Marine erweitert „Kaltspray“-Schweißalternative für Flottenreparaturen

David Wible, Schweißer im Letterkenny Army Depot, demonstriert am 2. Februar 2022 die Initiative zur fortschrittlichen Kaltspray-Fertigung. Foto der US-Armee

SAN DIEGO, Kalifornien – Wenn auf einem Schiff oder U-Boot, das in einem Konfliktgebiet unterwegs ist oder in seinem Heimathafen vertäut ist, ein Teil kaputt geht, könnte die Reparatur einfach mit einem tragbaren Schweißgerät oder einer mobilen Werkstatt durchgeführt werden, die auf unkonventionelle Weise am Pier installiert ist. unter Verwendung einer innovativen Technologie namens „Kältespray“.

Beim Kaltspritzen wird ein unter hohem Druck stehendes Gas verwendet, das erhitztes Metallpulver mit Überschallgeschwindigkeit verschießt, um Metall auf eine Oberfläche aufzutragen. Es ist an sich nicht kalt, aber mit etwa 800 Grad Celsius ist es weitaus kühler als herkömmliches „Heißschweißen“.

Die Technologie nutzt einen Prozess namens Additive Fertigung mit hoher Abscheidungsrate. Nach Angaben des Unternehmens werden verschiedene Arten von Pulvern – von Aluminium bis Titan sowie Spezialpulver – für Hartbeschichtungen sowie kundenspezifische Reparaturen verwendet, darunter Flugzeugbefestigungen, beschädigte Rohre und Wellen, korrodierte Laufräder, Verbindungslecks und Ventilantriebe. Laut offiziellen Angaben kann es abgenutzte Metallbeschichtungen durch Metall ersetzen, das mindestens so stark und hart ist wie die Originalbeschichtung.

Die Kaltspritztechnologie ist nicht neu – sie wurde in den 1980er Jahren in Russland entwickelt –, hat sich jedoch zu einer Wachstumsbranche entwickelt, die großes Interesse und Einsatz bei den Militärdiensten weckt, die mit Teileknappheit, verstopften Versorgungsleitungen und der Nachfrage nach schnellen Reparaturmöglichkeiten für Einsätze zu kämpfen haben Kräfte.

„[Kältespray] ist etwas, das wir wirklich anstreben“, sagte Konteradmiral Jason Lloyd, Chefingenieur des US Naval Sea Systems Command, letzte Woche während des jährlichen Flottenwartungs- und Modernisierungssymposiums der American Society of Naval Engineers.

Die Marine konnte mit dieser Technologie bereits Monate bei der Reparatur spezifischer Schiffe einsparen, die Ausrüstung kann jedoch unerschwinglich teuer sein. Jetzt entwickelt die Marine eine einzigartige Partnerschaft mit einem Unternehmen, das kleinere tragbare und einsetzbare Kaltsprühsysteme entwickelt hat, die schnell eingesetzt und eingesetzt werden können.

„Es ist ein echter Vorteil, um einige Reparaturen – nicht alle – zu erledigen, aber es gibt Werften und örtlichen Reparaturwerkstätten die Möglichkeit, eine andere Reparaturmethode zu verwenden“, sagte Lloyd, der auch als stellvertretender Kommandeur der NAVSEA für Schiffsdesign, Integration und Schiffstechnik fungiert ( SEA-05). Die Marine setzte Kältespray erstmals 2019 auf der Norfolk Naval Shipyard im US-Bundesstaat Virginia ein, und „die Werften haben sie ziemlich häufig eingesetzt“, sagte er.

Surge Maintenance Hull Maintenance Technician Petty Officer 1st Class Sang Vang demonstriert am 30. August 2022 das Niederdruck-Kaltsprühsystem Centerline SST (links). Foto der US-Marine

Um die hohen Kosten der Ausrüstung zu decken, prüft die Marine, die Reparaturfähigkeit als Dienstleistung eines kommerziellen Partners zu nutzen. Die As-a-Service-Vereinbarung könnte einen Einstiegspunkt für private Werften und kleinere Unternehmen bieten, die sich die Investition sonst nicht leisten könnten.

„Es wird einen enormen Willen erfordern, dorthin zu gelangen, wo wir hin müssen“, sagte er. „Wir haben kurzfristige Konkurrenten, die wir in meiner Zeit bei der Marine nicht hatten.“

Die Marine hat sich mit VRC Metal Systems, einem auf Kaltspritztechnologie spezialisierten Unternehmen mit Sitz in Box Elder, SD, zusammengetan, um innerhalb von 90 Tagen „Pop-up“-Produktionszellen zu bauen, die in der Nähe von Häfen aufgestellt werden sollen. Das Unternehmen wird von der Marine geleaste Ausrüstung nutzen, um Reparaturen in maximal drei Wochen durchzuführen – und das ohne Kosten für den Kunden.

Die Marine finanziert eine Handvoll Pop-up-Zellen, darunter eine in Chesapeake, Virginia, mit zusätzlichen Mitteln des Kongresses, „um herauszufinden, wie man Technologie in die Industrie bringen kann“. Wie vorgesehen würden die Kaltspritz-Produktionszellen während der Vertragslaufzeit einige Jahre lang genutzt – es handelt sich um ein „Capability as a Service“-Modell – und dann könnte das Unternehmen die Ausrüstung möglicherweise weiter nutzen und den Service verkaufen als Unternehmen. Der Vertrag zur schnellen Einführung der Kaltspritztechnologie wurde im Rahmen des Small Business Innovation Research-Programms der Marine entwickelt, so die US General Services Administration, die mit NAVSEA an der Idee arbeitete.

„Die Hoffnung – ‚Wenn du es baust, werden sie kommen‘ – besteht darin, dass wir es nach zwei Jahren einem Bauunternehmer übergeben, der das Kaltspritz-Popup in einem Gebiet übernehmen möchte, in dem es verkauft werden kann das als Dienstleistung“, sagte Lloyd. Er nahm am 8. September an einer Zeremonie zum Durchschneiden des Bandes anlässlich der San Diego Pop-up-Zelle in National City teil, nicht weit vom Hafenhaus der US-Pazifikflotte in San Diego entfernt. „Die Regierung“, sagte er, „investiert in den Versuch, beim Wiederaufbau dieser industriellen Basis zu helfen.“

Kaltspritz-Maschinist Tim Holland nutzt den Roboterarm, um die Kaltspritzkabine für eine zukünftige Reparatur am Marinestützpunkt Norfolk, Virginia, am 11. August 2021 vorzubereiten. Foto der US-Marine

VRC, eines der wenigen Unternehmen, die Kaltspritztechnik einsetzen, hat drei Systeme entwickelt, die je nach Art und Umfang der Reparaturen skaliert werden können. Am 6. September erteilte die Armee VRC einen Fünfjahresvertrag im Wert von 50 Millionen US-Dollar für seine Kaltspritztechnologie.

Sein größeres stationäres System in San Diego heißt CAMP Site und verfügt über einen Roboterarm, der die programmierte Arbeit in einer 400 Quadratmeter großen Kaltspritzkabine mit 3 Zoll dicken Wänden ausführt, um die lauten Maschinen zu dämpfen. Eine Reihe von Außenkameras überwachen die Arbeit im Inneren. Während einer Spritzreparatursitzung tauscht ein Staubabscheider die Luft 6,5 Mal pro Minute aus. „Diese sind konfigurierbar“, sagte Dan Stanley vom NAVSEA 05T Technology Office und wies darauf hin, dass eine Werft über einen größeren Stand verfügt, um die Reparatur größerer Teile zu ermöglichen.

Das Unternehmen hat auch kleinere, tragbare Anlagen entwickelt, die für Seeleute und Marinesoldaten, die für den Einsatz des Systems vor Ort geschult werden, einsatzbereit und handhabbar sind. „Die von der Marine entwickelte Ausbildung basiert auf den VRC-Systemen“, sagte Jeffrey Campbell, der Kaltspray-Programmmanager von NAVSEA, während eines Rundgangs im San Diego Pop-up. „Einige der anderen Dienste verfügen über unterschiedliche Systeme. Deshalb prüfen wir, wie wir die Schulung der Bediener und Techniker standardisieren können, damit jeder Dienst diese und die spezifische Ausrüstung nutzen kann.“ Schulung sei eines der Themen eines vom Pentagon geleiteten Arbeitsgruppentreffens in dieser Woche, sagte Campbell.

VRC Raptor ist ein einsatzbereites, robustes, auf einem Anhänger tragbares System, das Kaltspray durch eine Handdüse oder durch einen ferngesteuerten Roboter verwendet. Es wurde im April am Pier der USS Essex (LHD-2) eingesetzt, um einen abgenutzten Ruderschaft zu reparieren – ein 18 Fuß langes und 14 Tonnen schweres Teil, das für das amphibische Angriffsschiff nicht verfügbar war.

„Wir haben dort Kaltspray verwendet und diese Reparaturen durchgeführt“, sagte Lloyd dem ASNE-Publikum. Die Korrosion wurde beim Austausch der Lager festgestellt, aber die herkömmliche Reparatur hätte 24 Tage Trockendockzeit und das Risiko einer möglichen Verformung, die beim Heißschweißen auftreten kann, mit sich gebracht.

Das kleinere System namens VRC Dragonfly half NAVSEA dabei, die Korrosion zu beheben, die am U-Boot der Virginia-Klasse USS Rickover (SSN-795) festgestellt wurde. Eine herkömmliche Reparatur der Dichtfläche der U-Boot-Bedienstange hätte einen fünfmonatigen außerplanmäßigen Aufenthalt im Trockendock bedeutet und den Ausbau der Welle und anderer Teile erforderlich gemacht, sagte Lloyd. „Sie mussten das U-Boot ins Dock ziehen, es reparieren, schweißen, wärmebehandeln und wieder zurückbringen.“

Könnte das Teil gerade repariert werden? Die Idee entstand bei regelmäßigen Gesprächen, die Lloyd nach eigenen Angaben mit NAVSEA und Chefingenieuren führte, um neue Technologien in etwas Tragbares umzuwandeln, das – im Falle der Reparatur an Bord der Rickover – klein genug ist, um durch die Luke eines U-Bootes zu passen.

Deshalb arbeitete die Marine innerhalb eines Monats mit VRC Metal Systems zusammen, um das mobile System zu entwickeln. Es musste klein genug sein, um an Bord der Rickover platziert zu werden, und es gab Sicherheitsaspekte, wie z. B. sicherzustellen, dass kein überschüssiger Stickstoff in das Boot gelangte und dass die Seeleute ausreichend Gehörschutz trugen, sagte Dan Stanley vom NAVSEA (05T) Technology Office. „Wir haben allein für den Aufbau der Infrastruktur vier Tage gebraucht“, sagte Stanley. „Zehn Minuten für einen Sprühstoß, zwei für einen anderen.“

Die Reparatur wurde im November 2022 in acht Tagen abgeschlossen. „Die ganze Zeit blieb das Boot im Wasser“, sagte Lloyd. „Was für eine Zeitersparnis.“

„Dieses eine Problem mit einem Schacht könnte ein U-Boot fünf Monate lang im Dock verbringen“, fügte er hinzu. „Stattdessen haben wir es in fünf Tagen geschafft.“

Flieger der 28th Maintenance Squadron Additive Manufacturing Rapid Repair Facility führen am 18. September 2019 im South Dakota Air and Space Museum in Box Elder, SD, eine Kältespray-Reparatur an der statischen Ausstellung B-52 Stratofortress durch

Beamte gehen davon aus, dass mehr Zeit und Geld eingespart werden, wenn mehr Kaltspritztechnologie zum Einsatz kommt und mehr Schiffs- und U-Boot-Reparaturen in Angriff nimmt, ohne auf eine Andockphase warten zu müssen oder Reparaturen, die möglicherweise gefährdet sind, aufzuschieben, bis eine Reparatur oder ein Ersatzteil eintrifft. Letzte Woche wurde die San Diego Cold Spray Pop-Up Cell im Wert von 2 Millionen US-Dollar, die in einem unscheinbaren Industriegebäude zwei Meilen von den Piers der Marine an der Marinestation 32nd Street entfernt gebaut wurde, offiziell eröffnet.

„Das Pop-up-Zellenmodell gibt Ihnen die Möglichkeit, die Dinge herauszubringen und die Möglichkeiten zu nutzen“, sagte Campbell, „und es ist eine Win-Win-Situation für die Regierung und den Anbieter.“ Wir zahlen dafür, aber wir profitieren davon.“

Das Konzept soll Anreize für die Industrie schaffen. „Wir zahlen für die Fähigkeit, Teile zu reparieren“, sagte Stanley. Die Chesapeake-Popup-Zelle war „mit einem Schiff beschäftigt. Wir wissen, wenn genug Material reinkommt, könnten wir darüber nachdenken, ein zweites Schiff zu bauen und einfach weiterzumachen.“ Öffentliche Werften, fügte er hinzu, „haben diese Fähigkeit entweder oder bekommen sie gerade.“

„Die Idee ist, dass bei der Weiterentwicklung der NAVSEA-Fähigkeit jeder mit der gleichen Ausrüstung spielt“, sagte Stanley. Wenn also jemand ein Problem hat, „kann er sich an die anderen Websites wenden, hey, hier ist mein spezifisches Problem … und Sie können diese sofortige Bestätigung erhalten.“ Er hielt ein Modell eines Ventils an einer Motorwelle auf der USS George HW Bush (CVN-77) im Jahr 2020 hoch, eine frühere Reparatur, die zur Demonstration der Technologie beitrug.

Die Durchführung schneller Reparaturen vor Ort über ein Pop-up für Kunden eines Unternehmens, eines regionalen Wartungszentrums oder einer größeren Werft spart durch den Einsatz der additiven Fertigung auch Geld und Teile. „Für den Steuerzahler müssen Sie ein Drittel der Kosten tragen, um diesen Teil zu ersetzen“, sagte Tim Gellerson, Chief Strategy Officer der VRC Group. „Aus der Sicht eines Kriegskämpfers warte ich nicht auf eine Rolle. Mein Schiff ist einsatzbereit, wenn es einsatzbereit sein muss, wenn ich nicht auf das Versorgungssystem warte, um zu versuchen, ein Teil zu fräsen.“

Es entsteht auch ein Pool von Gegenständen – einige davon kosten sechsstellige Beträge, wie etwa ein Lenkungsschacht einer Mk82-Rakete –, die früher verschrottet oder weggeworfen worden wären, jetzt aber zur Reparatur oder Wiederverwendung zurückgestellt werden.

Ron Morrison, der Bürgermeister von National City und Veteran der Armee, nahm an der feierlichen Eröffnung teil, die ein zweijähriges Projekt darstellte, das seiner Meinung nach die Schifffahrts-, See- und Industrieversorgungsunternehmen der Region sowie die nahegelegene 100-Millionen-Dollar-Reparaturanlage und das Trockendock ergänzt, die Austal USA eröffnet hat früher in diesem Jahr. „Wenn sie jetzt umrüsten, anstatt sie nach Bremerton (Washington) oder anderswo zu schicken, wie viel wichtiger ist es dann, all diese Anlagen direkt hier vor Ort zu haben“, sagte Morrison und bemerkte: „Es gibt alle möglichen Unterschiede.“ Dinge, die die Marine perfekt ergänzen.“

Ein Thema der jüngsten Gespräche mit örtlichen Marinekommandeuren sei nicht die Frage, wie viele Schiffe sich im Hafen befänden, „sondern wie viele von ihnen einsatzbereit seien, und vieles davon sei, dass sie in der Lieferkette warten“, sagte er. „Es ist also erstaunlich, ein reparaturbedürftiges Schiff innerhalb weniger Tage reparieren zu können.“

Nachdem sie während der ASNE-Konferenz über die neue Kaltspritztechnologie gesprochen hatten, sagten Lloyd und andere Marine- und VRC-Beamte, dass sie damit rechnen, dass die Arbeiten im Pop-up-Bereich und an anderen Standorten rasch voranschreiten werden, sobald sich die Nachricht verbreitet. Sie wurden bereits mit Anfragen von Hafeningenieuren des Littoral Combat Ship überschwemmt, deren Aluminiumboote mit Rissproblemen zu kämpfen hatten. „Könnten wir dies also nutzen, um die Aluminiumrissprobleme bei LCS anzugehen? Deshalb sind sie ziemlich aufgeregt“, sagte Lloyd.

Gidget Fuentes ist eine freiberufliche Autorin mit Sitz in San Diego, Kalifornien. Sie hat mehr als 20 Jahre damit verbracht, ausführlich über das Marine Corps und die Marine zu berichten, einschließlich der Kommandos an der Westküste und regionaler Themen im Pazifik.