tot nu toe investeerde voornamelijk het ministerie van Defensie in de duurzaamheid en veiligheid van deze innovatie. Sinds kort krijgen we ook significante financiering uit de VS om onderzoek te doen. Verder is er interesse vanuit de industrie, waar het nieuwe kruit voorlopig zal worden geproduceerd. Er staan nu nog geen 3D-printers in het veld van Defensie om energetisch materiaal te printen, maar ik verwacht dat dit in de toekomst wel mogelijk wordt. Ook zien we voor de toekomst verdere ontwikkelingen zoals het printen van de behuizing met energetisch materiaal en ingebouwde sensoren. Lezers die meer willen weten of bedrijven die een businesscase willen uitwerken, nodig ik van harte uit om contact op te nemen.”

Embed caption here
contactpersoon
Dr. Joost van Lingen Locatie Leiden - Sch + Page 1 Locatie: Locatie Rijswijk
e-mail
nieuws
evenementen
lees ook
vacatures
aandachtsgebieden
  • Defensie & Veiligheid