EP3338050A1 - Verbundwerkstoff und entsprechendes herstellverfahren für geschosse - Google Patents

Verbundwerkstoff und entsprechendes herstellverfahren für geschosse

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EP3338050A1
EP3338050A1 EP16756661.1A EP16756661A EP3338050A1 EP 3338050 A1 EP3338050 A1 EP 3338050A1 EP 16756661 A EP16756661 A EP 16756661A EP 3338050 A1 EP3338050 A1 EP 3338050A1
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EP
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composite material
projectile
metal powder
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composite
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Markus Bucher
Franck JAUZION- GRAVEROLLE
Daniel STRÄHL
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B12/00—Projectiles, missiles or mines characterised by the warhead, the intended effect, or the material
    • F42B12/02—Projectiles, missiles or mines characterised by the warhead, the intended effect, or the material characterised by the warhead or the intended effect
    • F42B12/36—Projectiles, missiles or mines characterised by the warhead, the intended effect, or the material characterised by the warhead or the intended effect for dispensing materials; for producing chemical or physical reaction; for signalling ; for transmitting information
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B33/00—Manufacture of ammunition; Dismantling of ammunition; Apparatus therefor
    • F42B33/001—Devices or processes for assembling ammunition, cartridges or cartridge elements from parts

Definitions

  • the invention relates to a composite material for Armor Piercing Incendiary (API) and Incendiary projectiles, and a corresponding manufacturing method.
  • API projectiles have been part of the state of the art for a long time and are described, for example, in US Pat. No. 1,380,773 A. They are used to hit the mark by light and to set fire to flammable objects. So when a projectile hits, it should emit a flash of light. Particularly well-known are four different systems:
  • FAP Frangible Armor Piercing
  • an ammunition that has a multi-part construction, but in particular does not consist solely of metal powder.
  • This metal powder titanium or zirconium
  • This metal powder is embedded in epoxy resin and thus forms a combustible part which emits a bright light upon impact (such as in US 5299501 A).
  • Pyrotechnic systems are widely used for larger calibers (military mid-caliber). They contain a pyrotechnic set, which is initiated upon impact and emits a bright light. These pyrotechnic charges usually consist of a proportion of magnesium or aluminum and a proportion of oxygen suppliers in solid form (see, for example, US 3,028,808 A).
  • Multi Purpose bullets are also among the pyrotechnic systems, but in addition to a glowing pyrotechnics, they also have a set of exploded. This achieves a combination of target mark, fire set, shrapnel production and penetration effect.
  • this type of projectile has the great disadvantage that the required multi-layer structure is additionally associated with relatively high production costs (US Pat. No. 5,648,870 A).
  • API projectiles in the small caliber area are usually built in three parts.
  • the shoe preferably consists of a rotating part of a brass alloy. This shoe is in contact with the barrel. Therefore, a high ductility is required here. The shoe must not damage the steel barrel.
  • a hard core is inserted in the center of a preferred designed projectile. This consists of a steel or tungsten alloy. The purpose of the hard core is to ensure penetration.
  • the incendiary share in these projectiles is provided by the titanium tip.
  • the titanium tip is usually made of solid material and often has a relatively complex construction, as it is at the top and still provide enough space for the long hard core. However, it is also conceivable to manufacture incendiary projectiles without a hard core.
  • the present invention therefore had the object of finding a material that is less expensive and to find a method that is more material-saving.
  • the starting material consists of a mud-like structure that can be easily processed into powder. This is also the reason why the powders (precursor material) of the respective materials are comparatively inexpensive. Therefore, according to the invention, it is particularly optimal to use a method in which the tips of the projectiles are made so that powder material can be used. This significantly reduces waste, although the contours can still be complex.
  • the matrix of the composite can be used to permanently bond the bullet and core sections. To keep the bullet as low as possible, the tip should be directly available in the previously defined and desired color without the need for additional dyeing.
  • a metal powder preferably titanium or magnesium powder is embedded in a polymer matrix.
  • the polymer composite material can be formed by transfer molding or other suitable molding techniques.
  • a thermoset or thermoplastic can be used as the matrix polymer.
  • the metal powder fulfills the function of the set of fire, the matrix serves as a carrier and at the same time as a mounting material for the other two parts (hard core and bullet shoe).
  • a connection between the main projectile and the polymer composite material is conceivable, but this only comes into consideration for the Incendiary variant.
  • the structure of a projectile according to the invention is shown in FIG. 1.
  • the polymer-metal composite preferably consists of at least 50% by volume of a metal powder.
  • the metal powder is preferably selected from the group consisting of titanium, magnesium, aluminum, zirconium or any mixtures thereof, preferably the metal powder is titanium or magnesium.
  • the polymer matrix preferably consists of a thermoplastic industrial plastic, for example polyether ketone (PEEK) or another industrial plastic. PEEK is particularly suitable for the application because of the wide temperature band in which the product can be used.
  • the tip of the projectile is sprayed directly onto the bullet shoe and the hard core.
  • bullet core and bullet shoe can be provided with a rough surface, notches or radial grooves.
  • the precursor piece (FIG. 2) consisting of a bullet shoe with the core located therein, can be inserted into the injection molding tool and encapsulated from the tip.
  • the pressing is no longer necessary with a press fit to obtain the precursor piece.
  • the placement of the bullet tip also falls away and the injection molding of the bullet tip an additional seal is obsolete.
  • a modular design may be considered.
  • the individually produced composite polymer projectile nose can be fastened with a snap closure, a bayonet closure or a press fastener on the precursor. This becomes a decentralized Production possible.
  • An embodiment with a missile configuration which can be modified shortly before use is thereby also possible. It is possible in a particularly noteworthy embodiment to use either a plastic tip without metal content or a tip with different mixtures. This allows a single projectile design to be used as an AP ammunition or API ammunition.
  • the operating principle for the flash of light can be explained as follows. Due to the short-term dynamic impact of the tip, the plastic reacts brittle-fracture-prone, so that the plastic-metal composite breaks up like a ceramic. The metal powder particles are released. Due to the impact friction, the particles are also warmed up and ignite z. The magnesium needs more energy until the auto-ignition temperature is reached, which is why a changed fire pattern is shown, but an ignition on impact is still possible. In metal powder mixtures, therefore, a desired effect can be achieved, for example, a flame coloring by addition of other elements is conceivable. In particular, the alkali and alkaline earth metals come into consideration, which often have a characteristic flame color. Particularly suitable are additives of potassium, sodium, barium, calcium, lithium, boron, strontium.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff für Armor Piercing Incendiary (API) und Incendiary Geschosse, sowie ein entsprechendes Herstellverfahren.

Description

Verbundwerkstoff und entsprechendes Herstellverfahren für Geschosse
Gegenstand der Erfindung ist ein Verbundwerkstoff für Armor Piercing Incendiary (API) und Incendiary Geschosse, sowie ein entsprechendes Herstellverfahren.
API Geschosse gehören seit langer Zeit zum Stand der Technik und werden beispielsweise in der US 1380773 A beschrieben. Verwendet werden sie zur Treffermarkierung durch Licht und zum Inbrandsetzen von entzündlichen Gegenständen. Wenn also ein Projektil auftrifft, soll es einen Lichtblitz emittieren. Besonders bekannt sind vier unterschiedliche Systeme:
Dazu gehört das Frangible Armor Piercing (FAP) System, eine Munition, welche einen mehrteiligen Aufbau besitzt, der insbesondere aber nicht ausschliesslich aus Metallpulver besteht. Dieses Metallpulver (Titan oder Zirkonium) ist in Epoxidharz eingebettet und bildet so einen brennbaren Teil, der beim Aufprall ein helles Licht emittiert (so zum Beispiel in US 5299501 A).
Pyrotechnische Systeme sind bei grösseren Kalibern (militärisches Mittelkaliber) weit verbreitet. Sie enthalten einen pyrotechnischen Satz, welcher beim Auftreffen initiiert wird und ein helles Licht emittiert. Diese pyrotechnischen Sätze bestehen meist aus einem Anteil an Magnesium oder Aluminium und einem Anteil an Sauerstofflieferanten in Feststoffform (siehe beispielsweise die US 3028808 A).
Bei militärischer Kleinkaliber Munition sind Systeme bekannt, welche ausschliesslich einen Brennstoff enthalten (z. B. in US 41 12846 A). Die Kleinkaliber API Munition ist mit einer Spitze versehen, welche aus Titan aufgebaut ist und ist oftmals aus dem Vollen spanend bearbeitet. Diese Titanspitze wird beim Aufprall durch die Reibung erhitzt. Diese Reibungswärme reicht aus, um das Titan zu entzünden. Da Titan unter einer hellen Flamme verbrennt, erreicht man so eine genaue Zielpunktmarkierung. Neben der Zielpunktmarkierung können auch absichtlich leicht zu entzündende Gegenstände in Brand gesetzt werden.
Multi Purpose Geschosse zählen auch zu den pyrotechnischen Systemen, besitzen aber neben einer leuchtenden Pyrotechnik auch einen Satz der explodiert. Dadurch erreicht man eine Kombination aus Zielpunktmarkierung, Brandsatz, Schrapnellproduktion und Penetrationseffekt. Diese Projektilart hat aber den grossen Nachteil, dass der erforderliche mehrschichtige Aufbau zusätzlich mit relativ hohen Herstellkosten verbunden ist (US 2564870 A).
API Geschosse im Kleinkaliber Bereich sind meist dreiteilig aufgebaut. Der Schuh besteht vorzugsweise aus einem Drehteil aus einer Messinglegierung. Dieser Schuh steht in Kontakt mit dem Lauf. Deshalb ist hierbei eine hohe Duktilität gefordert. Der Schuh darf den Stahllauf nicht beschädigen. Im Zentrum eines bevorzugt ausgestalteten Projektils ist ein harter Kern eingelegt. Dieser besteht aus einer Stahl oder Wolframlegierung. Der Zweck des Hartkerns ist es, die Penetration sicherzustellen. Den Incendiary Anteil bei diesen Geschossen liefert die Titanspitze. Die Titanspitze besteht in der Regel aus Vollmaterial und hat oft einen relativ komplexen Aufbau, da es sich an der Spitze befindet und immer noch genug Platz für den langen Hartkern bereitstellen soll. Es ist aber auch denkbar, Incendiary Geschosse ohne Hartkern zu fertigen. Hinzu kommt, dass der Aufbau in Vollmaterial-Titan marktwirtschaftlich fraglich ist, da die Materialeigenschaften des relativ teuren rein-Titans in keiner Weise ausgenutzt werden. Für den Incendiary Effekt sind weder die Duktilität noch die geringe Dichte entscheidend. Auch die hervorragende Korrosionsbeständigkeit hat nur eine untergeordnete Relevanz. Aufgrund der teils komplizierten Innengeometrie ist das Volumen, das spanend abgetragen werden muss, relativ groß. Der Grund für die Verwendung des Materials ist dessen Brennbarkeit.
Der vorliegenden Erfindnung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Material zu finden, das kostengünstiger ist und ein Verfahren zu finden, das materialsparender ist. Bei der Herstellung von Titan und auch Magnesium zu einem Halbzeug besteht das Ausgangsmaterial aus einer schlammartigen Struktur, die einfach zu Pulver verarbeitet werden kann. Dies ist auch der Grund, warum die Pulver (Präkursor Material) der jeweiligen Materialien vergleichsweise preisgünstig sind. Erfindungsgemäß ist daher besonders optimal, eine Methode zu verwenden, bei welcher die Spitzen der Projektile so angefertigt werden, dass Pulvermaterial verwendet werden kann. Dadurch reduziert sich der Abfall signifikant, obwohl die Konturen immer noch komplex sein können. Beim Produktionsprozess kann die Matrix des Verbundwerkstoffes genutzt werden, um die Teilstücke Geschossschuh und Kern miteinander dauerhaft zu verbinden .Um das Geschoss möglichst günstig zu halten sollte die Spitze direkt in der vorher definierten und gewünschten Farbe erhältlich sein, ohne dass ein zusätzlicher Färbevorgang notwendig wäre.
Beim zu schützenden Projektil wird die ungünstige Materialausnutzung gelöst, indem ein Metallpulver, bevorzugt Titan- oder Magnesiumpulver in eine Polymermatrix eingebettet wird. Der Polymer- Verbund Werkstoff kann durch Spritzpressen oder andere geeignete Formgebungsverfahren geformt werden. Als Matrixpolymer kann ein Duroplast oder Thermoplast verwendet werden. Das Metallpulver erfüllt hierbei die Funktion des Brandssatzes, die Matrix dient als Träger und zugleich als Befestigungsmaterial für die beiden anderen Teile (Hartkern und Geschossschuh). Auch eine Verbindung zwischen dem Hauptprojektil und dem Polymerverbundwerkstoff ist denkbar, was aber nur für die Incendiary Variante in Betracht kommt. Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Projektils ist aus Fig. 1 ersichtlich. Durch orientierende Tests wurde herausgefunden, dass es überraschenderweise reicht, einen Metall- Polymer-Verbund Werkstoff zu verwenden, um den gewünschten Lichteffekt zu generieren. Der Polymer-Metallverbund besteht bevorzugt zu mindestens 50 Volumenprozent aus einem Metallpulver. Das Metallpulver wird vorzugsweiseausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Titan, Magnesium, Aluminium, Zirkon oder beliebigen Mischungen davon, bevorzugt besteht das Metall pulver aus Titan oder Magnesium. Die Polymermatrix besteht bevorzugt aus einem thermoplastischen Industriekunststoff, beispielsweise Polyethereterketon (PEEK) oder einem anderen Industriekunststoff. PEEK ist aufgrund des breiten Temperaturbandes, in demdas Produkt eingesetzt werden kann, für die Anwendung besonders geeignet.
Bevorzugt wird die Spitze des Geschosses direkt auf den Geschossschuh und den Hartkern gespritzt. Damit eine verbesserte Verbindung entsteht, können Geschosskern und Geschossschuh mit einer rauen Oberfläche, Kerben oder Radialnuten versehen werden. Idealerweise kann das Precursor Stück (Fig. 2), bestehend aus Geschossschuh mit dem darin befindlichen Kern, in das Spritzgusswerkzeug eingelegt werden und von der Spitze her umgössen werden. Dadurch können mehrere Arbeitsschritte vereinfacht oder eingespart werden, beispielsweise ist das Einpressen mit einer Presspassung, um das Precursor Stück zu erhalten, nicht mehr notwendig. Das Aufsetzen der Geschossspitze fällt ebenfalls weg und durch das Spritzgiessen der Geschossspitze wird eine zusätzliche Abdichtung hinfällig.
In einer anderen Ausführungsform kann ein modularer Aufbau in Betracht gezogen werden. Die im Einzelnen produzierte Polymer-Verbund-Geschossspitze kann dabei mit einem Schnappverschluss, einem Bajonettverschluss oder einem Pressverschluss auf dem Precursor befestigt werden. Dadurch wird eine dezentrale Fertigung möglich. Auch eine Ausführungsform mit einer kurz vor dem Einsatz abänderbaren Geschosspitzenkonfiguaration ist dadurch möglich. Es ist in einer besonders hervorzuhebenden Ausführungsform möglich, wahlweise eine Kunststoffspitze ohne Metallinhalt oder eine Spitze mit unterschiedlichen Mischungen einzusetzen. Dadurch kann eine einzige Geschosskonstruktion wahlweise als AP Munition oder API Munition verwendet werden.
Industriekunststoffe sind verschiedenfarbig als Granulat erhältlich. Somit ist auch eine simple Markierung und farbliche Anpassung möglich. Als Metallpulver eigenen sich Korngrössen von 0,02 mm bis 0,4 mm. Grundsätzlich entsteht dabei nur wenig Metallabfall. Dies macht die Konstruktion ökonomisch und ökologisch wertvoll.
Das Funktionsprinzip für den Lichtblitz erklärt sich wie folgt. Durch den kurzzeitdynamischen Aufprall der Spitze reagiert der Kunststoff sprödbruchanfällig, so dass der Kunststoff-Metall-Verbund ähnlich einer Keramik zerbricht. Dabei werden die Metallpulverpartikel freigesetzt. Durch die Aufprallreibung werden die Partikel zusätzlich aufgewärmt und entzünden sich z. B. bei Magnesium bereits nach kürzester Zeit selbst. Das Titan benötigt zwar mehr Energie bis die Selbstzündtemperatur erreicht ist, weshalb sich auch ein verändertes Feuerbild zeigt, aber eine Entzündung beim Aufprall ist dennoch möglich. Bei Metallpulvergemischen kann daher ein gewünschter Effekt erzielt werden, beispielsweise eine Flammfärbung durch Zusätze von anderen Elementen ist denkbar. Dafür kommen insbesondere die Alkali- und Erdalkalimetalle in Betracht, die vielfach eine charakteristische Flammfärbung aufweisen. Insbesondere geeignet sind Zusätze von Kalium, Natrium, Barium, Calcium, Lithium, Bor, Strontium.

Claims

Patentansprüche
1. Verbundwerkstoff umfassend ein Metallpulver und eine Polymermatrix, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver ausgewählt wird aus der
Gruppe, bestehend aus Titan, Magnesium, Aluminium, Zirkon oder beliebigen Mischungen davon.
2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff zu mindest 50 Volumenprozent aus dem Metallpulver besteht.
3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver eine Korngrösse von 0,02 mm bis 0,4 mm aufweist.
4. Verbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Duroplast oder ein Thermoplast als Polymermatrix verwendet werden.
5. Verbundwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix aus thermoplatischem Industriekunststoff besteht.
6. Projektil umfassend den Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5.
7. Projektil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschossspitze aus dem Verbundwerkstoff der Ansprüche 1 bis 5 besteht.
8. Projektil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Projektil einen modularen Aufbau hat und die Verbundwerkstoff-Geschossspitze mit einem Schnappverschluss, einem Bajonettverschluss oder einem Pressverschluss auf dem Precursor, der aus einem Kern und einem Geschossschuh besteht, befestigt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Projektils, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschossspitze direkt auf den Precursor, der aus einem Kern und einem Geschossschuh besteht, gespritzt wird.
0. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschossspitze aus dem Verbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 5 besteht.
1. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Geschossspitze mittels Spritzpressen oder Spritzgiessen erfolgt.
2. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Precursor in das Spritzgusswerkzeug eingelegt wird und von der Spitze her umgössen wird.
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