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Die Erfindung betrifft ein Panzerungsbauteil für Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Panzerungsbauteils für Fahrzeuge gemäß der Patentansprüche 11 und 12.
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Bei kriegerischen Auseinandersetzungen oder auch im Personenschutz kommen Fahrzeuge zum Einsatz, die durch zusätzliche Panzerungsbauteile ausgestattet sind, um einen erhöhten Schutz vor Beschuss durch Hartkerngeschosse oder Hochgeschwindigkeits-Weichkerngeschosse zu bieten.
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Zumeist werden entsprechende Panzerungsbauteile aus höchstfesten Stählen hergestellt. Nachteilig bei diesen Stahllegierungen ist das zumeist hohe Gewicht und die hohe Sprödigkeit des Werkstoffes. Letztere führt dazu, dass sich beim Einschlag eines Geschosses auf der dem Geschoss abgewandten Seite des Panzerungsbauteils sich Splitter lösen können, die dann wiederum die Fahrzeuginsassen verletzen können.
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Durch die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen im Bereich der Fahrzeugpanzerungen ist es möglich, deren Gewicht stark zu reduzieren. Als Faserwerkstoff kommt hier bevorzugt Aramid zum Einsatz. Faserverbundbauteile aus Aramidfasern und einer thermoplastischen oder duroplastischen Matrix kommen als unterstützendes Bauteil zusätzlich zu einer Stahlpanzerung zum Einsatz. Die Faserverbundbauteile liegen dann als sogenanntes Backing als unterstützende zusätzliche Lage an dem Stahlbauteil an. Sie sind dabei auf der dem Geschoss abgewandten Seite des Stahlbauteils angebracht und haben die Aufgabe, Absplitterungen oder durchbrechende Geschossbestandteile abzufangen.
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Zusätzlich ist es bekannt, ballistisch wirksame Materialien, wie etwa Silizium, Siliziumkarbid, Borkarbid oder Aluminiumoxid in pulverförmiger oder granularer Form in die Matrixmaterialien einzuarbeiten und zusammen mit geeignetem Fasermaterial zu einem Panzerungsbauteil aus Faserverbundwerkstoff zu verarbeiten.
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Eine solche Anwendung wird in der
DE 103 30 166 A1 offenbart. Hier werden Hohlstrukturen der Karosserie eines gepanzerten Fahrzeuges, beispielsweise A-Säule, B-Säule, Längsträger oder Schweller mit einer Füllung versehen, die zumindest teilweise ein ballistisch wirksames Material aufweist. Die Füllung kann dabei aus einzelnen Schichten bestehen, die teilweise aus Kunststoffmaterial bestehen, das faserverstärkt ist, aber auch aus Kunststoffmaterial, in dem das ballistisch wirksame Material gebunden ist. Es ist auch möglich, dass das Fasermaterial zusammen mit dem ballistisch wirksamen Material gemeinsam in dem Kunststoffmaterial vorliegt.
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Nachteilig ist hier allerdings, dass zum einen die entsprechenden Hohlstrukturen aufwendig befüllt werden müssen. Das Kunststoffmaterial bildet mit dem Fasermaterial und dem ballistisch wirksamen Material eine breiige Masse, so dass die Gefahr von Lufteinschlüssen besteht. Außerdem ist nachteilig, dass nur die bereits vorhandenen Hohlstrukturen der Karosserie für die Befüllung genutzt werden können. Man ist also in der Gestaltung der Fahrzeugpanzerung sehr unflexibel und kann das unterstützende Faserverbundmaterial nicht an beliebigen Stellen einsetzen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Panzerungsbauteil vorzuschlagen, das gegenüber dem Stand der Technik einen verbesserten Schutz bei Beschuss gewährleistet und außerdem variabel an der Karosserie eines Fahrzeugs eingesetzt werden kann.
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Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung solcher Panzerungsbauteile vorzustellen, das gewährleistet, dass die Panzerungsbauteile variabel und an ihren Einsatzort angepasst gestaltet werden können, und außerdem kostengünstig ist.
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Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird gelöst durch ein Panzerungsbauteil für Fahrzeuge gemäß Patentanspruch 1.
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Besondere Ausgestaltungen des Panzerungsbauteils sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 10.
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Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird gelöst durch Verfahren zur Herstellung eines Panzerungsbauteiles für Fahrzeuge gemäß der beiden nebengeordneten Ansprüche 11 und 12.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Panzerungsbauteil für Fahrzeuge, das zumindest ein erstes Element aus einem Faserverbundwerkstoff und zumindest ein zweites Element aus einem metallischen Werkstoff aufweist. Diese beiden Elemente sind vollflächig in Anlage, wobei das erste Element aus einem Faserverbundwerkstoff zumindest ein Fasermaterial, ein Matrixmaterial und zumindest einen als Granulat vorliegenden Werkstoff aufweist. Fasermaterial und Granulat liegen dabei gemeinsam in dem Matrixmaterial eingebunden vor. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element aus einem Faserverbundwerkstoff vom Fahrzeuginnenraum aus gesehen zur Fahrzeugaußenseite hinweisend an dem zweiten Element angebracht ist und dass das Fasermaterial als Kurzfaser mit einer Länge von 5 bis 30 mm und das Granulat mit einer Korngröße von 100 bis 2500 μm vorliegt.
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Ein erfindungsgemäßes Panzerungsbauteil besteht demnach aus zumindest zwei Elementen. Das erste Element aus einem Faserverbundwerkstoff ist vom Fahrzeuginnenraum aus gesehen zur Fahrzeugaußenseite hinweisend angebracht. Das bedeutet, dass ein eindringendes Geschoss zunächst auf das Element aus Faserverbundwerkstoff trifft, bevor es mit dem Element aus einem metallischen Werkstoff kollidiert. Der Faserverbundwerkstoff besteht aus einem Matrixmaterial, bei dem es sich um handelsübliche, duroplastische oder thermoplastische Matrixmaterialien handelt sowie einem Fasermaterial und einem als Granulat vorliegenden Werkstoff.
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Das Fasermaterial kann beispielsweise aus Kohle-, Glas-, Aramid- oder Naturfasern bestehen. Das Fasermaterial liegt als Kurzfaser vor, wobei die einzelnen Fasern eine Länge von 5 bis 30 mm besitzen.
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Der als Granulat vorliegende Werkstoff ist ein Hartstoff wie beispielsweise Silizium, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid oder Borkarbid. Die einzelnen Granulatkörner besitzen eine Korngröße von 100 bis 2500 μm vor.
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Dringt nun ein Geschoss, bei dem es sich beispielsweise um ein Hartkerngeschoss oder ein Hochgeschwindigkeits-Weichkerngeschoss handeln kann, in das erste Element aus einem Faserverbundwerkstoff ein, so wird seine Geschwindigkeit und damit die kinetische Energie des Geschosses, durch die zwischen Geschoss und dem als Granulat vorliegenden Werkstoff auftretende Reibung sehr stark reduziert.
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Das Geschoss erleidet durch die Reibung mit den granularen Körnern eine starke Riefenbildung. Es kann sogar geschehen, dass sich einzelne Teile des Geschosses ablösen oder das gesamte Geschoss zerbrochen wird.
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Die Restenergie des Geschosses oder der Geschosssplitter reicht beim Einschlag in das Element aus einem metallischen Werkstoff nicht mehr aus, um dieses Element zu durchschlagen. Auch die Ablösung von Metallsplittern auf der dem Fahrzeuginnenraum zugewandten Seite des Elements aus einem metallischen Werkstoff wird somit vermieden. Es kommt im schlimmsten Fall lediglich zu einer geringfügigen plastischen Verformung des metallischen Werkstoffs und die Fahrzeuginsassen können nicht durch abgelöste Splitter oder das Geschoss selbst verletzt werden.
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Der Faserverbundwerkstoff besitzt eine mittlere Dichte von 1 bis 3 g/m3, wobei hier über die Dichten der einzelnen Bestandteile gemittelt wurde, und ist somit sehr leicht bei hoher Widerstandskraft.
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Ein erfindungsgemäßes Panzerungsbauteil ist nicht auf eine Ausgestaltung aus lediglich zwei Elementen beschränkt. Es können auch mehrere Elemente aus Faserverbundwerkstoff und mehrere Elemente aus metallischem Werkstoff zum Einsatz kommen. Diese können beispielsweise in abwechselnden Lagen nacheinander angeordnet sein.
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Es ist auch möglich, dass ein erstes Element aus einem Faserverbundwerkstoff mit mehreren Elementen aus metallischem Werkstoff verbunden ist, wobei die Elemente aus metallischem Werkstoff nebeneinander vollflächig in Anlage mit dem Element aus Faserverbundwerkstoff sind.
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Ebenso kann eine umgekehrte Anordnung ausgeführt sein, in der mehrere Elemente aus Faserverbundwerkstoff vollflächig in Anlage mit einem Element aus einem metallischen Werkstoff sind.
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Das Element aus einem metallischen Werkstoff kann auch aus zwei einzelnen Blechen bestehen, die beispielsweise schweißtechnisch miteinander verbunden worden sind. In diesem Falle erweist sich das erfindungsgemäße Panzerungsbauteil als besonders vorteilhaft. Eine Schweißstelle ist durch die eingebrachte Wärme immer eine Schwachstelle für eine Fahrzeugpanzerung. Im Bereich einer Schweißstelle sind Festigkeit und Härte von vergütetem Stahl durch die eingebrachte Wärme zumeist stark herabgesetzt. Das Material ist an dieser Stelle weicher und daher stärker der Gefahr ausgesetzt, von einem Geschoss durchschlagen zu werden. Das erste Element aus Faserverbundwerkstoff kann also gerade an solchen Schwachstellen der Fahrzeugpanzerung angebracht werden, um die Energie der eintreffenden Geschosse so stark herabzusetzen, dass selbst das relativ weiche Material an diesen Stellen nicht zerschlagen werden kann.
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In einer besonderen Ausgestaltung des Panzerungsbauteils ist das Fasermaterial omnidirektional ausgerichtet und bildet eine dreidimensionale Struktur.
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Die Kurzfasern des Fasermaterials sind dann nicht unidirektional, d. h. in einer Vorzugsrichtung ausgerichtet. Im Gegenteil ist ihre Ausrichtung omnidirektional, das bedeutet zufällig in alle drei Raumrichtungen verteilt, so dass sich über das gesamte Volumen des Elements aus einem Faserverbundwerkstoff eine dreidimensionale Faserstruktur ausbildet. Die einzelnen Kurzfasern können sich dabei untereinander verknoten, Schleifen bilden, aneinander anliegen oder auch ein Wirrfaser-Vlies bilden. Das Granulat ist zwischen den einzelnen Fasern gleichmäßig verteilt in das Matrixmaterial eingebunden.
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Es hat sich herausgestellt, dass bei Beschussuntersuchungen erfindungsgemäßer Panzerungsbauteile durch omnidirektional ausgerichtetes Fasermaterial die besten Schutzeigenschaften bei Beschuss erzielt werden konnten.
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Bei Betrachtung des Gesamtvolumens des Elements aus Faserverbundwerkstoff sind die Kurzfasern homogen verteilt. Das bedeutet, dass die Gesamtanzahl an Fasern pro Volumen über das Gesamtvolumen überall gleich ist. Lokal hingegen sind die Fasern unregelmäßig dreidimensional ausgerichtet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Faserverbundwerkstoff durch ein Sprühverfahren hergestellt. Dabei werden Fasermaterial, Granulat und Matrixmaterial durch eine Sprühvorrichtung gemeinsam auf dem Element aus metallischem Werkstoff abgelegt. Die Kurzfasern des Fasermaterials werden dabei zufällig angeordnet, so dass sie die eben beschriebene dreidimensionale Strukturierung erhalten.
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Die Anwendung eines Sprühverfahrens beinhaltet auch den Vorteil, dass der Faserverbundwerkstoff beliebig geformt werden kann. Dickenvariationen sind ohne Probleme herzustellen und auch komplexer geformte Elemente aus metallischem Werkstoff können sehr leicht mit dem Faserverbundwerkstoff versehen werden.
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Es ist auch möglich, die Elemente aus Faserverbundwerkstoff zunächst separat herzustellen, beispielsweise auf einer Vorform und nach dem Aushärten des Matrixmaterials mit dem Element aus metallischem Werkstoff beispielsweise klebetechnisch oder schraubtechnisch zu verbinden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der Faserverbundwerkstoff durch einen Pressprozess hergestellt wird. In diesem Fall werden Fasermaterial, Matrixmaterial und der als Granulat vorliegende Werkstoff vermengt und der so vorliegende Faserverbundwerkstoff in eine Pressvorrichtung verbracht. Der Formhohlraum der Pressvorrichtung entspricht dann der äußeren Form des Elements aus Faserverbundwerkstoff.
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Auch hier kann das Element aus Faserverbundwerkstoff zunächst alleine hergestellt werden und später mit dem Element aus metallischem Werkstoff verbunden werden.
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Ebenso kann aber das Element aus einem metallischen Werkstoff zusammen mit dem Faserverbundwerkstoff in die Pressvorrichtung eingebracht werden, so dass auf diesem Wege das gesamte Panzerungsbauteil in einem Pressvorgang erzeugt werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Granulat um eine keramische Verbindung. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um eine Siliziumkarbidverbindung.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem metallischen Werkstoff für das zweite Element um einen Panzerungsstahl. Panzerungsstähle sind Stähle, die zumeist eine hohe Festigkeit aufweisen, so dass sie in der Lage sind, Beschuss oder Ansprengungen zu widerstehen. Panzerstähle werden je nach ihrer Widerstandskraft in Beschussklassen, wie in der
VPAM Prüfrichtlinie APR 2006 vorgeschrieben, eingeteilt. Ein möglicher Stahl, der hier Verwendung finden kann, weist folgende Zusammensetzung, ausgedrückt in Gewichtsprozent, auf:
| 0,35–0,55% | Kohlenstoff |
| 0,1–2,5% | Silizium |
| 0,3–2,5% | Mangan |
| max. 0,05% | Phosphor |
| max. 0,01% | Schwefel |
| max. 0,08% | Aluminium |
| max. 0,5% | Kupfer |
| 0,1–2,0% | Chrom |
| max. 3,0% | Nickel |
| max. 1,0% | Molybdän |
| max. 2,0% | Kobalt |
| 0,001–0,005% | Bor |
| 0,01–0,08% | Niob |
| max. 0,4% | Vanadium |
| max. 0,02% | Stickstoff |
| max. 0,2% | Titan |
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
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Eine weitere Stahllegierung, die hier zum Einsatz kommen kann, weist folgende Zusammensetzung, ausgedrückt in Gewichtsprozent, auf:
| 0,2–0,4% | Kohlenstoff |
| 0,3–0,8% | Silizium |
| 1,0–2,5% | Mangan |
| max. 0,02% | Phosphor |
| max. 0,02% | Schwefel |
| max. 0,05% | Aluminium |
| max. 2% | Kupfer |
| 0,1–0,5% | Chrom |
| max. 2% | Nickel |
| 0,1–1% | Molybdän |
| 0,001–0,01% | Bor |
| 0,01–1% | Wolfram |
| max. 0,05% | Stickstoff |
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind das erste Element aus einem Faserverbundwerkstoff und das zweite Element aus einem metallischen Werkstoff stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die beiden Elemente unabhängig voneinander hergestellt werden und danach durch einen Klebstoff miteinander verbunden werden.
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In einer besonderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das thermoplastische oder duroplastische Matrixmaterial selbst als Klebstoff wirkt. In diesem Falle wird der Stoffschluss beim Aufbringen des Faserverbundwerkstoffes auf das Element aus metallischem Werkstoff und dem danach folgenden Aushärten erzeugt.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Panzerungsbauteils ist vorgesehen, dass metallische Einlagen als Anbindungspunkte schweißtechnisch an dem zumindest einen Element aus metallischem Werkstoff angebunden sind und von dem Faserverbundwerkstoff des ersten Elements umgeben sind.
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Es ist problematisch, Faserverbundwerkstoffe mit weiteren Metallbauteilen zu verbinden, ohne die Faserstruktur zu zerstören. Um ein erfindungsgemäßes Panzerungsbauteil auch an andere Bestandteile der Fahrzeugkarosserie anzubinden, werden metallische Einlagen als Anbindungspunkte vorgesehen. Die metallischen Einlagen können dabei eine Ausdehnung von wenigen Millimetern bis hin zu einigen Zentimetern haben und können in ihrer äußeren Form dem Anwendungsfall angepasst sein.
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Die metallischen Einlagen werden beispielsweise durch ein Punktschweißverfahren an das zweite Element aus einem metallischen Werkstoff angebunden und dann beispielsweise in einem Sprühprozess beim Auftrag des Faserverbundwerkstoffes auf das Element aus metallischem Werkstoff in den Faserverbundwerkstoff eingebettet. Bevorzugt besitzen die metallischen Einlagen die Form eines Diskus. Dadurch wird erreicht, dass durch die Einlage mit dem Element aus metallischem Werkstoff ein Hinterschnitt gebildet wird, der durch Faserverbundwerkstoff aufgefüllt wird.
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Die metallische Einlage kann dann beispielsweise als Schweißpunkt genutzt werden, so dass weitere Karosseriekomponenten schweißtechnisch mit dem Panzerungsbauteil verbunden werden können. Es ist auch möglich, die metallische Einlage mit einem Loch und einem Innengewinde in dem Loch zu versehen, so dass weitere Karosseriekomponenten angeschraubt werden können. Dadurch wird die Variabilität des erfindungsgemäßen Panzerungsbauteils hinsichtlich des Einsatzortes an der Karosserie weiter erhöht.
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Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der metallischen Einlagen ist es, durch die Einlage hindurch das erste Element aus einem Faserverbundwerkstoff mit dem zweiten Element aus einem metallischen Werkstoff zu verschrauben. Somit kann auf eine Klebung zwischen den beiden Elementen verzichtet werden.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines Panzerungsbauteils für Fahrzeuge aus zumindest einem ersten Element aus einem Faserverbundwerkstoff und zumindest einem zweiten Element aus einem metallischen Werkstoff beansprucht. Dieses Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:
- – Bereitstellen von Fasermaterial aus Kurzfasern, einem als Granulat vorliegenden Werkstoff, eines in flüssigem Zustand vorliegenden Matrixmaterials, sowie eines Elementes aus metallischem Material,
- – Zusammenführen und Vermischen des Fasermaterials aus Kurzfasern, des als Granulat vorliegenden Werkstoffes und des in flüssigem Zustand vorliegenden Matrixmaterials zu einem Faserverbundwerkstoff in einer Sprühvorrichtung,
- – Aufsprühen des Faserverbundwerkstoffes auf das zumindest eine Element aus einem metallischen Material,
- – Aushärten des Faserverbundwerkstoffes.
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Die einzelnen Komponenten des Faserverbundwerkstoffes werden zunächst getrennt voneinander bereitgestellt. Bei dem Fasermaterial kann es sich beispielsweise um Aramidfasern, Kohlefasern, Glasfasern oder auch Naturfasern handeln. Diese liegen als Kurzfasern mit einer Länge von 5 bis 30 mm vor. Bei dem als Granulat vorliegenden Werkstoff kann es sich beispielsweise um Silizium, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid oder jede beliebige andere keramische Verbindung handeln. Das Granulat besitzt eine Korngröße von bevorzugt 100 bis 2500 μm. Das Matrixmaterial liegt in flüssigem Zustand vor. Dabei handelt es sich um handelsübliches, thermoplastisches oder duroplastisches Matrixmaterial für Faserverbundwerkstoffe.
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Das metallische Material ist bevorzugt eine Stahllegierung, die geeignet ist für Panzerungsanwendungen. Mit anderen Worten weist sie eine Härte und Festigkeit auf, so dass sie geeignet ist, um Beschuss und/oder Ansprengung zu widerstehen.
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In einer Sprühvorrichtung werden das Fasermaterial aus Kurzfasern, der als Granulat vorliegende Werkstoff und das in flüssigem Zustand vorliegende Matrixmaterial zusammengeführt und miteinander vermischt. Dies kann beispielsweise durch eine Saugvorrichtung geschehen, die die drei Komponenten ansaugt und in einem Luftstrom transportiert. Die drei Komponenten werden dann kurz vor einer Austrittsdüse der Sprühvorrichtung zusammengeführt und miteinander vermischt, so dass sich ein Faserverbundwerkstoff ergibt, in dem die drei Komponenten gleichmäßig verteilt vorliegen. Der Faserverbundwerkstoff wird auf das Element aus metallischem Material aufgesprüht, wobei lokal unterschiedliche Dicken des Faserverbundwerkstoffes sehr einfach hergestellt werden, aber auch Hinterschnitte des Elementes aus metallischem Material äußerst einfach durch den Faserverbundwerkstoff aufgefüllt werden können.
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Es ist möglich, beim Aufsprühen, beliebige dreidimensionale Geometrien aus dem Faserverbundwerkstoff herzustellen. Beim Aufsprühen werden die Kurzfasern zufällig in alle Raumrichtungen zeigend angeordnet und bilden zusammen eine dreidimensionale Faserstruktur. Der als Granulat vorliegende Werkstoff ist zwischen den einzelnen Fasern verteilt und ebenfalls in das Matrixmaterial eingebunden.
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Je nach verwendetem Matrixmaterial kann das Aushärten des Faserverbundwerkstoffes ganz einfach bei Raumtemperatur und Normaldruck geschehen. Es ist aber auch möglich, den Faserverbundwerkstoff beispielsweise in einem Aushärteofen oder einem Aushärtewerkzeug auszuhärten.
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Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Panzerungsbauteils für Fahrzeuge aus zumindest einem ersten Element aus einem Faserverbundwerkstoff und zumindest einem zweiten Element aus einem metallischen Werkstoff sieht folgende Verfahrensschritte vor:
- – Bereitstellen von Fasermaterial aus Kurzfasern, einem als Granulat vorliegenden Werkstoff, eines in flüssigem Zustand vorliegenden Matrixmaterials sowie eines Elementes aus einem metallischen Material,
- – Vermengen des Fasermaterials aus Kurzfasern, das als Granulat vorliegenden Werkstoffes und das in flüssigem Zustand vorliegenden Matrixmaterials zu einem Faserverbundwerkstoff,
- – Pressen des Faserverbundwerkstoffes in einer Pressvorrichtung unter Einfluss von Druck und Wärme zu einem ersten Element des Panzerungsbauteiles,
- – Aushärten des Faserverbundwerkstoffes innerhalb oder außerhalb der Pressvorrichtung,
- – Stoffschlüssiges Verbinden des ersten Elementes aus einem Faserverbundwerkstoff während oder nach dem Pressen oder während oder nach dem Aushärten mit dem zweiten Element aus einem metallischen Material.
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Die Komponenten des Faserverbundwerkstoffes werden in diesem Verfahren zunächst miteinander vermengt. Dies kann händisch geschehen, aber auch automatisiert in einer Rührvorrichtung.
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Die Komponenten werden so lange miteinander vermengt, bis das Fasermaterial aus Kurzfasern, der als Granulat vorliegende Werkstoff und das im flüssigen Zustand vorliegende Matrixmaterial gleichmäßig miteinander vermischt ist. Der so entstehende Faserverbundwerkstoff bildet eine zähe, homogene Masse, die problemlos transportiert und in eine Pressvorrichtung eingebracht werden kann. Der Faserverbundwerkstoff wird dann in einer Pressvorrichtung unter Einfluss von Druck und Wärme zu einem ersten Element des Panzerungsbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff verpresst. Dabei ist es wichtig, dass eventuelle Lufteinschlüsse vollständig aus dem Faserverbundwerkstoff herausgepresst werden, da die dadurch entstehenden Poren die Lebensdauer des Bauteils stark beeinträchtigen.
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In der Pressvorrichtung kann das Element aus Faserverbundwerkstoff für sich alleine hergestellt werden. Es ist aber auch möglich, das Element aus einem metallischen Material mit in die Pressvorrichtung einzulegen und während des Pressens die Elemente stoffschlüssig miteinander zu verbinden.
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Wird das Element aus Faserverbundwerkstoff für sich alleine hergestellt, so muss die Verbindung mit dem zweiten Element aus einem metallischen Werkstoff nach dem Pressen erfolgen, entweder während das Element aus Faserverbundwerkstoff aushärtet oder nach dem Aushärteschritt. In diesem Falle kann eine stoffschlüssige Verbindung der beiden Elemente durch eine Klebung vorgesehen sein.
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Möchte man auf eine Klebung verzichten, können die beiden Elemente beispielsweise auch miteinander verschraubt werden.
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Das Aushärten des Faserverbundwerkstoffes kann je nach verwendetem Matrixmaterial innerhalb der Pressvorrichtung geschehen. Dabei ist es auch möglich, den Aushärtevorgang durch geeignete Temperatureinstellungen und dementsprechende Wärmezufuhr zu optimieren.
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Werden andere Matrixmaterialien verwendet, kann das Aushärten auch außerhalb der Pressvorrichtung geschehen, indem der Faserverbundwerkstoff bei Raumtemperatur an Luft aushärtet.
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Ebenso kann das Element aus Faserverbundwerkstoff in einen separaten Aushärteofen verbracht werden oder in einer zusätzlichen Aushärtevorrichtung aushärten.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus Kombinationen der in den Unteransprüchen genannten Merkmale sowie aus den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen.
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Die 1 bis 3 zeigen schematisch:
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1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Panzerungsbauteil vor Einschlag eines Geschosses;
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2 ein erfindungsgemäßes Panzerungsbauteil beim Einschlag eines Geschosses und
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3 ein erfindungsgemäßes Panzerungsbauteil mit metallischen Einlagen.
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Ein erfindungsgemäßes Panzerungsbauteil 1 wird in 1 dargestellt. Das Panzerungsbauteil 1 besteht aus einem ersten Element 2 aus einem Faserverbundwerkstoff sowie einem zweiten Element 3 aus einem metallischen Werkstoff. Das erste Element 2 aus einem Faserverbundwerkstoff besteht aus einer nicht näher bezeichneten Kunststoffmatrix, bei der es sich um eine handelsübliche, thermoplastische oder duroplastische Matrix handelt. In diese Matrix eingebettet sind Kurzfasern 4, die das Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes darstellen. Die Fasern haben eine Länge von 5 bis 30 mm. Mit eingebunden in das Matrixmaterial ist ein Granulat 5 mit einer Korngröße von 100 bis 2500 μm. Bei diesem Granulat handelt es sich um einen bevorzugt keramischen Werkstoff, beispielsweise Siliziumkarbid.
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Die Kurzfasern 4 sind in diesem Ausführungsbeispiel durcheinander angeordnet. Sie sind in alle Raumrichtungen orientiert, bilden Schleifen und Knoten und überlagern sich gegenseitig. Dadurch erzeugen die Kurzfasern 4 eine dreidimensionale Faserstruktur.
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Das Granulat 5 ist zwischen den Kurzfasern 4 in das Matrixmaterial eingebunden und homogen in dem Matrixmaterial verteilt.
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Das erste Element 2 aus einem Faserverbundwerkstoff ist vom Fahrzeuginnenraum aus gesehen zur Fahrzeugaußenseite hinweisend angebracht. Das bedeutet, dass ein Geschoss 6, das auf das Panzerungsbauteil 1 trifft, zunächst in das Element 2 aus einem Faserverbundwerkstoff eindringt. Diese Situation ist in 2 gezeigt. Beim Eindringen in das Element 2 aus einem Faserverbundwerkstoff verdrängt das Geschoss 6 die Kurzfasern 4 und das Granulat 5.
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Dabei tritt zwischen dem Geschoss 6 und dem Granulat 5 eine starke Reibung auf, die dazu führt, dass das Geschoss 6 abgebremst wird und das Material des Geschosses 6 abgetragen wird. In der Oberfläche des Geschosses 6 entstehen Riefen 7.
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Es ist somit nicht nur möglich, dass das Geschoss 6 lediglich durch das erste Element 2 aus einem Faserverbundwerkstoff abgebremst wird, sondern es können bedingt durch den Materialabtrag sogar einzelne Teile des Geschosses 6 absplittern oder sogar das gesamte Geschoss 6 zerbrechen.
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Dadurch wird die kinetische Energie des Geschosses 6 fast vollständig abgebaut oder auf im Gegensatz zum Geschoss 6 selbst relativ ungefährliche kleine Einzelteile dessen verteilt.
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Trifft nun das Geschoss 6 bzw. seine Einzelteile auf das zweite Element 3 aus einem metallischen Werkstoff, so ist dessen bzw. deren kinetische Energie so gering, dass es idealerweise nicht einmal mehr zu einer Verformung des Elementes 3 aus einem metallischen Werkstoff kommt.
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Im schlimmsten Falle tritt lediglich eine plastische Verformung des Elements 3 aus metallischem Werkstoff auf. Ein Durchbrechen des Elements 3 durch das Geschoss 6 findet in keinem Falle statt. Es wird auch das Ablösen von Splittern auf der dem Element 2 aus Faserverbundwerkstoff abgewandten Seite des Elements 3 aus metallischem Werkstoff vermieden.
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Die Fahrzeuginsassen werden somit vor Beschuss durch Hartkerngeschosse oder Hochgeschwindigkeits-Weichkerngeschosse geschützt.
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Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Panzerungsbauteils 8 wird in 3 dargestellt. Es ist schwierig oder sogar unmöglich, Bauteile aus faserverstärktem Material an andere Bauteile aus metallischem Material anzubinden. Ein Schweißprozess ist so gut wie nicht zu realisieren und bei einer Verschraubung wird durch das Einbringen von Löchern in das Faserbauteil die Faserstruktur lokal zerstört und das Bauteil an dieser Stelle geschwächt.
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In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eines Panzerungsbauteils 8 sind in das erste Element 9 aus einem Faserverbundwerkstoff metallische Einlagen 11, 14 eingebracht. Diese metallischen Einlagen 11, 14 haben die Aufgabe, als Anbindungspunkte zu dienen, um die Verbindung des Panzerungsbauteils 8 mit anderen Karosseriekomponenten zu ermöglichen.
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Die Einlage 11 ist über eine Schweißung 12 mit dem zweiten Element 10 aus einem metallischen Werkstoff verbunden. Die Einlage 11 ist in den Faserverbundwerkstoff des ersten Elements 9 eingebettet. Wie im Querschnitt angedeutet, hat die metallische Einlage 11 die Form eines Diskus. Somit bildet die Einlage 11 Hinterschnitte 18 aus, die mit dem Faserverbundwerkstoff angefüllt sind. Dies trägt zusätzlich positiv zur Verbindung zwischen den beiden Elementen 9, 10 bei. Die Oberfläche 13 der Einlage 11 liegt frei und schließt mit dem Fasermaterial des Elements 9 bündig ab. Durch die freiliegende metallische Oberfläche 13 stehen über das Panzerungsbauteil 8 verteilt Schweißpunkte zur Verfügung, an die andere metallische Karosseriekomponenten angebunden werden können.
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Eine weitere Ausführungsform stellt die metallische Einlage 14 dar. Auch sie hat die Form eines Diskus, besitzt jedoch eine durchgehende Ausnehmung 15, die mit einem Innengewinde versehen ist. Auch die Einlage 14 ist schweißtechnisch mit dem zweiten Element 10 aus einem metallischen Werkstoff verbunden. Das zweite Element 10 besitzt eine Ausnehmung 16 an der Stelle, an der sich die metallische Einlage 14 befindet, so dass die Ausnehmung 15 der Einlage 14 bündig in die Ausnehmung 16 des Elements 10 übergeht. Auch die Ausnehmung 16 ist mit einem Innengewinde versehen. Im hier gezeigten Beispiel ist eine Verschraubung 17 durch die Ausnehmungen 15, 16 geführt, so dass durch die Verschraubung 17 die Elemente 9, 10 miteinander verbunden werden.
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Genauso ist es möglich, dass durch eine dann etwas anders gestaltete Verschraubung 17 ein zusätzliches metallisches Bauteil an das Panzerungsbauteil 8 angebunden wird.
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Durch die Anwendung der metallischen Einlagen kann das Panzerungsbauteil 8 an beliebiger Stelle der Karosserie angebracht werden. Dadurch sind erfindungsgemäße Bauteile 8 äußerst flexibel was ihren Einsatzort am Fahrzeug angeht.
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Die metallischen Einlagen 11, 14 können zudem beliebig auf dem zweiten Element 10 verteilt werden, so dass Schweiß- oder Schraubpunkte höchst variabel gewählt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Panzerungsbauteil
- 2
- erstes Element
- 3
- zweites Element
- 4
- Kurzfaser
- 5
- Granulat
- 6
- Geschoss
- 7
- Riefen
- 8
- Panzerungsbauteil
- 9
- erstes Element
- 10
- zweites Element
- 11
- metallische Einlage
- 12
- Schweißung
- 13
- metallische Oberfläche
- 14
- metallische Einlage
- 15
- Ausnehmung
- 16
- Ausnehmung
- 17
- Verschraubung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- VPAM Prüfrichtlinie APR 2006 [0036]
