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Die Erfindung betrifft eine Schutzplatte nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
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Derartige Schutzplatten kommen z.B. als ballistischer Schutz beispielsweise bei Sonderschutzfahrzeugen wie gepanzerten PKWs, militärischen Fahrzeugen und Personenschutzausrüstungen zum Einsatz.
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Für herkömmliche Karosseriebauteile, besonders mit hohen Anforderungen an den Fußgängerschutz, werden Verfahren zur Erzeugung einer regelmäßigen Wölbungsstruktur mittels Walzen, Prägen oder Innenhochdruckumformung eingesetzt. Solche Bauteile werden hauptsächlich im Frontbereich von Personenkraftwagen (z. B. Motorhaube) zu Unterstützung der glatten Außenstruktur eingesetzt. Diese sollen die Biegesteifigkeit des Bauteils durch die räumliche Struktur verbessern und zu einer definierten Verformung im Falle eines Unfalls beitragen.
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Angewendet werden diese Verfahren ausschließlich bei der Fertigung von Dünnblechteilen mit geringen Festigkeiten.
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Aus der Druckschrift
DE 103 39 069 A1 ist ein pressgehärtetes Bauteil mit einer Wölbstruktur bekannt, welches insbesondere ein Strukturbauteil einer Fahrzeugkarosserie ist, welches lokal eine erhöhte Steifigkeit aufweisen soll. Um eine hohe Bauteilfestigkeit zu erreichen, wird das Bauteil aus einem höherfesten Stahl gefertigt. Zur Ausformung der dreidimensionalen Bauteilform kommt ein Warmumformverfahren zum Einsatz, im Zuge dessen das Bauteil gehärtet wird. Während dieses Warmumformverfahrens wird eine lokale steifigkeitserhöhende Verformungsstruktur in das Bauteil eingeformt, die aus einem periodischen Gitter aneinandergrenzender Zellen besteht. Vorzugsweise besteht die Verformungsstruktur bei dieser Lösung aus einem periodischen Muster flacher hexagonaler Beulen, welche in ihren Randbereichen, in denen sie an benachbarte Beulen angrenzen, mit Verrundungen versehen sind. Das Bauteil weist zumindest lokal Zugfestigkeitswerte von > 900 MPa, vorzugsweise > 1200 MPa auf. Über die Dimensionierung der Verformungsstruktur und die Größe der Verrundungen wird keine Aussage getroffen.
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Dieses Bauteil wird offensichtlich ebenfalls aus einem Dünnblech gefertigt und ist nicht für beschusssichere Fahrzeuge vorgesehen.
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Für beschusssichere Fahrzeuge kommen als Schutzplatten hinter den Karosseriebauteilen meist im Wesentlichen ebene unstrukturierte Platten aus Panzerstahl mit einer großen Blechdicke zum Einsatz, die jedoch ein sehr hohes Gewicht aufweisen. Bei derartigen ebenen, unstrukturierten Platten werden die, durch die Belastung in das Material eingeleiteten elastischen Wellen an der Rückseite reflektiert und laufen im Blech zurück. Dabei kommt es verstärkt zu konstruktiven Interferenzen der hin- und zurücklaufenden Wellen, die in einer überhöhten lokalen Werkstoffbelastung und letztlich im Materialversagen resultieren (siehe 1 nach dem Stand der Technik). Um dennoch einen Durchschuss zu verhindern, wird typischerweise die Materialstärke so gewählt (erhöht), dass trotz der lokal auftretenden Belastungsüberhöhungen durch Interferenzen kein Versagen auftritt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schutzplatte aus metallischen Blechwerkstoffen insbesondere für Sonderschutzfahrzeuge, insbesondere für gepanzerte PKWs, so zu gestalten, dass bei auftretenden hochdynamischen bzw. schlagartigen Belastungen durch Beschuss, Explosion (Blast) oder Unfallszenarien (Crash) keine oder nur geringfügige Interferenzen der elastischen Wellen auftreten und damit ein Bauteilversagen verhindert werden kann, wobei sich diese strukturierten Schutzplatten mit einer im Vergleich zu unstrukturierten Platten homogeneren Materialstruktur und reproduzierbar, verzugsarm fertigen lassen sollen und im Vergleich zu ebenen, unstrukturierten Schutzplatten durch die erhöhte ballistische Halteleistung ein geringeres Gewicht durch geringere Materialstärken aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Schutzplatte für Sonderschutzfahrzeuge besteht aus durchschusshemmendem Stahl und weist erfindungsgemäß eine räumliche Strukturierung aufweist, welche bei einer Impactbelastung im Material der Schutzplatte verlaufende eingeleitete Wellen in einem Winkel, der von 90° abweicht, innerhalb des Materials der Schutzplatte reflektiert.
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Aus der eingeleiteten Welle und der reflektierten Welle entsteht eine resultierende Welle, die sich stark abbaut.
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Dadurch wird die Durchschlagkraft des Projektils erheblich reduziert.
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Die Schutzplatte besteht dabei aus durchschusshemmendem Stahl und weist eine räumliche Strukturierung auf, wobei die Strukturierung aus einer regelmäßigen Anordnung von Kugelsegmenten besteht. Die Tiefe (Ziehtiefe) der Kugelsegmente entspricht 0,5 bis 1,5-mal einer Plattenstärke der Schutzplatte.
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Jedes Kugelsegment der Strukturierung weist einen Mittelpunkt aufweist, wobei die Mittelpunkte dreier aneinander angrenzender Kugelsegmente auf einer Ebene ein gleichseitiges Dreieck mit einer Kantenlänge bilden und dieses Dreieck einen kleinsten sich wiederholenden Strukturbaustein bildet.
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Jedes Kugelsegment weist einen Kugelradius auf.
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Die Kugelsegmente aus Richtung einer ersten Seite der Schutzplatte sind mit einem ersten Radius und an der davon abgewandten zweiten Seite mit einem ähnlichen oder gleichen Radius verrundet.
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Die Schutzplatte besteht insbesondere aus einem Dickblech und weist eine Plattenstärke bzw. Blechdicke ab 2 mm und darüber auf.
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Zur Gewährleistung der durchschusshemmenden Eigenschaften der Schutzplatte besteht diese insbesondere aus ballistischem Stahl in Form von Vergütungsstahl oder aus Stahl mit guten ballistischen Eigenschaften.
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Die Strukturierung der Schutzplatte wird durch Warmumformung in einem gekühlten Werkzeug (Presshärten) oder durch Kaltumformung erzeugt.
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Die Erfindung gewährleistet eine mögliche Gewichtseinsparung bei umformend hergestellte Dickblech-Schutzplatten über 2,0mm Blechstärkemit einer räumlichen Struktur für Beschuss und Explosionsbelastungen.
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Überraschender Weise hat sich bei Versuchen gezeigt, dass insbesondere durch Presshärten hergestellte Schutzplatten mit der „Kugelabschnittsstruktur“ eine wesentlich höhere Beschusssicherheit aufweisen als ebene Schutzplatten aus dem gleichen Werkstoff und mit gleicher Blechdicke.
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Dies ermöglichte eine Blechdickenreduzierung um ca. 1 bis 3 mm (z.B. von 9.5 mm auf 7,4 mm bei den getesteten Schutzplatten), wodurch eine erhebliche Gewichtseinsparung realisierbar ist.
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Die dabei eingesetzte Dickbleche weisen eine Blechdicke (Plattenstärke) von über 2,0mm auf.
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Vorzugsweise werden Bleche (Dickbleche) aus beschusssicherem Material in Form von ballistischem Stahl wie z.B. Vergütungsstahl oder aus Stahl mit guten ballistischen Eigenschaften wie z.B. Hartmanganstahl eingesetzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 Reflektion der durch ein Projektil erzeugten Wellen in einer ebenen unstrukturierten Schutzplatte nach dem Stand der Technik,
- 2 erfindungsgemäße Schutzplatte in der Draufsicht,
- 3 Schnitt A-A gemäß 2,
- 4 Reflektion der durch ein Projektil erzeugten Wellen in einer strukturierten Schutzplatte nach der erfindungsgemäßen Lösung.
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1 zeigt den Querschnitt einer ebenen, unstrukturierten Schutzplatte 1 nach dem Stand der Technik, in welche als Prinzipdarstellung die Ausbreitung der Wellen bei Auftreffen eines Projektils P dargestellt ist.
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Bei Auftreffen des Projektils P werden die durch die Belastung in das Material eingeleiteten elastischen Wellen W1 an der Rückseite reflektiert und laufen als reflektierte Wellen W2 im Blech zurück. Dabei kommt es verstärkt zu konstruktiven Interferenzen der hin- und zurücklaufenden Wellen W1, W2, die in einer überhöhten lokalen Werkstoffbelastung und letztlich im Materialversagen resultieren, was durch die Welle W3 als resultierende Welle mit konstruktiven Interferenzen dargestellt ist. Um dennoch einen Durchschuss zu verhindern, wird typischerweise die Materialstärke b so gewählt (erhöht), dass trotz der lokal auftretenden Belastungsüberhöhungen durch Interferenzen kein Versagen auftritt.
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In 2 wird die erfindungsgemäße Lösung in der Draufsicht als Prinzipskizze dargestellt.
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Die Schutzplatte 1 weist eine räumliche Strukturierung 2 aus einer regelmäßigen Anordnung von Kugelsegmenten 3 auf.
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Deren Mittelpunkte M bilden auf einer Ebene ein gleichseitiges Dreieck mit einer Kantenlänge a, das den kleinsten sich wiederholenden Strukturbaustein darstellt.
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Diese Kugelsegmente 3 weisen vorzugsweise einen Radius R von ca. 20mm bis 250mm auf und sind aus Richtung einer ersten Seite 4 der Schutzplatte 1 mit einem Radius R1 verrundet und an der davon abgewandten zweiten Seite 5 mit einem ähnlichen oder gleichen Radius R2 verrundet.
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Die Anordnung erfolgt so, dass die Tiefe der Kugelsegmente (Ziehtiefe) t 0,5 bis 1,5-mal der Plattenstärke b1 entspricht. Gemäß 3 entspricht die Ziehtiefe in etwa der Plattenstärke b1 der Schutzplatte 1.
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Diese Geometrie kann durch Warmumformung in einem gekühlten Werkzeug oder durch Kaltumformung erzeugt werden. In jedem Fall erfolgt die Herstellung immer mit einem Ober- und Unterwerkzeug mit definierter Wirkfläche.
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Mit diesen umformend hergestellten Dickblech-Schutzplatten mit einer räumlichen Struktur sind bei dem Einsatz als beschusssichere Schutzplatten für Beschuss und Explosionsbelastungen deutlich geringere Materialdicken möglich, was durch zahlreiche Beschussversuche bestätigt werden konnte.
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Vorteil dieser Anordnung der Kugelsegmente 3 ist ebenfalls eine vergleichsweise sehr geringe Ausdünnung des Materials der Schutzplatte 1, wobei typischerweise Ausdünnungswerte von kleiner 10 % erreicht werden können.
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In 4 ist eine Reflektion der durch ein Projektil erzeugten Wellen in einer strukturierten Schutzplatte 1 nach der erfindungsgemäßen Lösung dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass aus der eingeleiteten Welle W1 und der reflektierten Welle W2 eine resultierende Welle W3 entsteht, welche sich stark abbaut.
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Die gekrümmte kugelsegmentartige Geometrie führt somit dazu, dass die elastischen Wellen im Material unter einen Winkel zurückgeworfen werden, der von 90 ° abweicht, wodurch es zu keinen bzw. nur geringen Interferenzen kommen kann.
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Wenn demnach die Interferenz der beiden Wellen verhindert bzw. reduziert werden können, ist es möglich, deutlich geringe Plattenstärken P1 für die erfindungsgemäße Schutzplatte 1 einzusetzen, die der Belastung ohne Interferenzen standhalten.
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Die Plattenstärke b1 der erfindungsgemäßen Schutzplatte 1 mit Strukturierung 2 kann daher im Vergleich zu einer Plattenstärke b beim Stand der Technik deutlich reduziert werden.
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Darüber hinaus bietet die Strukturierung 2 lokal abhängig erhöhte Widerstandmomente gegen Biegung, was sich positiv auf die Bauteilsteifigkeit auswirkt. Diese lokal erhöhte Steifigkeit leistet zusätzlich einen wichtigen Beitrag zur verbesserten Performance der strukturierten Platten bei verschiedenen Impactbelastungen.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung können geringere Wandstärken für bestimmte Belastungsfälle eingesetzt werden, was zu einer signifikanten Gewichtsreduzierung führt. Beispiel: für 7,62x51 FMJ/PB/HC, P80 CBC mit 820 m/s von 10m Entfernung am Werkstoff Inkas 7.3 (Ballistischer Stahl zum Presshärten - Eigenentwicklung IndiKar mit Zugfestigkeiten von 2100MPa) Reduzierung von 9,2mm auf 8,0mm Blechstärke um 13%.
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Die Schutzplatten werden bekannter Weise unter einer im Wesentlichen herkömmlichen Fahrzeugaußenhaut in Richtung zum Fahrzeuginnenraum angeordnet und bieten damit den sich im Fahrzeug befindlichen Personen einen zuverlässigen Schutz bei Beschuss bis zu Beschussklasse 10 nach VPAM PM 2007, Fassung 2.
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Die Schutzplatten kommen beispielsweise bei Sonderschutzfahrzeugen wie gepanzerten PKWs, militärischen Fahrzeugen und Personenschutzausrüstungen zum Einsatz.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schutzplatte
- 2
- Strukturierung
- 3
- Kugelsegment
- 4
- erste Seite
- 5
- zweite Seite
- a
- Kantenlänge
- b
- Plattenstärke Stand der Technik
- b1
- Plattenstärke
- t
- Ziehtiefe
- P
- Projektil
- R
- Radius eines Kugelsegments
- R1
- erster Radius
- R2
- zweiter Radius
- T
- gleichseitiges Dreieck
- W1
- eingeleitete Wellen
- W2
- reflektierte Wellen
- W3
- resultierende Wellen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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