Explosions- und Schlagverhalten von Faser-Metall-Laminaten

Luftverladbare geschützte Fahrzeuge wie z.B. die WS Dingo und Wiesel müssen über einen angemessenen Schutz gegen Splitter und Kleinwaffenmunition sowie einen Schutz gegen Druckwellen (Blast) verfügen. Blast stellt eine vergleichsweise komplexe Belastung dar, da Druckwellen insgesamt auf die Struktur einwirken. Gleichzeitig hängt der Explosionsschaden von verschiedenen Faktoren wie der Energieübertragung und dem Impuls der Ladung ab. Außerdem können auch der Abstand und die räumliche Orientierung des Ziels zur Ladung den vorherrschenden Schädigungsmechanismus des Materials verändern, so dass diese Situation zu erheblichen Herausforderungen bei der Auslegung und möglicherweise zu einem beträchtlichen zusätzlichen Gewicht der Schutzstruktur führt, wenn herkömmliche Materialien als Panzerung verwendet werden.

Faser-Metall-Laminate (FML) werden seit einigen Jahren als Strukturmaterial im Flugzeugbau eingesetzt und haben ihr Potenzial für den Explosionsschutz unter Beweis gestellt. Das Projekt BIFiMela zielt darauf ab, FML als innovativen und vielversprechenden Weg zur Gewichtsreduzierung von sprengwirkungshemmenden Strukturen einzusetzen. Das Hauptziel der Studie ist die Untersuchung der grundlegenden mechanischen Eigenschaften sowie die Analyse, Beschreibung und Modellierung der Eigenschaften verschiedener FML unter Aufprall- und Explosionsbelastung. Dies wird durch analytische und numerische Methoden (d.h. virtuelle Simulationen) erreicht und durch physikalische Tests ergänzt und validiert. Als sekundäres Ziel werden Kenntnisse von dem Einfluss einzelner Materialkombinationen (d.h. verschiedene Fasern, Matrizen und deren Kombinationen mit verschiedenen Aufbauten) und Herstellungsparameter auf die Leistung unter Explosionsbelastung angestrebt, wobei ein sehr geringes Strukturgewicht beibehalten wird.

Erstellung einer Übersichtsstudie

• Neuere Entwicklungen und Einsatz von FMLs als maßgeschneiderte Schutzwerkstoffe gegen Blastbelastungen
• Definition der Zielanwendung sowie Produktspezifikation für den Einsatz von FMLs als Werkstoffe für leichte, geschützte Landfahrzeuge
• Gestaltungs-, Prozess- und Materialauswahl

Beschaffung der Ausgangsmaterialien für Fertigungsversuche sowie Beschaffung kommerziell verfügbarer FMLs

• Die Fertigungsversuche notwendigen Materialien wie z.B. Prepregs, Metallbleche, etc. sowie die notwendigen Verarbeitungsmaterialien werden beschafft. Für Vergleichsuntersuchungen werden kommerziell verfügbare FMLs recherchiert. Ein Referenzmaterial ist z.B. GLARE 5, 0.4 mm (Al 2024-T3, S2-Glas mit EP-Matrix).
• Zur Sicherung der Produktqualität werden sämtliche kommerziell beschafften Referenzmaterialien zerstörungsfrei geprüft.

Durchführung von Fertigungsversuchen

• Einfluss der versch. Ausgangswerkstoffe (z.B. Wahl des Faser-, Matrix- und Metallwerkstoffs, Laminataufbau, mögliche Kombinationen aus verschiedenen Faserwerkstoffen, Faser- / Harz- / Metall-Anteil, etc.)
• Einfluss der Fertigungsparameter (z.B. Oberflächenbehandlung, Temperatur- / Druck- / Vakuumführung bei der Herstellung, etc.)
• Charakterisierung der Fertigungsqualität über zerstörungsfreie und zerstörende Prüfverfahren.

Bestimmung der grundlegenden mechanischen Kennwerte

• Sowohl kommerziell beschafften als auch selbst gefertigten FMLs werden die grundlegenden mechanischen Kennwerte bestimmt
• Zugversuche
• Druckversuche
• Rollenschälversuche
• Scherversuche
• Drei-Punkte-Biegung (short beam test)
• Drei-Punkte-Biegung bzw. vier-Punkte-Biegung

Aufprallexperimente / Impacttests

• Koordination der notwendigen Messtechnik zur Charakterisierung der Experimente (Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, Dehnungsmessungen, Druckverlaufsmessungen, etc.)
• Durchführung von Experimenten am Fallturm des Instituts für verschiedene Aufprallenergieniveaus.

Schockröhrenexperimente / Blasttests

• Koordination der notwendigen Messtechnik zur Charakterisierung der Experimente (Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, Dehnungsmessungen, Druckverlaufsmessungen, etc.)
• Entwurf, Beschaffung des Grundmaterials und Herstellung aller notwendigen Teile bzw. Komponenten zur Durchführung der Blast-Versuche.

Charakterisierung der Schädigungsmechanismen

• Zerstörungsfreier und zerstörender Untersuchungen der FMLs werden durchgeführt. Hier soll ein grundlegendes Verständnis über die mikromechanischen Schädigungs- bzw. Energiedissipationsmechanismen erarbeitet werden.
• Aus den gewonnenen Erkenntnissen sollen auch erste Parameter und Kenngrößen für Computersimulationen zur Unterstützung der Auswertung abgeleitet werden.

Computersimulationen zur Unterstützung der Auswertung

• Ein Berechnungsmodell soll aufgebaut werden, um besseren Verständnis der Schädigungs- bzw. Energiedissipationsmechanismen und mechanischen Eigenschaften zu erhalten.

Herstellung und Tests optimierter FMLs

• Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden mindesten drei optimierte Laminataufbauten für FMLs abgeleitet und hergestellt
• Die grundlegenden mechanischen Kennwerte werden für optimierte gefertigte FMLs bestimmt
• Impacttests sowie Blasttests werden durchgeführt
• Charakterisierung der Schädigungsmechanismen werden untersucht und analysiert.
• Weiterentwicklung der numerischen Berechnungsmodelle werden für eine bessere Vorhersage der zu erwartenden Schäden überarbeitet. Ziel ist, mit einem geeigneten Modell den Blastvorgang sowie die strukturellen Schäden im Rahmen der numerischen Näherungen für unterschiedliche Werkstoffkombinationen und Laminataufbauten möglichst präzise vorherzusagen

Das Projekt BIFIMeLa zielt darauf ab, die Versagensmechanismen von Faser-Metall-Laminaten zu verstehen, die einer Aufprall- und Explosionsbelastung ausgesetzt sind. Es soll eine Datenbasis geschaffen werden, um Verbesserungsmöglichkeiten zu ermitteln, indem zahlreiche physikalische Versuchsreihen als Grundlage für numerische Simulationen und theoretische Modelle verwendet werden. Darüber hinaus ist das Know-how dieses Projekts auf die Herstellung von FMLs ausgerichtet. Dies stellt für das Institut einen Durchbruch bei der Herstellung komplexer laminierten Strukturen dar und erhöht seine technische Wettbewerbsfähigkeit.

In einem weiteren Schritt des Projekts wird dieses Wissen für die Optimierung der FMLs genutzt, wobei die Auswahl der Basismaterialien, die Faserorientierung, die Schichtdicken und die Stapelreihenfolge eine wesentliche Rolle spielen. Neben der optimalen Materialmodellierung ist es auch möglich neue Geometrien oder Konzepte zu implementieren, die die Schutzwirkung von FMLs zur Energieabsorption bzw. -dissipation verstärken.

Mit den in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnissen über die Verwendung von FMLs als Schutzplatten kann ein wichtiger Präzedenzfall für die Verwendung von Panzerplatten auf Verbundwerkstoffbasis geschaffen werden, und zwar nicht nur für den offiziellen Einsatz bei Militärfahrzeugen, sondern auch für den passiven Schutz ziviler Fahrzeuge als leichte Panzerung, um Gewicht und Kosten niedrig zu ermöglichen.

Das Projekt BIFiMeLa wird durchgeführt, um die Eigenschaften unterschiedlicher FMLs für den möglichen Einsatz als Struktur- und Schutzwerkstoffe für leichte geschützte Landfahrzeuge zu untersuchen.

Projektlaufzeit: Januar 2021 bis März 2024

Fördervolumen für die Universität der Bundeswehr: 240.000€

Das Projekt wird vom Wehrwissenschaftlichen Institut für Werk- und Betriebsstoffe beauftragt