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Die
Erfindung betrifft ein flächiges Verbundpanzerungselement,
insbesondere zur ballistischen Panzerung von Fahrzeugen und Gebäuden
oder sonstigen Objekten, mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundpanzerungselements
sowie ein Fahrzeug mit einer zu schützenden Fläche,
die mit einem Verbundpanzerungselement geschützt ist.
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Verbundpanzerungselemente,
wie beispielsweise Verbundpanzerplatten, die aus einem Verbund mehrerer
Materialien bestehen, sind an sich bekannt. Häufig sind
Verbundpanzerplatten derart aufgebaut, dass zwischen zwei ebenen,
parallelen, starren Plattenelementen hochharte Füllelemente
eingebracht werden, welche anschließend mit einer gießfähigen Masse
umgossen werden.
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Die
DE 1 578 324 A1 beschreibt
eine solche starre Verbundpanzerplatte, wobei als Füllelemente Kugeln
oder Zylinder aus einem harten keramischen Material verwendet werden.
Die Zylinder werden in Reihen in der Platte in mehreren unterbrochenen Schichten
oder Lagen angeordnet, d. h. ihre Längsachsen liegen im
Wesentlichen parallel zur Plattenebene und parallel zueinander.
Die Zylinder sind ferner in einem Abstand voneinander angeordnet,
wobei mehrere Lagen aus einem Abstandsmaterial derart verwendet
werden, dass jede Schicht aus Abstandsmaterial wechselweise über
bzw. unter die Zylinder in ihrer betreffenden Lage gewickelt ist.
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Diese
Anordnung der Füllelemente hat allerdings den Nachteil,
dass besonders bei modernen, hochharten Geschosskernen, insbesondere
bei vielen Treffern mit geringem Abstand (sog. „Mulit-Hit"), ein
vorgezogener Bruch auftreten kann, so dass Durchschüsse
auftreten können.
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Die
DE 10 2005 050 981
A1 beschreibt eine ebene Verbundpanzerplatte zum Schutz
vor Geschossen, welche mindestens eine Lage aus hochharten, stabförmigen
Elementen enthält, die in Reihen nebeneinander in der Platte
derart angeordnet sind, dass ihre Längsachsen im Wesentlichen
parallel zur Plattenebene und parallel zueinander liegen, wobei
eine Reihe zumindest zwei in axialer Richtung hintereinander liegende,
stabförmige Elemente aufweist, und wobei die Fugen zwischen
den stabförmigen Elementen innerhalb einer Reihe bezüglich
der Fugen zumindest einer benachbarten Reihe in axialer Richtung
versetzt angeordnet sind. In einer besonderen Ausgestaltung weist
die Mehrzahl der stabförmigen Elemente zur Schockdämpfung
an einem Ende konvex gewölbte oder kegelförmig
nach außen gerichtete Stirn flächen und am anderen,
gegenüberliegenden Ende entsprechend konkav bzw. kegelförmig
nach innen gerichtete Stirnflächen auf, so dass ein Ineinandergreifen
der stabförmigen Elemente erreicht wird.
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In
der zum Zeitpunkt der Anmeldung noch nicht veröffentlichten
deutschen Patentanmeldung
DE
10 2006 053 047.0 wird eine Verbundpanzerplatte zum Schutz
vor Geschossen offenbart, welche mindestens eine Lage aus Wirkkörpern
enthält, die in Reihen nebeneinander in der Platte angeordnet
sind und die in ein Matrixmaterial eingebettet sind, wobei die Wirkkörper
einer Reihe zumindest teilweise durch Stege kettenförmig
fest miteinander verbunden sind. Der in der Anmeldung beschriebene
Grundgedanke ist, die Wirkkörper mit insbesondere kurzen
und schmalen Stegen zu längeren Reihen zu verbinden und
somit einfach herstellbare Wirkkörperketten zu schaffen.
Diese sind im Rahmen der Herstellung der Verbundpanzerplatte einfacher
zu handhaben, da durch die Reduzierung der Teileanzahl wesentlich weniger
Arbeitsschritte notwendig sind. Zudem brauchen keine schockdämpfenden
Materialien mehr zwischen die Wirkkörper eingebracht zu
werden, da die Stege einen Minimalspalt zwischen den Wirkkörpern sicherstellen
und damit eine Schockdämpfung mittels der Stege bzw. dem
Matrixmaterial in den Spalten zwischen den Wirkkörpern
erfolgt.
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Verbundpanzerungselemente
werden häufig nachträglich als Zusatzpanzerung
auf bereits bestehende Panzerungen beispielsweise eines Kampffahrzeugs
aufgebracht, um dem zu schützenden Objekt eine erhöhte
Sicherheit gegen Angriffe zu geben.
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Nachteilig
an den bekannten Verbundpanzerungselementen, die, über
die Fläche gesehen, eine aus einem homogenen Aufbau resultierende
konstante Schutzwirkung aufweisen, ist, dass fahrzeugspezifische
Gegebenheiten nur unzureichend berücksichtigt werden können.
So kann die zu schützende Fläche ballistisch schwächere
oder stärkere Berei che aufweisen. Ein ballistisch schwächerer
Bereich kann beispielsweise im Bereich einer Schweißnaht
auftreten. Ein ballistisch stärkerer Bereich kann beispielsweise
daraus resultieren, dass in diesem Bereich bereits eine erhöhte
Schutzwirkung durch eine Blechdoppelung o. Ä. vorliegt.
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Damit
keine ballistischen „Löcher" entstehen, wurden
bislang die Verbundpanzerungselemente auf die schwächste
Stelle in den einzelnen Bedrohungsflächen ausgelegt, wodurch
sie an anderen Bereichen überdimensioniert waren, woraus
ein unnötig erhöhtes Gesamtgewicht resultierte.
Eine weitere Möglichkeit bestand darin, die Anzahl der
Verbundpanzerungselemente auf Grund des unterschiedlichen Schutzbedarfs
individuell zu erhöhen. Durch diese Erhöhung entsteht
jedoch eine zerklüftete Oberfläche mit vielen
ballistisch und optisch ungünstigen Kanten und Rändern.
Ferner wurden Mischungen aus verschiedenen, bekannten Schutzkonzepten wie
die Mischung von Metallpanzerplatten mit Verbundpanzerplatten eingesetzt,
wobei bei ebenfalls erhöhtem Gewicht ein größerer
logistischer und fertigungstechnischer Aufwand notwendig ist.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, für ein zu schützendes
Objekt einen Schutz mit einer hohen Schutzwirkung bei geringem Gewicht
zu erzielen.
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Die
Erfindung löst die Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden
Teils des Patentanspruchs 1 sowie mit den Merkmalen der Patentansprüche
13 und 14. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil der abhängigen
Ansprüche.
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Es
ist ein Grundgedanke der Erfindung, dass die Schutzwirkung des Verbundpanzerungselements an
die bei dem zu schützenden Objekt vorliegenden Gegebenheiten
angepasst ist. Dies wird dadurch er reicht, dass das flächige
Verbundpanzerungselement mindestens einen zusammenhängenden,
sich über die gesamte Dicke d des Verbundpanzerungselements
erstreckenden Teilausschnitt, in dem sich mindestens ein vollständiger
Wirkkörper befindet, aufweist, in dem die kumulierte Masse
der sich in dem Teilausschnitt befindenden Wirkkörper gegenüber
einem sich über die gesamte Dicke d des Verbundpanzerungselements
erstreckenden Referenz-Teilausschnitt der gleichen Ausdehnung in
Richtung der Länge und Breite verändert ist, so
dass sich in dem Teilausschnitt eine veränderte Schutzwirkung
ergibt, wobei Randbereiche des Verbundpanzerungselements unberücksichtigt
bleiben. Insbesondere ist in dem Teilausschnitt das Verhältnis
der kumulierten Masse der sich in dem Teilausschnitt befindenden Wirkkörper
zur Masse des Matrixmaterials in dem Teilausschnitt verändert.
Die kumulierte Masse ergibt sich aus der Addition der einzelnen
Massen der Wirkkörper, die sich in dem Teilausschnitt befinden.
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Es
besteht somit die Möglichkeit, über die gesamte
zu schützende Fläche eine gleich bleibend hohe
Schutzwirkung bei geringem Gesamtgewicht zu erzeugen. Das Verbundpanzerungselement
kann folglich auch große, uneinheitliche Flächen
schützen, so dass die Anzahl der an einem zu schützenden
Objekt angeordneten benötigten Verbundpanzerungselemente
gering gehalten werden kann. Zudem ist keine aufwändige
Mischfertigung verschiedener Schutzkonzepte notwendig.
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Die
Ausdehnung in Länge und Breite des Teilausschnitts ist
ebenso wenig begrenzt wie die Anzahl der Teilausschnitte. Damit
jedoch eine nennenswerte Veränderung der Schutzwirkung
eintritt, sollte der Teilausschnitt mindestens eines Fläche
in Länge und Breite von 5 cm2 aufweisen.
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Eine
Veränderung des Wirkkörpervolumens kann auf verschiedene
Arten realisiert werden. Fertigungstechnisch vorteilhafte Ausführungen
können dadurch erreicht werden, dass die Höhe
der Wirkkörper oder die Anzahl der Wirkkörper
in dem Teilausschnitt verändert wird.
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Weitere
Möglichkeiten bestehen darin, in dem Teilausschnitt Wirkkörper
eines anderen Materials mit einer veränderten Dichte oder
Härte einzubringen oder die Packungsdichte der Wirkkörper
zu erhöhen. Besonders vorteilhaft erweist sich die Erhöhung
der Härte der Wirkkörper. Es ist auch möglich, einen
einzelnen Wirkkörper aus zwei oder mehr Materialien herzustellen.
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Die
genannten Maßnahmen können auch kombiniert eingesetzt
werden.
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Bevorzugt
ist in dem Teilausschnitt die Höhe mindestens eines Wirkkörpers
gegenüber der Höhe eines sich außerhalb
des Teilausschnitts befindenden Wirkkörpers verändert,
wobei die Höhe der Wirkkörper in dem Teilausschnitt
nicht konstant sein muss. Die Veränderung ist entsprechend
dem lokalen Schutzbedarf der zu schützenden Fläche
ausgestaltet, wobei die Veränderungen in der Höhe
in dem Bereich von 1% bis 500% liegen können, wobei sich insbesondere
der Bereich von 50% bis 200% als günstig erwiesen hat.
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Eine
Veränderung der Anzahl der Wirkkörper in einem
Teilausschnitt kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass in
dem Teilausschnitt eine veränderte Anzahl an Lagen von
Wirkkörpern vorliegt. Vorzugsweise weist das Verbundpanzerungselement mindestens
zwei Lagen auf, wobei dann die untere Lage vollständig
und mindestens eine darüber liegende Lage im Bereich des
Teilausschnitts unvollständig besetzt ist. Somit ist in
dem Teilausschnitt die Anzahl der übereinander liegenden
Wirkkörper verringert. Analog hierzu kann zur lokalen Erhöhung
der Schutzwirkung in dem Teilausschnitt eine zusätzliche Lage
eingebracht werden.
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Bevorzugt
weist das Verbundpanzerungselement auf der der Bedrohung zugewandten
Seite ein ebene Fläche auf. Durch die Erfindung kann zudem ein
optisch einheitliches Bild der verwendeten Schutzelemente bei hohem
Schutzdeckungsgrad erreicht werden.
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Es
sind vielfältige Ausgestaltungen hinsichtlich des Aufbaus
des Verbundpanzerungselements und der einzelnen Wirkkörper
möglich. In der bereits genannten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2005 050 981
A1 sowie in der noch nicht veröffentlichten deutschen
Patentanmeldung
DE 10 2007
019 392.2 werden vorteilhafte Ausgestaltungen von Verbundpanzerungselementen
beschrieben, die auch in vorteilhafter Weise bei der vorliegenden
Erfindung angewendet werden können, so dass diese Ausführungsformen
und Kombinationen hiervon mit den entsprechenden Vorteilen hiermit
vollumfänglich einbezogen werden, insbesondere die Ausgestaltung
der stabförmigen Geometrie und Größe
der einzelnen Wirkkörper, die Ausgestaltung der Stirnflächen
der Wirkkörper, die verwendeten Materialien der Wirkkörper
und des Matrixmaterials, der Maßnahmen zur Schockdämpfung,
die Anordnung der Wirkkörper zueinander und der Aufbau
der Verbundpanzerplatte.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Wirkkörper
einer Reihe zumindest teilweise durch Stege kettenförmig
oder matrizenförmig miteinander fest verbunden. Eine solche
vorteilhafte Ausgestaltung der Wirkkörper wird in der bereits
genannten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2006 053 047.0 beschrieben.
Sämtliche Ausführungsformen und Kombinationen
der dort beschriebenen Verbundpanzerplatte mit den entsprechenden
Vorteilen können auch in vorteilhafter Weise bei der vorliegenden
Erfindung angewendet werden, so dass diese Ausführungsformen
hiermit vollumfänglich einbezogen werden, insbesondere
die Ausgestaltung der Geometrie und Größe der
einzelnen Wirkkörper, die Ausgestaltung der Stege der Wirkkörperketten,
bzw. Wirkkörpermatrizen, die Ausgestaltung der Stirnflächen
der Wirkkörper, die verwendeten Materialien der Wirkkörper
und des Matrixmaterials, die Maßnahmen zur Schockdämpfung,
der Anordnung der Wirkkörper zueinander und der Aufbau
der Verbundpanzerplatte. Ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren wird
zudem in der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 102 007 007 225.4 beschrieben,
deren Inhalt hiermit vollumfänglich in die vorliegende
Anmeldung einbezogen wird.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist dem Matrixmaterial
mindestens ein zusätzlicher Füllstoff, insbesondere
aus einem metallischen oder nicht metallischen Feststoff, beigegeben.
Bevorzugt werden hiermit die Teilausschnitte ausgefüllt,
in denen die kumulierte Masse, insbesondere die Höhe, der
Wirkkörper verringert ist. Durch den Füllstoff
kann das Gewicht des Matrixmaterials verringert werden. Bevorzugt
weist der Füllstoff aus diesem Grund eine Dichte von weniger
als 3 g/cm3 auf, da er somit leichter als
gängige Matrixmaterialien ist.
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Eine
Gewichtsreduzierung kann zudem dadurch erreicht werden, dass der
Füllstoff schaumförmig (z. B. Polyurethanschaum),
wabenförmig (z. B. Kunststoff-Honeycomb), pulverförmig
(z. B. Mikroglaskugeln, Mikrohohlglaskugeln oder Kreidepulver) oder
faserförmig (z. B. Kurzfasern aus Glas, Kohlenstoff oder
Aramid) ist, wobei er auch flüssig oder gasförmig
sein kann.
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Um
eine mechanische Bearbeitung des Verbundpanzerungselements zu ermöglichen,
können in einem Teilausschnitt anstelle von hochharten
Wirkkörpern auch weichere Wirkkörper beliebiger
Geometrie, z. B. aus Kunststoff, verwendet werden. Somit ist es
später beispielsweise möglich, Bohrungen durch
das Panzerungselement zu bringen.
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Die
Erfindung umfasst zudem ein Fahrzeug, insbesondere ein Kampffahrzeug,
mit einer zu schützenden Fläche, die mindestens
einen ballistisch schwächeren oder stärkeren Bereich
aufweist, wobei an der zu schützenden Fläche zum
Schutz ein erfindungsgemäßes Verbundpanzerungselement
angeordnet ist, wobei der Teilausschnitt, in dem die kumulierte
Masse der sich in dem Teilausschnitt befindenden Wirkkörper
vergrößert bzw. verkleinert ist, den ballistisch
schwächeren bzw. stärkeren Bereich schützt.
Auf Grund der lokal variierbaren Schutzwirkung können fahrzeugspezifische
Gegebenheiten in den einzelnen Verbundpanzerungselementen berücksichtigt
werden. Hierbei können beispielsweise Fahrzeugkomponenten
wie Sicherungs- und Schaltkästen, Verkleidungen etc. in
der Schutzkonzeption mit ihrer ballistischen Leistung berücksichtigt
werden. Je nach Gegebenheit besteht somit die Möglichkeit,
ballistische Schwachstellen wie Schweißnähte stärker
zu panzern und bereits gut geschützte Stellen mit einem
schwächeren Schutz zu versehen.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines
Verbundpanzerungselements sieht vor, dass bei der Herstellung die
mit dem Verbundpanzerungselement zu schützende Fläche
derart berücksichtigt wird, dass die Wirkkörper
derart in das Verbundpanzerungselement eingebracht werden, dass
in dem Teilausschnitt des Verbundpanzerungselements, der einen ballistisch
schwächeren oder stärkeren Bereich der zu schützenden
Fläche schützt, die kumulierte Masse der sich
in dem Teilausschnitt befindenden Wirkkörper vergrößert
bzw. verkleinert wird.
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Mögliche
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der 1 und 3 beschrieben.
Es zeigen:
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1 ein
Verbundpanzerungselement mit höhenangepassten Wirkkörpern
in einer Schnittansicht;
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2 das
Verbundpanzerungselement nach 1 in der
Draufsicht und
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3 ein
Verbundpanzerungselement mit mehreren Lagen von Wirkkörpern
in einer Schnittansicht.
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In
den 1 und 2 ist eine Verbundpanzerplatte
als flächiges Verbundpanzerungselement 10 der
Länge l, Breite b und der über die Länge
und Breite konstanten Dicke d dargestellt. In dem Verbundpanzerungselement 10 ist
eine Lage von mehreren, in Reihen hintereinander liegenden Wirkkörpern 11 angeordnet,
wobei die Wirkkörper 11 über Stege 16 zu
Wirkkörperketten zusammengefügt sind. In weiten
Teilen des Verbundpanzerungselements 10 sind Wirkkörper 11b angeordnet,
die eine Höhe h2 aufweisen. Die Wirkkörper 11 sind
in ein polymeres Matrixmaterial 12 eingebettet, welches
mit zusätzlichen Füllstoffen angereichert ist.
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Das
Verbundpanzerungselement 10 ist auf einer zu schützenden
Fläche 13 eines nicht weiter dargestellten Kampffahrzeugs
angeordnet. Die Fläche 13 setzt sich aus zwei
zusammengeschweißten Elementen aus Panzerstahl zusammen,
wobei durch die Schweißnaht 14 eine ballistisch
schwache Stelle entsteht. Aus diesem Grund weist das Verbundpanzerungselement 10 in
diesem Bereich eine erhöhte Schutzwirkung auf. Dies wird
dadurch erreicht, dass in dem Teilausschnitt T1, der sich über
die gesamte Dicke d des flächigen Verbundpanzerungselements 10 erstreckt,
die Wirkkörper 11a eine Höhe h1 aufweisen,
die größer ist als die Höhe h2 der Wirkkörper in
dem sich ebenfalls über die gesamte Dicke d erstreckenden
Referenz-Teilausschnitt T2, der zudem die gleiche Ausdehnung in
Länge und Breite aufweist wie der Teilausschnitt T1.
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Somit
ist die kumulierte Masse, die sich aus den Massen der einzelnen,
sich in dem Teilausschnitt T1 befindenden Wirkkörpern 11a ergibt,
der Wirkkörper 11a in dem Teilausschnitt T1 gegenüber
der kumulierten Masse der Wirkkörper 11b, die
sich in dem Referenz-Teilbereich T2 befinden, verändert,
so dass sich eine veränderte Schutzwirkung ergibt.
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In
einem Bereich ist die Fläche 13 durch eine zusätzliche
Panzerplatte 15 verstärkt, so dass dieser Bereich
ballistisch stärker ist. Aus diesem Grund ist an dieser
Stelle nur eine geringere Schutzwirkung des Verbundpanzerungselements 10 notwendig,
welches deshalb in dem Teilausschnitt T3 Wirkkörper 11c beinhaltet,
die eine etwa halb so große Höhe h3 aufweisen
wie die Wirkkörper 11b mit der Höhe h2 aus
dem Referenz-Teilbereich T2.
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Nach
außen hin ist wegen der ebenen Abschlussfläche 17 der
inhomogene Aufbau des Verbundpanzerungselements 10 mit
lokal unterschiedlicher, an die zu schützende Fläche 13 angepasste Schutzwirkung
nicht erkennbar, so dass sich eine optisch einheitliche sowie ballistisch
günstige Ausgestaltung ergibt.
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Die 3 zeigt
in einer Schnittansicht eine zweite erfindungsgemäße Ausgestaltung
eines flächigen Verbundpanzerungselements 20 mit
einer Dicke d, welches auf eine aus zwei verschweißten
Panzerplatten zusammengesetzte zu schützende Fläche 23 eines
nicht weiter dargestellten Fahrzeugs aufgebracht ist.
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Das
Verbundpanzerungselement 20 weist mehrere Lagen von versetzt übereinander
angeordneten Wirkkörpern 21 der Höhe
h auf, die innerhalb einer Lage über Stege 26 zu
Wirkkörperketten verbunden sind.
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Über
dem ballistisch schwachen Bereich der Schweißnaht 24 weist
das Verbundpanzerungselement 20 einen sich über
die Dicke d erstreckenden Teilausschnitt T4 auf, in dem eine zusätzliche,
dritte Lage an Wirkkörpern 21 angeordnet ist,
so dass sich eine erhöhte Schutzwirkung ergibt. Somit ist
in dem Teilausschnitt T4 die kumulierte Masse der in dem Teilausschnitt
T4 angeordneten Wirkkörper 21 gegenüber
der Masse der in einem sich über die gesamte Dicke d erstreckenden
Referenz-Teilausschnitt T5 der gleichen Ausdehnung in Längen-
und Breitenrichtung angeordneten Wirkkörper 21 verändert,
wobei die Masse, das Volumen und das Material jedes einzelnen Wirkkörpers 21 unverändert
ist.
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Bei
der Herstellung des Verbundpanzerungselements 20, bei der
die zu schützende Fläche 23 bereits berücksichtigt
wird, werden die Wirkkörper 21 zunächst
aufgereiht und mit einem Matrixmaterial vergossen. Dadurch, dass
im Teilausschnitt T4 eine zusätzliche Lage an Wirkkörpern 21 eingebracht
wird und das Verbundpanzerungselement 20 eine ebene Abschlussfläche 27 aufweisen
soll, entstehen Hohlräume.
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Diese
Hohlräume werden mit einem besonders leichten Matrixmaterial,
welches durch Füllstoffe mit einer geringen Dichte angereichert
wurde, aufgefüllt, so dass sich das Gesamtgewicht reduziert.
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Die
Füllstoffe werden dem meist 2-komponentigen Matrixmaterial
nach dem Mischen als dritte Komponente beigegeben. Dies vermeidet
Mischfehler und erzeugt ein gleichmäßig mit Füllstoff
durchzogenes, homogenes Matrixmaterial.
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In
einer nicht dargestellten Ausführung sind die Wirkkörper
in einem Teilbereich, der einen ballistisch stärkeren Bereich überdeckt,
aus Kunststoff hergestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1578324
A1 [0003]
- - DE 102005050981 A1 [0005, 0021]
- - DE 102006053047 [0006, 0022]
- - DE 102007019392 [0021]
- - DE 102007007225 [0022]