EP2756256B1

EP2756256B1 - Strukturbauteil für gepanzerte fahrzeuge

Info

Publication number: EP2756256B1
Application number: EP12759413.3A
Authority: EP
Inventors: Rolf-Mathias Alter; Jürgen Walter
Original assignee: EC TECHNIK GmbH
Current assignee: EC TECHNIK GmbH
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2015-12-30
Anticipated expiration: 2032-09-10
Also published as: CA2845786C; US9909844B2; WO2013037738A1; EP2756256A1; CA2845786A1; ES2566130T3; US20140338521A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft allgemein die Panzerung von Fahrzeugen, insbesondere von militärischen Land- oder Wasserfahrzeugen. Die Erfindung betrifft speziell Strukturbauteile für ein derartiges Fahrzeug, welche einen Schichtaufbau mit innerem Wabenkern und zumindest einer Decklage aufweisen.

Stand der Technik

Seit langem bekannt sind monolithische Panzerstahlplatten als Strukturelemente in gepanzerten Land- oder Wasserfahrzeugen, bspw. in Panzern. Eine Panzerstahlplatte aus typischem 8mm starkem Panzerstahl hat ein Flächengewicht zwischen 60kg/m² und 70kg/m². Herkömmliche Panzerung führt demnach zu sehr hohem Gesamtgewicht. Hohes Gewicht der Panzerung ist offensichtlich abträglich unter anderem bezüglich der Mobilität, der Nutzlast und auch der Reichweite des Fahrzeugs.
Stand der Technik sind inzwischen auch modular aufgebaute Panzerungen, welche typischerweise eine monolithische Stahlplatte mit 8mm Stärke als Grundpanzerung und eine variable missionsbedingte Zusatzpanzerung, bspw. aus Keramik-Composite-Kacheln umfassen. Auch in diesem Fall bietet die Panzerstahlplatte einen Grundschutz und stellt die strukturelle Integrität sicher. Die variable Zusatzpanzerung (englisch abgekürzt: engl. "Add-on") erlaubt es, missionsangepasst den Schutz der Grundpanzerung zu erhöhen und bspw. an bestimmte Effektoren anzupassen. Modulare Panzerungen werden heutzutage aufgrund polyvalenter Bedrohungen im Einsatzgebiet bevorzugt. Jedoch führt der Add-On Schutz modularer Panzerungen zu einer zusätzlichen Gewichtszunahme des Gesamtsystems. Oft bewegen sich im Einsatzgebiet befindliche Fahrzeuge bereits nahe oder am Limit der zulässigen Gesamtmasse. Ein weiterer Vorteil modularer Panzerungen ist allerdings, dass das Fahrzeug in zwei Frachten verteilt insbesondere auf dem Luftweg transportierbar wird, d.h. dass die Zusatzpanzerung getrennt verlad- bzw. transportierbar ist.
Es besteht demnach der Wunsch, insbesondere auch bei modularen Schutzstrukturen, deutliche Gewichtsreduktionen zu erzielen.
In Schutzstrukturen aus gattungsfremden Anwendungsgebieten, welche nicht den Schutz bzw. die Panzerung von Fahrzeugen betreffen, ist es bereits bekannt, Composite- bzw. Verbundwerkstoffe einzusetzen. So beschreibt bspw. die WO 2010/033266 ein Verbundpaneel zum Schutz gegen Schockwellen, welches für den Flugzeugbau geeignet ist. Dieses Verbundpaneel soll insbesondere, etwa zum Bau von Gepäckaufbewahrungen innerhalb eines Flugzeugs geeignet sein und dort die Bedrohung durch Explosion etwa einer eingeschmuggelten Bombe reduzieren. Ein weiteres Verbundpaneel mit Schutzwirkung ist bekannt aus dem US-Patent 7685921 . Dieses Paneel ist geeignet zum Bau von temporären Unterkünften bzw. Lagerstätten, sog. SEAHUTS. Das US-Patent 5554816 wiederum beschreibt verschiedene tragbare Vorrichtungen zum Personenschutz, in welcher auch ein Verbundpaneel eingesetzt wird. Das US-Patent 3577836 schließlich beschreibt Schutzkleidung, bspw. eine Schutzweste, mit einem Schichtaufbau aus Verbundwerkstoffen.
Auch auf dem Gebiet des Fahrzeugbaus bzw. gepanzerter Fahrzeuge ist jedoch der Einsatz von Verbundmaterialien im Schichtaufbau bereits bekannt.
Die internationale Anmeldung WO 03/058151 bspw. beschreibt einen Minenschutz für gepanzerte Fahrzeuge, welche einen Schichtaufbau mit mehreren unterschiedlichen Wabenkernen aufweist. Dieser Aufbau ist komplex und umfasst innerhalb des vorgeschlagenen Schichtaufbaus u. a. auch dünne Metallplatten sowie Lagen aus keramischem Werkstoff. Von einem derartigen Strukturbauteil ist wohl gute Schutzwirkung zu erwarten, jedoch nur geringe Gewichtseinsparung.
Die europäische Patentanmeldung EP 0237095 beschreibt eine Verbundplatte mit ähnlichem Schichtaufbau, welcher ebenfalls eine Mehrzahl dünner Metallplatten sowie eine Lage aus keramischem Werkstoff aufweist. Dieser Schichtaufbau soll eine hohe Schutzwirkung bei zugleich begrenztem Flächengewicht bieten.
Ein weiterer komplexer Schichtaufbau zur Panzerung von Fahrzeugen ist aus dem US-Patent US 4404889 bekannt. Hiermit soll eine erhöhte Schutzwirkung erzielt werden, jedoch ist das Flächengewicht verhältnismäßig hoch (siehe "table A" aus US 4404889 ), da auch hier Stahlplatten innerhalb des Schichtaufbaus eingesetzt werden. Eine weitere Verbundpanzerung ist auch aus dem US-Patent US 4529640 bekannt. Letztgenannte Panzerung umfasst eine feindseitige Stahlplatte, auf welche ein Wabenkern als Abstandhalter für eine freundseitige Schicht aus Glasfaserlagen angebracht ist.
Das deutsche Gebrauchsmuster DE 8804278 beschreibt eine Panzerplatte für Kraftfahrzeuge, welche drei Lagen aufweist, nämlich eine innere Lage aus Faserverbundkunststoff (FVK), eine Zwischenlage aus keramischem Material und eine dem Fahrzeugblech gegenüberliegende Lage aus Wabenmaterial.
Die europäische Patentanmeldung EP 1679484 offenbart eine Vorrichtung zur Befestigung von ballistischen Schutzelementen an gegen Waffeneinwirkung zu schützenden Objekten, insbesondere an Gehäusen von gepanzerten Fahrzeugen.
Das europäische Patent EP 1361408 offenbart eine Verbundpanzerstruktur zum ballistischen Schutz einer Lücke zwischen mindestens einem Panzermodul und den Strukturbauteilen der Grundstruktur des zu schützenden Fahr- oder Flugzeugs. Der Körper dieser netzartigen Struktur hat eine obere, eine untere und eine Zwischenschicht mit einem Hohlraum in welchem ein Keramikmaterial vorgesehen ist. Die Struktur wird gemäß EP 1361408 zusätzlich zu dem bzw. den Strukturbauteilen und der Zusatzpanzerung, d.h. den Panzermodulen, angebracht werden und erhöht somit das Gesamtgewicht.
Die französische Patentanmeldung FR 2723192 hingegen beschreibt einen im Vergleich zu vorgenannten Beispielen verhältnismäßig einfachen Schichtaufbau, welcher ohne Lage aus Panzerstahl auskommt und zusätzliche Gewichtseinsparung erzielen soll. Dieser Schichtaufbau weist einen Kernverbund auf, welcher einen Wabenkern mit beiseitigen Decklagen aus Faserverbundkunststoff (FVK) umfasst. Feindseitig sind auf dem Kernverbund Keramikkacheln angeklebt, welche durch eine zusätzliche faserverstärkte Kunststoffschicht gegen äußere Aggressionen geschützt sind.
Die internationale Anmeldung WO 2007/024243 offenbart ein Strukturbauteil nach dem Oberbegriff aus Anspruch 1. In einem Ausführungsbeispiel ist hierbei im Schichtaufbau weder eine tragende Metall-Schicht noch eine Hartmaterial-Schicht aus Keramik vorgesehen. Die Herstellung soll im Strangziehverfahren erfolgen, z.B. mit einem Kern aus Schaumstoff mit offenen oder geschlossenen Zellen. Bei einem auf diese Art hergestellten Strukturbauteil, insbesondere mit Schaumkern, dürfte u.a. die Verbindung mit der restlichen Struktur des Fahrzeugs eine verbesserungswürdige Schwachstelle bilden.
Die vorhergehend beschriebenen Strukturbauteile aus Verbundmaterial sind entweder als eigentliche Zusatzpanzerung ausgeführt oder aber, im Falle der Ausführung als Grundpanzerung, mit komplexen Schutzfunktionen versehen. Sie sind allesamt nicht unmittelbar für einen in letzter Zeit bevorzugten Einsatz als modulare Panzerung mit variablem Zusatzschutz einsetzbar.

Aufgabenstellung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit ein Strukturbauteil für gepanzerte Fahrzeuge zu schaffen, welches besonders leicht ausgeführt ist und den Einsatz austauschbarer Zusatzpanzerung auf einfache Weise ermöglicht, sowie einen Grundschutz bietet.

Allgemeine Beschreibung

Diese Aufgabe wird bereits gelöst durch ein Strukturbauteil mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Das erfindungsgemäße Strukturbauteil zeichnet sich dadurch aus, dass im Schichtaufbau weder eine tragende bzw. monolithische Metallschicht etwa aus Panzerstahl noch eine Hartmaterialschicht aus Keramik vorliegen. Der Schichtaufbau beseht hauptsächlich aus einem Kernverbund aus Verbundwerkstoff mit einem Wabenkern, vorzugsweise aus Faserverbundkunststoff (FVK), und mit zumindest einseitig, bevorzugt beidseitig eine Deckschicht auf dem Wabenkern. Allein diese vereinfachte Leichtbauweise reduziert bereits das Gewicht. Weiter zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil dadurch aus, dass im Kernverbund, nämlich in entsprechenden Befestigungsbereichen, Befestigungselemente verankert sind, welche der lösbaren Befestigung einer feindseitig bzw. bedrohungsseitig anzubringenden Zusatzpanzerung dient. Schließlich zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass zur Verbindung des Strukturbauteils mit der restlichen Struktur des Fahrzeugs, im äußeren Randbereich des Kernverbunds mindestens ein verstärkter Bereich vorgesehen ist, wobei innerhalb des entsprechenden, lokal begrenzten Flächenbereichs der Befestigungsbereiche und des mindestens einen verstärkten Bereichs alle Zellen des Wabenkerns jeweils vollständig mit einer Füllmasse ausgefüllt sind.
Hierdurch wird in einfacher Weise der Einsatz des Schichtaufbaus als reiner Grundschutz bzw. Grundpanzerung ermöglicht an welchem variabel, je nach Einsatz, modulare Zusatzpanzerung angebracht werden kann.
Erfindungsgemäß bietet somit im Wesentlichen der Kernverbund selbst bereits einen Grundschutz, insbesondere gegen Schockwellen bzw. Druckwellen ("blast") und ggf. zusammen mit einem Splitterschutz (sog. "spall liner") auch gegen Splitter. Außerdem bildet erfindungsgemäß der Kernverbund selbst (per se) die eigentliche Tragstruktur für eine missionsangepasst zu wählende austauschbare Zusatzpanzerung bspw. in Form von Modulen. Das Strukturbauteil ist demnach nicht nur selbsttragend, sondern der Kernverbund ist geeignet die Last gängiger Zusatzpanzerungen zu tragen und auf die restliche Struktur des Fahrzeugs zur übertragen. Es ist keine Zusatzpanzerung dauerhaft in den Schichtaufbau integriert. Die vorgeschlagene Lösung erlaubt es, den Schutz des Fahrzeugs Einsatzbedingt zu optimieren insbesondere mit dem Ziel der Gewichtsminimierung.
In Versuchen hat sich eine überraschend geringe dynamische Beulung im Vergleich zu Panzerstahl als Grundpanzerung vergleichbaren Flächengewichtes ergeben. Hohe gewichtsbezogene Druckfestigkeit ist grundsätzlich ein maßgeblicher Vorteil eines Kernverbunds mit Wabenkern. Es hat sich jedoch überraschenderweise durch Versuche herausgestellt, dass erfindungsgemäße Kernverbunde einen sehr vorteilhaften geschwindigkeitsabhängigen Verlauf Ihrer Grundeigenschaften zeigen. Insbesondere bei Stauchungs- bzw. Dehnungsraten entsprechend typischer Explosionsdruckwellen, wurde im Vergleich zum statischen Belastungsfall eine beachtliche Zunahme des E-Moduls einerseits und auch der Druck- bzw. Zugfestigkeit andererseits ermittelt. Dies erklärt zumindest anteilweise die überraschend gute Schutzwirkung gegenüber "blast", d.h. bzgl. Schockwellen.
Folglich wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, entgegen herkömmlichen Ansätzen, den bewährten Panzerstahl als Grundschutz komplett zu substituieren durch einen Schichtaufbau aus Verbundmaterial, insbesondere einen Faserverbund mit Wabenkern. Andererseits schlägt die Erfindung vor, auch entgegen herkömmlichen Lösungen, den Schutz gegen unterschiedliche Effektoren nicht unmittelbar in den Schichtaufbau zu integrieren. Dies bedeutet eine signifikante Reduktion der Masse des Grundschutzes somit der Gesamtmasse des Fahrzeugs.
In einer bevorzugten Ausführung ist das mittlere Flächengewicht des Kernverbunds an sich, insbesondere des Anteils des Schichtaufbaus welcher die typische Stahlplatte substituiert (d.h. ohne Berücksichtigung eines freundseitigen Splitter-Schutzes), geringer als 40kg/m², noch bevorzugter geringer als 15kg/m², trotz im Vergleich zu Panzerstahl notwendig größerer Wandstärke, die bevorzugt insgesamt kleiner ist als 50mm. Verglichen mit Panzerstahl als Grundschutz sind durch den vorgeschlagenen Schichtaufbau Gewichtseinsparungen von weit über 10%, schätzungsweise bis zu 50%, zu erwarten. Angestrebt und denkbar sind natürlich auch Gewichtseinsparungen von über 50% im Vergleich zu Panzerstahl als Grundschutz.
Zweckmäßigerweise besteht der Kernverbund für sich genommen aus einem Wabenkern und beidseitig hieran angebrachten gegenüberliegenden Deckschichten. Ein derartiger Kernverbund kann zusammen mit einer freundseitigen, d. h. dem Fahrzeuginneren zugewandten, Splitterschutz-Schicht ("spall liner") den Grundschutz des Fahrzeugs darstellen.
In einer bevorzugten Ausführung besteht das Strukturbauteil aus einem Schichtaufbau mit im Wesentlichen, d.h. abgesehen insbesondere von Kleberschichten und Funktionsfolien ohne Schutzwirkung, lediglich folgenden vier Schichten: Eine feindseitige Deckschicht, einen Wabenkern, eine freundseitige Deckschicht sowie eine freundseitige Splitterschutz-Schicht. Gegebenenfalls können zur Verbindung der Schichten zwischenliegende Funktionsschichten wie Kleber- oder Schnittstellenschichten vorgesehen sein, deren Dicke jedoch vernachlässigbar ist. Solche Funktionsschichten dienen lediglich der Verbindung bzw. Verbundbildung oder als Schnittstelle zwischen unterschiedlichen Materialien bspw. dem Splitterschutz und der freundseitigen Deckschicht. Thermoplaste haben sich als besonders geeignete Kleber zur Verbindung der Schichten erwiesen. Vorzugsweise sind die Deckschichten aus Faserverbund, insbesondere aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) hergestellt. Der Wabenkern hingegen kann aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, neben FVK, insbesondere mit Glasfasern oder Aramidfasern, auch bspw. aus Aluminiumfolie. Der Splitterschutz ist vorzugsweise aus einem hochfesten Kunststoff, insbesondere aus hochfestem Polyethylen (PE) wie etwa Dyneema® hergestellt. Auch andere reißfeste Kunststoffe, z.B. ein FVK mit Aramidfasern, können als Splitterschutz verwendet werden.
Die Schicht zum Splitterschutz kann eine dem Kernverbund ähnliche oder ggf. auch größere Wandstärke aufweisen. Insgesamt wird die Wandstärke des Strukturbauteils naturgemäß größer sein als bei einem entsprechend schützendem Panzerstahl.
Gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn der Wabenkern eine mittlere Wandstärke unter 50mm aufweist, vorzugsweise im Bereich von 5mm bis 50mm. Dies ermöglicht verhältnismäßig dünne Bauteile mit zugleich hinreichender struktureller Integrität. Einen ausreichenden Grundschutz können freundseitige und/oder feindseitige Deckschichten mit mittlerer Wandstärke im Bereich von bereits 0,2mm bis 15mm, vorzugsweise im Bereich von 0,3mm bis 10mm, erzielen.
Als zweckmäßige und kostengünstige Befestigungselemente für die austauschbare Zusatzpanzerung können Metallbuchsen eingesetzt werden. Diese können bevorzugt jeweils in dem lokal abgegrenzten Befestigungsbereich innerhalb des Wabenkerns vorgesehen sein und im Kernverbund eingelassen und im Befestigungsbereich verankert, bspw. verklebt werden. Ein zweckmäßiger Befestigungsbereich lässt sich, in an sich bekannter Weise, durch geeignete Füllmasse aus einem Duroplast herstellen. Bevorzugt werden als Buchsen Flanschbuchsen aus Metall, bspw. Hartstahl, mit Innengewinde eingesetzt. Der entsprechende Flansch liegt, bei Verankerung im Kernverbund, an der feindseitigen Deckschicht des Kernverbunds an, so dass der Flansch dort abstützt und dementsprechend auch, zusammen mit dem bereits lastverteilenden Befestigungsbereich, die Abstützung einer Zusatzpanzerung am Strukturbauteil, d.h. im mechanische Sinne die Reactio zu Einschlagkräften (impact force actio) optimiert. Vorzugsweise aber nicht zwingend werden zur gleichmäßigen Belastungsverteilung die einzelnen Befestigungsbereiche gemäß einem regelmäßigen, bzgl. der Fläche gleichverteilten Raster des Strukturbauteils verteilt vorgesehen.
Zur Verbindung des Strukturbauteils mit der restlichen Struktur des Fahrzeugs, etwa einem Rahmengestell aus Panzerstahl, können zweckmäßig im äußeren Randbereich des Kernverbunds, teilweise oder über den gesamten Umfang, auch mehrere lokal begrenzte verstärkte Bereiche vorgesehen sein. Hier kann zweckmäßigerweise geeignete Potting-Masse vorgesehen werden, in welche bspw. Bohrungen eingebracht werden, um das Strukturbauteil mit der restlichen Struktur des Fahrzeugs zu verbinden. Analog lassen sich auch bspw. zusätzliche Bauteile in das Strukturbauteil integrieren, wie etwa Panzerglasscheiben. Zur Gewichtsoptimierung wird die Potting-Masse, wie auch für die Befestigungselemente der Zusatzpanzerung, in vereinzelten, lokal isolierten Bereichen vorgesehen. Es ist auch möglich, eine vollumfänglich durchgehende Umrandung des Kernverbunds mit Potting-Masse vorzusehen, welche zweckmäßigerweise bereichsweise verstärkte Ausläufer nach Innen aufweist, bspw. halbinselförmiger Gestalt in Frontansicht. Diese Ausläufer können dann als verstärkte Bereiche zur Befestigung genutzt werden.
Ein Strukturbauteil gemäß vorstehender Beschreibung eignet sich besonders als Bestandteil der Grundpanzerung eines gepanzerten Fahrzeugs. Erfindungsgemäß kann die Zusatzpanzerung abnehmbar an einem entsprechenden Strukturbauteil befestigt werden, vorzugsweise mit zwischenliegendem Luftspalt zwischen Zusatzpanzerung und Grundpanzerung.
Die Erfindung umfasst dementsprechend auch die Verwendung eines vorgeschlagenen Strukturbauteils in einem gepanzerten Land- oder Wasserfahrzeug, insbesondere für militärische Zwecke. Insbesondere kommt die Verwendung eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils als Tür in einem gepanzerten Fahrzeug in Betracht.
In einer zweckmäßigen Ausführung ist der Wabenkern in typischer Weise mit Hohlzellen in Honigwaben-Form ausgeführt und vorzugsweise im Expansionsverfahren hergestellt.
Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bei einem als Tür einzusetzenden Strukturbauteil ist es zweckmäßig, einen unteren Teil und einen oberen Teil vorzusehen, welche zueinander abgewinkelt und durch einen Biegebereich verbunden sind. Hierbei wird eine Gestaltung bevorzugt, bei welcher der Wabenkern im Biegebereich nahtlos vom unteren Teil zum oberen Teil durchgeht. Insbesondere bei einer starker Abwinklung einer durchgehenden Wabe ist es zweckmäßig, vollständig oder nur im Bereich der Abwinklung überexpandierte Wabe zu verwenden. Auch eine solche, überexpandierte Wabe wird vorliegend als Wabe mit Honigwabenform bezeichnet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend, ohne Einschränkung des Schutzumfangs, durch Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei:

FIG. 1: eine Frontansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Strukturbauteils, zum Einsatz als Tür eines gepanzerten Fahrzeugs;
FIG. 2: einen Längsquerschnitt vertikal durch das Strukturbauteil nach FIG. 1;
FIG. 3: einen vergrößerten Ausschnitt des Längsquerschnitts in FIG. 2, entsprechend Bereich III; und
FIG. 4: einen vergrößerten Teilquerschnitt gemäß IV-IV aus FIG. 1;

Identische Bezugszeichen zeigen identische Bestandteile in allen Figuren.

Detailbeschreibung anhand der Zeichnungen

In FIG.1-4 ist ein zur Verwendung als Tür ausgeführtes Strukturbauteil, allgemein mit 10 bezeichnet. Das Strukturbauteil 10 ist zur Verwendung in einem gepanzerten Landfahrzeug, etwa einem militärischen Transportpanzer, Schützenpanzer, Spähpanzer oder Kampfpanzer bestimmt.
Einleitend ist anzumerken, dass die FIG.1-4 den an sich bekannten Aufbau geeigneter Zusatzpanzerungen nicht zeigen. Eine solche Zusatzpanzerung ("Add-On") wird jedoch im einsatzbereiten Zustand des Fahrzeugs stets feindseitig am Strukturbauteil 10 angebracht sein, denn die meisten Effektoren bzw. Geschosse sind heutzutage in der Lage gängigen Grundschutz, auch etwa das Strukturbauteil 10, zu durchdringen. Daher werden an einem erfindungsgemäßes Strukturbauteil 10 generell missionsangepasste Module einer Zusatzpanzerung als sog. "Add-On Schutz" mechanisch abnehmbar befestigt, um den Schutzlevel zu erhöhen und insbesondere das Risiko eines Durchdringens unterschiedlicher Effektoren zu minimieren.
Derartige, nicht näher gezeigte Zusatzpanzerungen erzeugen den Hauptbeitrag zu gewünschter Multi-hit Kapazität, zur Widerstandsfähigkeit gegen "improvised explosive devices" (IEDs) und mehr und mehr aufkommenden sog. "explosive formed projectile-IEDs" (EFP-IEDs). Eine maßgebliche Grundschutzfunktion zumindest gegen Schockwellen und Splitter wird jedoch auch durch den weiter unten beschriebenen Aufbau eines Strukturbauteils 10 gemäß FIG.1-4 erzielt.
Das Strukturbauteil 10 weist verwendungsbedingt zunächst eine zur vorgesehenen Verwendung, hier als Tür, geeignete Kontur mit flächiger Ausführung auf. Das Strukturbauteil 10 nach FIG.1-4 ist zweiteilig mit einem oberen Teil 12 und einem unteren Teil 14 ausgeführt, welche durch einen Biegebereich 16 voneinander abgewinkelt sind, mit einem geeigneten Winkel bspw. von etwa 10-30°. Mit Abwinklung durch den Biegebereich 16 wird die Wahrscheinlichkeit eines ungünstigsten senkrechten Einschlags von Effektoren reduziert, da zumindest ein Teilbereich des Strukturbauteils 10, etwa der obere Teil 12 nach Anbau am Fahrzeug schräg zur Vertikalen stehen kann. Im oberen Teil 12 kann eine Aussparung 17 bspw. für ein Panzerglasfenster vorgesehen. Zur Befestigung des Strukturbauteils 10 an einem Rahmen des Fahrzeugs sind über den Umfang verteilte Bohrungen 18 durch das Strukturbauteil 10 vorgesehen. Ebenso ist die Aussparung 17 von regelmäßig verteilten Bohrungen 19 umrandet zur Befestigung der Panzerglasscheibe.
Wie am besten aus FIG.3-4 ersichtlich, hat das Strukturbauteil 10 einen verhältnismäßig einfachen Schichtaufbau 20. Der Schichtaufbau 20 ist lediglich aus zwei wesentlichen Bestandteilen hergestellt, nämlich einem Kernverbund 22, und einer rück- bzw. freundseitigen Splitterschutz-Schicht 24. Die Splitterschutz-Schicht 24 ist bspw. aus einer zusammenhängenden plattenartigen Schicht aus monolithischem hochfestem PE an sich bekannter Art, bspw. aus Dyneema® der Fa. Koninklijke DSM N.V., Heerlen, Niederlande hergestellt. Auch andere als Splitterschutz geeignete Materialen können eingesetzt werden, etwa Kevlar® (der Fa. DuPont, Wilmington, USA). Die Splitterschutz-Schicht 24 ist gemäß FIG.1-4 stoffschlüssig durch Klebung an die innen liegende Deckschicht 26 des Kernverbunds 24 angebunden, könnte jedoch auch anders befestigt sein, etwa durch Nietverbindung.
Der erfindungswesentliche Kernverbund 22 wiederum besteht im Wesentlichen nur aus drei Schichten, nämlich dem flächenmäßig ausgedehnten Wabenkern 25 sowie dessen beidseitigen Deckschichten 26. Der Wabenkern 25 hat hierbei einen bekannten Aufbau mit Hohlzellen in Hexagonal-Querschnitt bzw. Honigwaben-Form (honeycomb). Der Wabenkern 25 ist in an sich bekannter Art bspw. im Expansionsverfahren hergestellt. Die Zellwände im Wabenkern 25 sind im Kernverbund 22 senkrecht zu dessen flächigen Ausdehnungsrichtung gerichtet, d.h. horizontal in FIG.4. Geeignete Verfahren zur Herstellung von Verbundpaneelen bzw. Kernverbund 22 sind dem Fachmann bekannt.
Sowohl der Wabenkern 25 als auch die Deckschichten 26 sind bevorzugt jeweils aus FVK hergestellt, wobei unterschiedliche Materialkombinationen in Betracht kommen. Empfehlenswert für die Herstellung des Wabenkerns 25 sind hochmodulige Fasermaterialien, wie z. B. Glasfaserwabe, KEVLAR®-, NOMEX®- oder andere Aramid-Fasern, Kohlenstoff-Fasern, oder auch metallische oder mineralische Fasern, welche mit geeignetem Kunstharz getränkt zu einem hochmoduligen FVK gehärtet sind. Auch ungetränkte Wabenkerne 25 aus Metall-Folie, insbesondere aus Aluminiumfolie, sind grundsätzlich geeignet. Die Dicke bzw. Wandstärke d1 des Wabenkerns 25 richtet sich vor allem nach dem Gewicht des anzubringenden Add-On Schutzes, wobei d1 im Bereich von 0,5cm bis 5cm liegen sollte.
Als Deckschichten 26 des Wabenkerns 25 können im Kernverbund 22 einlagige oder mehrlagige Verbundmaterialien oder auch monolithische Schichten eingesetzt werden. Insbesondere kommen leicht bauende Materialien wie GFK, CFK, Aluminiumfolie, oder auch monolithische Aramide oder andere Polymere wie hochfestes PE in Betracht. Die in FIg.3 mit d3 bezeichnete Dicke bzw. Wandstärke der Deckschichten 26 kann je nach gefordertem Gewicht der Grundschutzstruktur typisch zwischen 0,3mm und 10mm liegen, und muss nicht beidseitig identisch sein. Über Material und Dicke der Deckschichten 26 lassen sich, neben der Tragfähigkeit des Kernverbunds 24, weitere Grundschutzfunktionalitäten, bspw. auch gegen Splitter einstellen. Die Deckschichten 26 sind an den Wabenkern 25 stoffschlüssig durch Klebung angebundenen. Als Kleber wird eine entsprechend der Materialpaarungen von Deckschichten 26 und Wabenkern 25 geeignete Klebverbindung gewählt. Bei Deckschichten 26 und Wabenkern 25 aus GFK kann eine gute Klebeverbindung durch Aushärtung einer dünnen Zwischenschicht (nicht gezeigt) aus geeignetem Thermoplast erfolgen. Zur Herstellung des Kernverbunds 22 ist schließlich noch anzumerken, dass die Abwinklung zwischen unterem Teil 12 und oberem Teil 14, d.h. die Krümmung im Biegebereich 16, vorzugsweise durch plastische Verformung und ohne spanabhebende Bearbeitung bereits vor Aushärten der FVK-Deckschichten 26 und deren Klebeverbindung an den Wabenkern 25 erfolgt. Dementsprechend ist der Wabenkern 25 im Biegebereich 16 in der bevorzugten Gestaltung nahtlos durchgehend bzw. einteilig ohne Fügestelle ausgeführt, insbesondere ohne ein Zusammenfügen zweier getrennter Wabenabschnitte.
In FIG.2 ist mit d2 auch die Wandstärke der Splitterschutz-Schicht 24 bezeichnet. Diese Wandstärke d2 hingegen richtet sich im Wesentlichen rein nach der Funktion der Splitterschutz-Schicht 24 und sollte bevorzugt im Bereich von 1cm bis 5cm liegen. Versuche (siehe unten) haben gezeigt, dass insbesondere hochfestes Polyethylen (PE) in der Lage ist ein EFP-IED kohärent abzufangen, d.h. mit Beulung aber ohne Riss der Splitterschutz-Schicht 24. Die nötige Stärke einer Splitterschutz-Schicht 24 kann jedoch je nach Anwendung variieren.
Zur abnehmbaren Befestigung einer einsatzbedingten Zusatzpanzerung sind im Strukturbauteil 10 feindseitig mehrere Befestigungselemente 30 vorgesehen. Die Befestigungselemente 30 sind, wie aus FIG.1 ersichtlich, bei symmetrischen Bauteilen zweckmäßig über die Fläche in etwa gleich und symmetrisch verteilt. Hierdurch wird eine gleichmäßigere Lastverteilung erzielt, sowohl bzgl. Gewicht der Zusatzpanzerung als auch und insbesondere bzgl. Einschlagskräften. In FIG.1 sind zur Vereinfachung der Darstellung keine Befestigungselemente im oberen Teil 14 gezeigt, können dort jedoch ebenfalls vorgesehen sein. Vorzugsweise wird in etwa pro 0,2m²-0,5m² ein Befestigungselement 30 vorgesehen.
Aufbau und Funktion der Befestigungselemente 30 ist anhand von FIG.4 näher ersichtlich. Jedes Befestigungselement ist als Flanschbuchse 30, bspw. aus geeignetem Stahl oder Leichtmetall, ausgeführt. Die Befestigungselemente 30 könn ten alternativ aus hochfestem Kunststoff hergestellt sein. Die Flanschbuchse 30 hat im gezeigten Beispiel ein Innengewinde 32, in welches als weiterer Teil der Befestigungselemente ein geeigneter Stift (nicht gezeigt) eingeschraubt wird. An diesem Stift wird wiederum die Zusatzpanzerung lösbar befestigt, wobei der Stift als Abstandhalter zur Erzeugung eines Luftspalts zwischen Strukturbauteil 10 und Zusatzpanzerung eingesetzt wird. Ein Luftspalt wird typischerweise eingesetzt, u.a. da dieser gewisse Effektoren gegen die Panzerung weitgehend unwirksam macht. Die Zusatzpanzerung kann allerdings auch unmittelbar an das Strukturbauteil 10 anliegend mittels der Flanschbuchsen 30 abnehmbar angeschraubt werden. Zur Erhöhung der Belastbarkeit haben die Flanschbuchsen 30 stirnseitig einen einstückig angeformten Flansch 34. Der Flansch 34 liegt scheibenförmig an der feindseitigen Oberfläche der äußeren Deckschicht 26 im Anschlag und. Durch den Flansch 34 ist die Flanschbuchse 30 zusätzlich abgestützt, um eine verbesserte Kraftübertragung in den auf Druckbelastung Kernverbund 22 optimierte zu erzielen.
Wie weiter aus FIG.4 ersichtlich, ist zur Kraftübertragung vom Befestigungselement 30 in den Kernverbund 22 zudem jeweils ein lokal begrenzter Befestigungsbereich 40 vorgesehen. Zur Herstellung der Befestigungsbereiche 40 wird bereits vor Fertigstellung des Kernverbunds 22 in die Zellen des Wabenkerns 25 eine Füllmasse 42 eingebracht. Die Füllmasse 42 wird so eingebracht, dass alle Zellen innerhalb der jeweils gewünschten Flächenbereiche vollständig ausgefüllt sind. Als Füllmasse 42 wird besonders bevorzugt ein aushärtbarer Duroplast verwendet. Es kann auch Metall-, Kunststoff-, oder Faserverbund-Füllmasse oder sonstige üblicherweise zum sog. "Potting" verwendete Füllmasse 42 eingesetzt werden. Erst nach Einbringen der Füllmasse 42 werden die Decklagen 26 aufgebracht, so dass diese ebenso wie der Wabenkern mit der Füllmasse 42 stoffschlüssig verbunden werden. Hierdurch wird in jedem Befestigungsbereich 40 insgesamt hohe Widerstandskraft gegen Druck und Zug erzielt, welche die der sonstigen Fläche des Kernverbunds 22 noch übersteigt. Zur Gewichtsminimierung sollte insgesamt die geringstmögliche Menge an Füllmasse 42 eingebracht werden.
Die ausgehärtete Füllmasse 42 wird anschließend aufgebohrt um ein Blindloch zu erzeugen, welches bis kurz vor die innere d.h. freundseitige Deckschicht 26 ragt. In das Blindloch des fertig gestellten Kernverbunds 22 wird dann, wie in FIG.4 gezeigt, in jedem Befestigungsbereich 40 jeweils eine Flanschbuchse 30 als Befestigungselement verankert. Die Verankerung erfolgt durch geeignete stoffschlüssige Klebung, je nach verwendetem Materialpaar für Füllmasse 42 und Flanschbuchse 30, im Blindloch des Kernverbunds 22. Flanschbuchsen 30 können jedoch auch in durch den Kernverbund 22 hindurch gehenden Bohrungen verankert werden. Die Splitterschutzschicht 24 wird von der Flanschbuchse 30 bzw. deren Bohrung jedenfalls nicht beeinträchtigt. Hierdurch wird das als Flanschbuchse 30 ausgeführte Befestigungselement auch gegen Zugkraft gesichert, welche durch das Gewicht der Zusatzpanzerung erzeugt wird.
Abschließend seien Eckdaten zu konkreten Prototypen und hiermit erzielte Versucherergebnisse angegeben.

Beispiel 1 (Aufbau feindseitig -> freundseitig):

Flächengewicht	ca. 35,5kg/m² (ohne Spall-Liner 24)
Gesamtwandstärke	d4: 50mm (+/- 1mm)
	Stärke: Material:
Deckschicht (26)	d3: 10mm GFK Volllaminat
Wabenkern (25)	d1: 10mm hochmoduliger FVK(*)
Deckschicht (26)	d3: 10mm GFK Volllaminat
Spall-Liner (24)	d2: 20mm PE Vollmaterial (Dyneema®)

(*) der Fa. Euro-Composites S.A., Echternach, Luxemburg

Versuchsergebnisse zu Beispiel 1:

In einem Ansprengversuch wurde zunächst ohne Zusatzpanzerung mit TNT aus Stahlkragen die dynamische Beulung im direkten Vergleich zu Panzerstahl mit 8mm Wandstärke gemessen. Der Maximalwert (peak) der dynamischen Beulung betrug im Ergebnis überraschenderweise nur 2/3, d.h. 66% der dynamischen Beulung des Vergleichsprobestücks aus Panzerstahl.
In einem weiteren Versuch wurde zur Nachbildung einer Zusatzpanzerung (Add-on) eine Keramikplatte mit ca. 5cm Wandstärke und unter Beibehaltung von ca. 10cm Luftspalt an den Befestigungselementen 30 eines Strukturelements 10 gemäß FIG.1-4 mit Dimensionierung nach Beispiel 1 befestigt. Dieser Aufbau wurde mit einem EFP-IED beschossen. Der Schutz gegen ballistische Einwirkung wird zwar hauptsächlich durch die Zusatzpanzerung erreicht, diese wurde jedoch vom EFP-IED Projektil durchschlagen. Das Projektil wurde unter Beulung, jedoch ohne Riss in der integrierten Splitterschutz-Schicht 24 (Spall-Liner) des Schichtaufbaus 20 aufgefangen.

Beispiel 2 (Aufbau feindseitig -> freundseitig):

Flächengewicht	ca. 6,71kg/m² (ohne Spall-Liner 24)
Gesamtwandstärke	d4: 40mm (+/- 1mm)
	Stärke: Material:
Deckschicht (26)	d3: 0,9mm GFK Volllaminat
Wabenkern (25)	d1: 18,2mm hochmoduliger FVK(*)
Deckschicht (26)	d3: 0,9mm GFK Volllaminat
Spall-Liner (24)	d2: 20mm PE Vollmaterial (Dyneema®)

(*) der Fa. Euro-Composites S.A., Echternach, Luxemburg

Versuchsergebnisse zu Beispiel 2:

Dieser trotz gleicher Gesamtdicke d4 noch leichtere Prototyp gemäß Beispiel 2 wurde in der MIEDAS-Versuchsanlage (Meppen Improvised Explosive Device Assessment Structure) einem strengeren Ansprengversuch mit kugelförmiger TNT-Ladung unterzogen. Zur Nachbildung einer weniger schlagfesten Zusatzpanzerung wurde eine nur 3mm starker Panzerstahlplatte ohne Luftspalt unmittelbar auf das Strukturbauteil 10 dimensioniert gemäß Beispiel 2 aufgeschraubt.
Trotz der um mehr als eine Größenordnung reduzierten Wandstärke der Deckschichten 26 und der deutlich erhöhten Sprengkraft, konnte auch in diesem Versuch eine Beulung ohne Riss erzielt werden.

Bezugszeichenliste

10: Strukturbauteil
12: oberer Teil
14: unterer Teil
16: Biegebereich
17: Aussparung
18, 19: Bohrungen
20: Schichtaufbau
22: Kernverbund
24: Splitterschutz-Schicht
25: Wabenkern
26: Deckschicht
30: Flanschbuchse
32: Innengewinde
34: Flansch
40: Befestigungsbereich
42: Füllmasse
44: verstärkter Bereich
d1-d4: Wandstärken

Claims

Strukturbauteil (10) für ein gepanzertes Fahrzeug umfassend einen Schichtaufbau (20), welcher einen Kernverbund (22) mit innerem Wabenkern (25) und mit zumindest einer Deckschicht (26) aufweist;
wobei im Schichtaufbau (20) weder eine tragende Metall-Schicht noch eine Hartmaterial-Schicht aus Keramik vorliegt;
dadurch gekennzeichnet, dass im Kernverbund (22) Befestigungselemente (30) zur lösbaren Befestigung einer feindseitig anzubringenden Zusatzpanzerung verankert sind, nämlich jeweils in einem Befestigungsbereich (40) innerhalb des Wabenkerns (25), sodass im Wesentlichen der Kernverbund (22) selbst einen Grundschutz bietet und der Kernverbund (22) die Tragstruktur für austauschbare Zusatzpanzerung darstellt, und dass zur Verbindung des Strukturbauteils (10) mit der restlichen Struktur des Fahrzeugs, im äußeren Randbereich des Kernverbunds (20) mindestens ein verstärkter Bereich (44) vorgesehen ist, wobei innerhalb des entsprechenden, lokal begrenzten Flächenbereichs der Befestigungsbereiche (40) und des mindestens einen verstärkten Bereichs (44) alle Zellen des Wabenkerns (25) jeweils vollständig mit einer Füllmasse (42) ausgefüllt sind.
Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Flächengewicht des Kernverbunds (22) geringer ist als 40kg/m², vorzugsweise geringer als 15kg/m².
Strukturbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernverbund (22) aus dem Wabenkern (25) und zwei gegenüberliegenden Deckschichten (26) besteht und zusammen mit einer freundseitigen Splitterschutz-Schicht (24) den Grundschutz darstellt.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil (10) aus einem Schichtaufbau (20) aus folgenden Schichten besteht:
eine feindseitige Deckschicht (26);

einen Wabenkern (25), vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoff;

eine freundseitige Deckschicht (26);

eine freundseitige Splitterschutz-Schicht (24), vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus hochfestem Polyethylen,

welche unmittelbar auf der freundseitigen Deckschicht (26) befestigt ist, sowie

gegebenenfalls Kleberschichten zwischen den Schichten.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkern (25) eine mittlere Wandstärke (d1) aufweist im Bereich von 3mm bis 75mm, vorzugsweise im Bereich von 5mm bis 50mm.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, d ass die freundseitige Deckschicht (26) und/oder die feindseitige Deckschicht eine mittlere Wandstärke (d3) aufweist im Bereich von 0,2mm bis 15mm, vorzugsweise im Bereich von 0,3mm bis 10mm.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungselemente Befestigungsbuchsen (30) umfassen, welche jeweils im entsprechenden Befestigungsbereich (40) im Kernverbund (22) eingelassen und hierin durch Klebung verankert sind.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im äußeren Randbereich des Kernverbunds (22) teil- oder vollumfänglich verteilt, mehrere verstärkte Bereiche (44) zur Verbindung mit der restlichen Struktur des Fahrzeugs vorgesehen sind.
Strukturbauteil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllmasse (42) ein aushärtbarer Duroplast verwendet wurde.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkern (25) Hohlzellen in Honigwaben-Form aufweist, und vorzugsweise im Expansionsverfahren hergestellt ist.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Tür (10) ausgeführt ist.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Tür nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen unteren Teil (12) und einen oberen Teil (14) welche relativ zueinander abgewinkelt und durch einen Biegebereich (16) verbunden sind.
Strukturbauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkern (25) im Biegebereich (16) nahtlos vom unteren Teil (12) zum oberen Teil (14) durchgeht.
Panzerung eines gepanzerten Fahrzeugs umfassend eine Grundpanzerung sowie eine hieran feindseitig und vorzugsweise mit Luftspalt abnehmbar befestigte Zusatzpanzerung,
dadurch gekennzeichnet dass
die Grundpanzerung mindestens ein Strukturbauteil (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.
Gepanzertes militärisches Land- oder Wasserfahrzeug
gekennzeichnet durch
eine Tür welche als Strukturbauteil (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgeführt ist.