ES2926464T3

ES2926464T3 - Armadura suave de resistencia balística

Info

Publication number: ES2926464T3
Application number: ES15856110T
Authority: ES
Inventors: Iii George Tunis; Benjamin Kremer
Original assignee: Hardwire LLC
Current assignee: Hardwire LLC
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2022-10-26
Anticipated expiration: 2035-09-09
Also published as: MX2017005705A; IL252038B; AU2015339913A1; KR102457104B1; BR112017009206B1; BR112017009206A2; JP6668368B2; AU2015339913B2; EP3212340B1; WO2016069118A1; LT3212340T; RS63636B1; HRP20221093T1; CA2966512C; US11041697B2; DK3212340T3; PT3212340T; CA3155880A1; IL252038A0; EP3212340A4

Abstract

Se proporciona un panel de blindaje blando mediante el trabajo de ablandamiento de un panel formado por un material balístico. El panel también incluye planos de deslizamiento entre grupos de capas adyacentes, permaneciendo los grupos de capas adyacentes desconectados o sustancialmente desconectados en el plano de deslizamiento. El chaleco antibalas suave o conformable es resistente a diversas amenazas de proyectiles, en las que el panel se fabrica suavizando por trabajo un panel que de otro modo sería rígido. El panel de blindaje blando incluye una laminación suavizada por trabajo de una pluralidad de grupos de capas. Cada grupo de capas comprende una o más capas, comprendiendo cada capa un material compuesto de fibras incrustadas en un material de matriz. Se dispone un plano de deslizamiento entre al menos un conjunto de grupos de capas adyacentes, de manera que los grupos de capas adyacentes permanecen desconectados o sustancialmente desconectados en el plano de deslizamiento. El panel balístico ablandado retiene propiedades balísticas significativas, es liviano y se puede adaptar fácilmente a varias configuraciones de torso. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Armadura suave de resistencia balística

Antecedentes de la invención

La armadura suave convencional (por ejemplo, chalecos antibalas suaves) es un conjunto de materiales suaves, tales como fibras de alta resistencia y las telas tejidas a partir de fibras de alta resistencia, combinados a través de la costura y la adhesión con medios textiles convencionales. Los materiales compuestos que incorporan fibra en una matriz de resina han sido difíciles de usar en armaduras suaves convencionales, ya que tales materiales compuestos son rígidos y no son adaptables al cuerpo humano. El documento wo200909l432 describe un panel de armadura flexible formado al flexionar un panel rígido más allá de su límite de flexión elástico en ubicaciones seleccionadas para crear un patrón distribuido de líneas de flexión que comprende la deformación de la superficie y la delaminación localizada de las capas interiores del panel cerca de la deformación de la superficie. En una modalidad, el panel comprende dos grupos de capas, un grupo de capas que comprende 7-12 capas y el otro que comprende 3-8 capas, de preimpregnados de uhmwpe. Entre los dos grupos de capas hay un tercer grupo de 11-16 capas de fibras sin matriz.

Resumen de la invención

La invención se refiere a una armadura suave, o adaptable, resistente a diversas amenazas de proyectiles, en la que el panel se fabrica mediante el trabajo de ablandamiento de un panel rígido de cualquier otra manera. El panel de armadura suave incluye una laminación ablandada por trabajo de una pluralidad de grupos de capas. Cada grupo de capas comprende una o más capas, cada capa que comprende un material compuesto de fibras incrustadas en un material de matriz. Se dispone un plano de deslizamiento entre al menos un conjunto de grupos de capas adyacentes, de manera que los grupos de capas adyacentes permanecen desconectados o sustancialmente desconectados en el plano de deslizamiento. El panel balístico ablandado retiene propiedades balísticas significativas, es de peso ligero y puede adaptarse fácilmente a diversas configuraciones de torso.

Otros aspectos de la armadura suave de resistencia balística incluyen lo siguiente:

1. Un panel suave que comprende:

una laminación ablandada por trabajo que comprende una pluralidad de grupos de capas, cada grupo de capas que comprende una o más capas, cada capa que comprende un material compuesto que comprende fibras incrustadas en un material de matriz; y

un plano de deslizamiento entre al menos un conjunto de grupos de capas adyacentes, los grupos de capas adyacentes que permanecen desconectados o sustancialmente desconectados en el plano de deslizamiento, en donde el plano de deslizamiento comprende un agente de deslizamiento entre los grupos de capas adyacentes.

Un proceso para formar un panel suave que comprende:

proporcionar una pluralidad de grupos de capas, cada grupo de capas que comprende una pluralidad de capas de un material compuesto que comprende fibras incrustadas en un material de matriz;

laminar los grupos de capas unidos en un panel con un plano de deslizamiento entre al menos un conjunto de grupos de capas adyacentes, los grupos de capas adyacentes que permanecen desconectados o sustancialmente desconectados en el plano de deslizamiento; y

Ablandar por trabajo el panel al aplicar un esfuerzo mecánico o deformación mecánica o una tensión térmica al panel, e insertar una capa de liberación entre los grupos de capas adyacentes antes del trabajo de ablandamiento para formar el plano de deslizamiento.

Descripción de los dibujos

La invención se comprenderá mejor a partir de la siguiente descripción detallada tomada junto con los dibujos acompañantes en los que:

La Figura 1 es una vista en planta esquemática de una modalidad de un panel de armadura suave;

La Figura 2 es una vista en sección transversal a lo largo de las líneas M-M de la Figura 1;

La Figura 3 es una vista despiezada esquemática de un conjunto de capas antes de la laminación para fabricar un panel de armadura suave;

La Figura 4 es una vista despiezada esquemática de una laminación para un panel de armadura suave;

La Figura 5 es una fotografía de un panel de armadura suave que se ha ablandado por trabajo, que ilustra una textura rugosa;

La Figura 6 es una ilustración esquemática de una serie de rodillos para aplanar un panel con una textura rugosa;

La Figura 7A es una ilustración esquemática de un panel de armadura suave pegado con cinta a lo largo de sus bordes;

La Figura 7B es una ilustración esquemática de un panel de armadura suave con remaches cerca de los bordes; La Figura 8 es una ilustración esquemática de un panel de armadura suave en una bolsa de vacío;

La Figura 9 es una ilustración esquemática de varios mecanismos de ablandamiento;

La Figura 10 es una ilustración esquemática de una nomenclatura de orientación del panel;

La Figura 11 es una ilustración esquemática de una orientación del panel en relación con una orientación de la máquina;

Las Figuras 12A a la 12D son ilustraciones esquemáticas de diversas orientaciones para introducir paneles en una máquina de ablandamiento;

La Figura 13A es una vista frontal de una modalidad de un proceso de alimentación mediante el uso de una máquina de ablandamiento de rodillos opuestos;

La Figura 13B es una vista isométrica del proceso de alimentación de la Figura 13A.

La Figura 14 es una ilustración esquemática de regiones de deformación en el proceso de las Figuras 13Ay 13B; La Figura 15 es una vista isométrica esquemática de una modalidad de un proceso de alimentación mediante el uso de una máquina de ablandamiento formadora en forma de estrella engranada;

La Figura 16 es una vista frontal en sección transversal esquemática de la máquina de ablandamiento de la Figura 15;

La Figura 17A es una vista lateral esquemática de dos estrellas opuestas en la máquina de ablandamiento formadora en forma de estrella engranada;

La Figura 17B es una vista isométrica esquemática de las dos estrellas opuestas de la Figura 17A;

La Figura 18 es una ilustración esquemática de un patrón de contacto después de procesar un panel en una máquina de ablandamiento formadora en forma de estrella engranada;

La Figura 19 es una vista frontal de una modalidad de una máquina formadora en forma de estrella engranada para su uso en la formación de un panel ablandado;

La Figura 20 es una vista trasera de la máquina formadora de la Figura 19;

La Figura 21 es una vista detallada de una región engranada de la máquina formadora de la Figura 19;

La Figura 22 es una ilustración esquemática de una prueba de caída de suavidad;

La Figura 23 ilustra la parte frontal y la parte posterior de un paquete de disparo de 15" x 15" después de la prueba FSP de 17 granos;

La Figura 24 ilustra la parte frontal y la parte posterior de un paquete de disparo de 15" x 15" después del acondicionamiento con JP-8 y la prueba FMJ de 9 mm;

La Figura 25 ilustra la parte frontal y la parte posterior de un panel más pequeño NIJ-C-1 después de la prueba de .357 Mag;

La Figura 26 ilustra la parte frontal y la parte posterior de un panel más pequeño NIJ-C-1 después del acondicionamiento con JP-8 y la prueba de .357 Mag;

La Figura 27 ilustra la parte frontal y la parte posterior de un panel más pequeño NIJ-C-1 después de la prueba de .357 Sig;

La Figura 28 ilustra la parte frontal y la parte posterior de un panel más pequeño NIJ-C-1 después del acondicionamiento con JP-8 y la prueba de .357 Sig;

La Figura 29 ilustra la parte posterior de un panel de prueba con una capa de respaldo de fieltro después de una prueba V50;

Las Figuras 30A, 30B y 30C ilustran fragmentos atrapados en las fibras de fieltro de un panel de prueba con una capa de respaldo de fieltro;

La Figura 31 ilustra tres disparos a un panel de prueba sin una capa efectora en la cara frontal; y

La figura 32 ilustra tres disparos a un panel de prueba con una capa efectora en la cara frontal.

Descripción detallada de la invención

Se proporciona un panel de armadura, tal como un panel de armadura suave, que se forma a partir de un material compuesto rígido que se ha ablandado por trabajo para introducir suficiente conformidad de manera que el panel puede adaptarse, por ejemplo, al cuerpo humano. El trabajo de ablandamiento del panel introduce defectos en el material. Adicionalmente, el panel se forma de una laminación de grupos de capas que se desconectan o desconectan sustancialmente a grupos de capas adyacentes mediante la inclusión de planos de deslizamiento dentro de la laminación. Las pruebas (descritas más adelante) han mostrado que puede lograrse un rendimiento balístico superior sobre la armadura suave tradicional.

Con referencia a las Figuras 1-2, una modalidad de un panel de armadura suave se forma a partir de una laminación que comprende una pluralidad de grupos de capas 20. Si se desea puede incluirse una capa o capas de respaldo 40 y/o una capa o capas de la cara frontal 50. Si se desea pueden incluirse otras capas interiores (no mostradas en las Figuras 1 y 2). Cada grupo de capas 20 comprende una pluralidad de capas 22 de un material compuesto de fibras incrustadas en un material de matriz. Las fibras en cada capa pueden tener una variedad de orientaciones, descritas más adelante. Para formar un panel 10, una pila de grupos de capas, y opcionalmente otras capas, se laminan unidas bajo calor y presión para consolidar las capas dentro de cada grupo de capas. Los planos de deslizamiento 30, descritos más adelante, se forman entre al menos dos y en algunas modalidades entre todos los grupos de capas adyacentes en el panel. Los planos de deslizamiento permiten que los grupos de capas adyacentes permanezcan desconectados o sustancialmente desconectados entre sí después de la laminación y permiten que se produzca el deslizamiento más fácilmente entre las superficies adyacentes de los grupos de capas en un evento balístico, lo que ayuda a reducir la desviación lateral posterior máxima. El panel laminado se ablanda por trabajo subsecuentemente, lo que introduce en cada grupo de capas consolidado una pluralidad de defectos y hace que la laminación sea más elástica. Los defectos, que pueden producirse en cualquier ubicación a lo largo del panel, comprenden uno o más defectos de falta de adhesión y defectos de delaminación entre las fibras o capas dentro de un grupo de capas o entre los grupos de capas laminadas. Un panel de armadura ablandado por trabajo o elástico puede adaptarse más fácilmente a un torso humano cuando se usa en una prenda tal como un chaleco antibalas y es más cómodo de usar.

En la Figura 3 se ilustra esquemáticamente un conjunto de panel 12 ilustrativo de grupos de capas 20 y otras capas dispuestas para la laminación. El conjunto de panel mostrado tiene tres grupos de capas 20, pero puede usarse cualquier número deseado de grupos de capas, en dependencia de la aplicación. De manera similar, cada grupo de capas puede tener cualquier número adecuado de capas 22, en dependencia de la aplicación. Puede colocarse una película protectora 60 sobre ambas superficies de cada grupo de capas para proporcionar protección contra el petróleo, la gasolina, y otros contaminantes. La película puede fabricarse de, por ejemplo, una poliolefina, preferentemente un polietileno de alta densidad o polipropileno, uretano, u otro termoplástico o termoestable con una temperatura de procesamiento por debajo de la temperatura de fusión de las fibras del material compuesto. La película se adhiere al grupo de capas adyacentes durante la laminación. Las superficies exteriores del conjunto de panel pueden cubrirse además con una película protectora 60 que se transfiere a la superficie adyacente durante la laminación.

En el conjunto de panel, al menos dos y en algunas modalidades todos los grupos de capas adyacentes se separan por un plano de deslizamiento 30 intencional durante la laminación. Los planos de deslizamiento entre los grupos de capas pueden formarse por una variedad de mecanismos (descritos más adelante) que permiten el deslizamiento suficiente de manera que el panel puede funcionar bien durante un evento balístico, es decir, un impacto por un proyectil tal como una bala disparada por un arma de fuego. En algunas modalidades, el plano de deslizamiento puede ayudar además a mantener el panel unido y en una forma deseada durante el uso normal (no durante un evento balístico), tal como cuando el panel se incorpora en un artículo, por ejemplo, un chaleco antibalas a usar por una persona. Es decir, el grado de deslizamiento o adhesión entre los grupos de capas adyacentes puede controlarse mediante la elección del (de los) material(es) que forma(n) el plano de deslizamiento y el mecanismo para fabricar el plano de deslizamiento. Por lo tanto, como se usa en la presente, los grupos de capas se "desconectan sustancialmente" cuando el(los) plano(s) de deslizamiento permite(n) que los grupos de capas se muevan en cizallamiento entre sí durante un evento balístico, mientras que ayudan a mantener los grupos de capas unidos en una forma particular para el uso normal.

En algunas modalidades, se crea un plano de deslizamiento mediante la inclusión de una capa de liberación durante la laminación. La capa de liberación puede incluir un sustrato 32 de un material antiadherente, tal como un papel recubierto con un agente de liberación, tal como silicona u otro material de baja energía superficial. El sustrato antiadherente puede soportar el calor y la presión dentro de una máquina de laminación sin fundirse o adherirse a las superficies adyacentes, de manera que puede eliminarse subsecuentemente. El sustrato antiadherente se recubre adicionalmente en ambos lados con un agente de deslizamiento 34 (ilustrado esquemáticamente como puntos en las Figuras 3 y 4) que, durante la laminación, se transfiere a la película protectora adyacente 60 en las superficies del grupo de capas. En una modalidad, el agente de deslizamiento comprende grafeno. En algunas modalidades, el grafeno en la capa de liberación puede proporcionarse como partículas de grafeno o una tinta seca a base de grafeno aplicada como una capa que tiene un grosor que varía desde 0,0001 pulgadas a 0,002 pulgadas. En algunas modalidades, la capa de grafeno comprende el 1 % en peso o menos del peso de un grupo de capas adyacentes. Una tinta a base de grafeno adecuada es VOR-INK®, comercialmente disponible de Vorbeck Materials Corporation. La tinta a base de grafeno está disponible como un líquido, que puede recubrirse y secarse sobre una lámina de la capa de liberación, tal como papel recubierto de silicona, mediante un proceso de impresión, tal como la impresión en huecograbado mediante el uso de un cilindro sin grabar para recubrir toda la lámina. Pueden usarse, otros procesos de impresión, tales como impresión flexográfica, litografía, impresión offset, impresión serigráfica, o impresión digital. La tinta puede contener componentes adicionales, tales como aglutinantes poliméricos. Generalmente, puede usarse una tinta que tiene una menor cantidad de aglutinante, ya que una menor cantidad de aglutinante proporciona mejor lubricación, y puede mejorar además las características de desprendimiento de la tinta de la capa de liberación, lo que puede ser útil para transferir el grafeno a la superficie del grupo de capas y crear un plano de deslizamiento.

Una capa de liberación 32 con un agente de deslizamiento 34 tal como el grafeno puede ubicarse además en una cara de impacto de un panel. En este caso, la superficie impregnada de grafeno que se forma da como resultado sorprendentemente una menor penetración del panel de armadura suave como se describe en la presente descripción.

Una variedad de materiales puede servir como agente de deslizamiento, en dependencia de su coeficiente de fricción y adhesión al grupo de capas adyacentes. Los ejemplos incluyen, sin limitación, partículas de grafeno, partículas metálicas, partículas de cerámica, papel, películas de plástico (tal como polietileno de alta densidad o tereftalato de polietileno), u hojas metálicas (tal como una hoja de aluminio). La cantidad y el tipo de agente de deslizamiento a usar pueden variar en dependencia del nivel de amenaza contra el que se desea la protección, y el grosor y la geometría del panel de armadura suave terminado. Por ejemplo, un chaleco balístico puede fabricarse en una variedad de tamaños, desde extrachico hasta extragrande, y la geometría o forma de cada tamaño varía. Los tamaños más pequeños tienden a tener una forma más rectangular y los tamaños más grandes tienden a tener mayores áreas de corte para las sisas y el escote. Los tamaños más grandes pueden emplear una mayor cantidad de agente de deslizamiento que los tamaños más pequeños para cumplir con el mismo nivel de amenaza. La cantidad de agente de deslizamiento puede determinarse fácilmente empíricamente al, por ejemplo, probar el nivel de amenaza particular, tal como con la prueba V50 y la prueba de desviación lateral posterior, descritas más adelante.

Los planos de deslizamiento pueden incorporarse en la laminación de diversas formas. En algunas modalidades, puede incorporarse una película de liberación, tal como una capa de papel recubierto de silicona o una película de tereftalato de polietileno (PET) recubierta de silicona, entre los grupos de capas. El ablandamiento subsecuente tiende a delaminar el panel en las ubicaciones de la capa de película, que crea un conjunto de múltiples paneles. En otro ejemplo, pueden introducirse sistemas de resina no compatibles, en los que las resinas no se unen entre sí, para crear discontinuidades diseñadas en ubicaciones específicas de la capa. En un ejemplo adicional, una sola capa o varias capas que comprenden fibras orientadas en un ángulo diferente de las fibras en capas adyacentes pueden incorporarse en el panel, que incluye entre o dentro de grupos de capas. Por ejemplo, un grupo de capas puede incluir capas adyacentes de fibras orientadas a 45°/-45° así como también capas adyacentes de fibras orientadas a 0°/90°. Tal orientación de la fibra se denomina a menudo UD (unidireccional) de capas cruzadas en la técnica.

Los planos de deslizamiento pueden modificarse mediante una variedad de mecanismos para ayudar a mantener el panel unido y retener su forma durante el uso normal mientras que permite el deslizamiento suficiente para funcionar bien durante un evento balístico. Por ejemplo, un adhesivo de aerosol o de contacto suave puede agregar una variedad de propiedades al plano de deslizamiento, que incluyen 1) cierta resistencia al deslizamiento de una naturaleza viscoelástica pero que aún permite adaptabilidad, 2) lubricidad entre los grupos de capas, y 3) propiedades conectivas que tienden a mantener la laminación unida. El adhesivo puede aplicarse ya sea antes o después del trabajo de ablandamiento. Un adhesivo de aerosol suave tal como el adhesivo de aerosol 3M Super 77™ es un adhesivo adecuado. En otro ejemplo, un mecanismo de sujeción, tal como el sujetador de gancho y lazo (por ejemplo, un sujetador VELCRO®), puede ubicarse entre los grupos de capas en parches o continuamente, y puede proporcionar atributos similares.

Pueden usarse combinaciones de tales técnicas para crear un solo plano de deslizamiento o múltiples planos de deslizamiento. Adicionalmente, cada plano de deslizamiento puede crearse mediante el uso de una técnica o técnicas diferentes para proporcionar diferentes niveles de deslizamiento o adhesión a lo largo de la laminación.

El conjunto de panel se coloca en una máquina de laminación para la laminación. Si se desea pueden apilarse y laminarse múltiples conjuntos de paneles al mismo tiempo. Se coloca además una capa de liberación 32 de, por ejemplo, papel recubierto de silicona en ambas superficies exteriores del conjunto para evitar la adhesión a la máquina de laminación o a otro conjunto de panel, si está presente. La laminación puede producirse a una temperatura que varía desde 70 hasta 500 °F a una presión que varía desde 10 hasta 10 000 psi durante una duración que varía desde 10 minutos hasta 10 horas, en dependencia de los materiales usados y el grosor y la geometría del conjunto de panel. En algunas modalidades, la laminación puede producirse a una presión que varía desde 2000 hasta 4000 psi. En algunas modalidades, la temperatura puede variar desde 200 hasta 300 °F. Preferentemente, la temperatura superior se elige por debajo de la temperatura de fusión de las fibras en el grupo de capas, o en el caso de fibras que no se funden, a una temperatura ventajosa para procesar la matriz de resina, por ejemplo, para lograr una mayor velocidad de procesamiento y/o propiedades deseables de la matriz. En algunas modalidades, la laminación puede producirse durante una duración que varía desde 30 minutos hasta 10 horas. Durante la operación de laminación, las capas 22 dentro de un grupo de capas 20 se consolidan y se adhieren entre sí, mientras que se produce poca o ninguna adhesión entre los grupos de capas adyacentes separados por una capa de liberación 32. La laminación resultante es un panel rígido. Por ejemplo, en una prueba de caída como se describe más abajo, el ángulo de caída es sustancialmente 0°.

Si se laminan conjuntos de paneles múltiples en una sola operación de laminación, se separan, por ejemplo, a mano a lo largo de la capa de liberación. Cada panel laminado resultante puede cortarse a una forma deseada, tal como una forma adecuada para un chaleco antibalas como se ilustra en la Figura 1. Los grupos de capas pueden separarse en los planos de deslizamiento para eliminar los sustratos antiadherentes 32 (por ejemplo, el papel recubierto de silicona), que deja que el agente de deslizamiento 34 (por ejemplo, el grafeno) se adhiera a la película 60 en las superficies de los grupos de capas 20. Ver la Figura 4. Las capas dentro de cada grupo de capas no son separables a mano. Entonces los grupos de capas se vuelven a apilar, y el panel se introduce en una máquina de ablandamiento por trabajo (descrita más adelante) para introducir defectos en los grupos de capas y aumentar la conformidad del panel.

Después del trabajo de ablandamiento, el panel 10 puede tener una textura rugosa (Figura 5) que puede aplanarse, por ejemplo, al pasar el panel entre una serie de rodillos 70 de diámetro pequeño (por ejemplo, 5/8 de pulgada). Ver, por ejemplo, la Figura 6. Además, después del trabajo de ablandamiento, la orientación de la fibra de uno o más grupos de capas que se separan por un plano de deslizamiento de los grupos de capas adyacentes puede alterarse al girar o voltear uno o más grupos de capas. Esto puede ayudar a aleatorizar las discontinuidades y proporcionar discontinuidades adicionales en el panel en algunas modalidades.

Cualquiera de las capas adicionales, tal como una capa de respaldo 50 y/o una capa de la cara de impacto 40, puede agregarse al panel. En algunas modalidades, pueden agregarse una o más capas de fieltro como una capa de respaldo para actuar como una capa receptora para la protección contra fragmentos mejorada. En algunas modalidades, pueden agregarse una o más capas de fieltro como una capa efectora frontal o una capa de la cara de impacto para comenzar el proceso de deformar un proyectil entrante, por ejemplo, al quitar la cubierta de una bala.

La pila puede sujetarse unida de cualquier manera adecuada, tal como con cinta a lo largo de los bordes, con remaches, costura, o sujetadores de gancho y lazo en ubicaciones seleccionadas, o con un adhesivo suave para mantener los grupos de capas y otras capas unidos como un artículo terminado, mientras que aún permite el deslizamiento a lo largo de los planos de deslizamiento durante un evento balístico. Una cinta adhesiva sensible a la presión a base de polímero, tal como Gorilla Tape disponible de The Gorilla Glue Company en Ohio, es adecuada como una cinta para bordes. Por ejemplo, la Figura 7A ilustra una modalidad de un panel 10 ablandado formado en un panel del chaleco para armaduras en el que los bordes se mantienen unidos con cinta 72. En otro ejemplo, la Figura 7B ilustra una modalidad en la que se han insertado remaches 73 a través del grosor del panel en ubicaciones cerca de los bordes del panel, por ejemplo, a lo largo de los hombros y el escote y alrededor de las esquinas inferiores. Los sujetadores pueden colocarse en cualquier otra ubicación como se desee. En otras modalidades, pueden usarse puntadas de remate para mantener el panel unido.

En algunas modalidades, la pila se coloca dentro de una cubierta protectora y se sella. La cubierta protectora puede ser cualquier material adecuado, tal como nailon antidesgarro recubierto con sellado, en el intervalo de 30 a 200 denier. En otras modalidades, no se usa o se requiere una cubierta sellada protectora.

En algunas modalidades, después del trabajo de ablandamiento, el panel elástico puede moldearse en un contorno deseado, por ejemplo, para adaptarse a un torso humano masculino o femenino. En una modalidad, un panel 10 ablandado por trabajo que comprende un conjunto de grupos de capas puede colocarse dentro de una bolsa de vacío 76 y moldearse sin vacío a un contorno deseado. Los grupos de capas pueden deslizarse entre sí con una rigidez a la flexión relativamente baja, que permite la adaptación a los contornos del cuerpo. Aunque mantiene la forma contorneada, la bolsa de vacío se evacúa, al sujetar juntos el conjunto de grupos de capas y obligarlo a actuar como uno. Una vez sujetado al vacío, el panel tiende a mantener la forma del contorno. El grado de firmeza puede aumentarse o disminuirse por la cantidad de vacío. Aunque el sello de vacío se rompería tras el impacto por un proyectil, el rendimiento balístico del panel permanecería siendo el mismo.

Un panel moldeado puede unirse además para mantener el contorno deseado, por ejemplo, con cinta, puntadas de remate, remaches, adhesivo, o similares. La adhesión por puntos puede ser suficiente para mantener un contorno mientras que aún permite que las capas se muevan en cizallamiento entre sí durante un evento balístico.

Más particularmente, la rigidez a la flexión de un conjunto de, por ejemplo, tres grupos de capas independientes flexionados unidos, pero que se les permite deslizarse entre sí, es la suma de la rigidez a la flexión independiente de cada uno, dado por:

donde h⁰es el grosor de un grupo de capas (supuesto igual en este caso particular), y E es el módulo efectivo del grupo de capas. Sin embargo, si los grupos de capas se adhieren o se mantienen unidos de cualquier otra manera con suficiente fuerza para inhibir el deslizamiento de un grupo de capas con relación a otro durante el uso normal (es decir, no durante un evento balístico), entonces la rigidez a la flexión se da por:

f Eh\^

= 27

12 12

que es 9 veces la rigidez a la flexión del conjunto de deslizamiento. El efecto de rigidez se producirá además para 1) grupos de capas compuestos de capas anisotrópicas, 2) donde los grupos de capas no son idénticos, y 3) donde el número de grupos de capas es mayor que o igual a 2.

En algunas modalidades, el grado de firmeza puede alterarse por una persona que usa un chaleco balístico sellado en una bolsa de vacío con una válvula. La válvula puede abrirse para dejar entrar el aire para un ajuste más holgado. Puede conectarse una bomba, tal como una bomba manual o motorizada, a la válvula para bombear aire fuera para un ajuste más firme.

Como indicó anteriormente, cada grupo de capas se forma de una pluralidad de capas, y cada capa se forma de un material compuesto de fibras incrustadas en un material de matriz. Las fibras en cada capa pueden ser, por ejemplo, tejidas, no tejidas, afieltradas, unidireccionales, de capas cruzadas, o de punto, o combinaciones de estos tipos. El número de capas en cada grupo de capas puede variar desde 1 hasta 10 capas o más. En algunas modalidades, un grupo de capas puede tener 1 capa, 2 capas, 3 capas, 4 capas, 5 capas, 6 capas, 7 capas, 8 capas, 9 capas, 10 capas, o más capas. Dentro de un panel, diferentes grupos de capas pueden tener diferentes números de capas. Pueden incluirse en el panel otros tipos de capas, tales como capas de fieltro, capas de espuma, o capas de película, por ejemplo, entre grupos de capas o en una cara frontal o posterior de la laminación.

En una modalidad, las capas de un grupo de capas comprenden fibras de un polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE) incrustadas en una matriz de resina de uretano. El material de UHMWPE adecuado está disponible comercialmente como un preimpregnado fabricado de unas pocas capas de fibras unidireccionales de capas cruzadas o apiladas en orientaciones alternas, por ejemplo, 0°/90° o 0°/90°/0°/90° para un preimpregnado de dos capas o uno de cuatro capas. Las fibras dentro de cada capa pueden ser además de capa cruzada en cualquier otro ángulo entre 0° y 90°. Una lámina de preimpregnado puede formar una capa en un grupo de capas.

Las fibras de polietileno de peso molecular ultra alto pueden fabricarse mediante cualquier técnica conocida en la técnica. En algunas modalidades, puede usarse un proceso de hilado por fusión o en gel. Las fibras de UHMWPE hiladas en gel, vendidas por DSM Corporation, bajo el nombre DYNEEMA® son una modalidad adecuada. Si se usa un proceso de hilado por fusión, el material de partida de polietileno usado para la fabricación tiene un peso molecular promedio en peso en algunas modalidades entre 20000 y 600000 g/mol, y con mayor preferencia entre 60000 y 200000 g/mol. Un ejemplo de un proceso de hilado por fusión se describe en el documento EP 1,350,868. Si se usa un proceso de hilado en gel, se usa un UHMWPE con una viscosidad intrínseca (IV) de en algunas modalidades al menos 3 dl/g, preferentemente al menos 4 dl/g, y con mayor preferencia al menos 5 dl/g. En algunas modalidades, la IV es a lo máximo 40 dl/g, preferentemente a lo máximo 25 dl/g, y con mayor preferencia a lo máximo 15 dl/g. La IV puede determinarse de acuerdo con ASTM D1601 a 135 °C en decalina, el tiempo de disolución que es de 16 horas, con DBPC como antioxidante en una cantidad de 2 g/l de solución, al extrapolar la viscosidad medida en diferentes concentraciones a concentración cero. Preferentemente, el UHMWPE tiene menos de 1 cadena lateral por 100 átomos de C, con mayor preferencia menos de 1 cadena lateral por 300 átomos de C. Ejemplos de procesos de hilado en gel se describen en, por ejemplo, el documento EP 0205960 A, el documento EP 0213208 A1, el documento US 4,413,110, el documento GB 2042414 A, el documento GB-A-2051667, el documento EP 0200547, el documento EP 0472114 B1, el documento WO 2001/73173 A1, y el documento EP 1,699,954.

Un material preimpregnado adecuado comercialmente disponible de fibras de UHMWPE en una matriz de resina está disponible bajo la marca comercial DYNEEMA® de DSM Corporation, por ejemplo, DYNEEMA® HB-2, HB-26, HB-50, HB-56, HB-210, HB-212, o BT-10. Los grupos de capas podrían fabricarse de cualquier otra fibra adecuada, por ejemplo, y sin limitación, fibras de aramida, fibras de vidrio, fibras de polímero de cristal líquido (LCP), y fibras de polibenzoxazol (PBO). Pueden usarse además combinaciones de fibras. Puede usarse una variedad de resinas para el material de matriz, tales como, sin limitación, una resina o caucho termoestable o una resina o caucho termoplástico. Las resinas y cauchos termoestables pueden incluir, sin limitación, resinas termoestables de uretano, epoxi, y poliéster. Las resinas y cauchos termoplásticos pueden incluir, sin limitación, poliolefinas, que incluyen polipropileno, nailon, polietileno de bajo peso molecular, poliestireno, o un copolímero de bloque de estireno butadieno o un copolímero de bloque de estireno isopreno (disponible, por ejemplo, de Kraton Performance Polymers, Inc.). Pueden usarse también combinaciones de tales materiales.

Las fibras dentro de un grupo de capas o dentro de una capa pueden tomar cualquier forma, tal como filamento, estopa, grapa, o cinta. Las fibras pueden tener la forma de hilos, que son un conjunto de fibras continuas o discontinuas en una forma retorcida continua. Los hilos pueden formarse a partir de combinaciones de fibras continuas y discontinuas. Los hilos pueden formarse a partir de múltiples tipos de fibras, tales como las fibras híbridas. Por ejemplo, pueden usarse combinaciones de fibras de aramida y fibras de UHMWPE. Pueden usarse fibras bicomponentes en las que, por ejemplo, las fibras se forman de dos materiales diferentes en una envoltura/núcleo, lado a lado u otra configuración.

Los grupos de capas pueden apilarse con las fibras dispuestas en diferentes ángulos con relación a los grupos de capas adyacentes o cualquier otro grupo de capas en la pila. En algunas modalidades, las fibras de capas cruzadas unidireccionales en un primer grupo de capas se orientan en una configuración de 0°/90° y las fibras de capas cruzadas en un segundo grupo de capas adyacentes se orientan en un ángulo entre 30° a 60° con respecto al primer grupo de capas. En algunas modalidades, las fibras de capas cruzadas en el segundo grupo de capas se disponen en una configuración de 45°, -45° con respecto al primer grupo de capas. En modalidades adicionales, las fibras de capas cruzadas en un tercer grupo de capas adyacentes al segundo grupo de capas se orientan en la configuración de 0°/90°. En algunas modalidades, las fibras de todas las capas en al menos una de las capas se orientan en una misma dirección. En otras modalidades, las fibras de capas adyacentes en al menos una de las capas se orientan en diferentes ángulos.

Un panel puede incluir una o más capas de fibras secas (es decir, con menos del 5 % en peso de resina o preferentemente sin resina), que pueden ser, por ejemplo, capas de fibras tejidas, no tejidas, afieltradas, unidireccionales, o de punto. Las telas secas son generalmente más suaves que los preimpregnados, ya que carecen de la resina que agrega rigidez. Por ejemplo, las telas tejidas secas de UHMWPE o aramida pueden intercalarse entre grupos de capas de preimpregnado (por ejemplo, fibras de UHMWPE en una matriz de uretano) dentro de un panel. Como otro ejemplo, pueden intercalarse fieltros secos de UHMWPE o aramida entre grupos de capas de preimpregnado dentro de un panel. Las telas secas pueden formarse a partir de hilos o cualquier otra forma de fibra. Una modalidad de un fieltro seco tiene una densidad de área de aproximadamente 0,038 lb/pie2 Un panel puede incluir grupos de capas o capas del mismo material o de diferentes materiales. Por ejemplo, los materiales que tienen diferentes propiedades mecánicas pueden combinarse para proporcionar un mayor rango de propiedades mecánicas en el producto terminado.

En algunas modalidades, un panel puede incluir al menos tres grupos, en los que un grupo de capas intermedias puede tener una densidad de área mayor que las densidades de área de los grupos de capas exteriores o circundantes. En algunas modalidades, la densidad de área de cada grupo de capas puede variar desde 0,05 lb/pie2 hasta 1,0 lb/pie2. En algunas modalidades, particularmente modalidades destinadas para su uso como armaduras, el panel después de la laminación, el trabajo de ablandamiento, y la adición de cualquiera de las capas adicionales tiene un grosor que varía desde 0,01 hasta 0,5 pulgadas. En algunas modalidades, el grosor puede variar desde 0,01 hasta 0,3 pulgadas. Pueden proporcionarse, sin embargo, densidades de área y/o grosores mayores o menores, en dependencia de la aplicación.

Como indicó anteriormente, después de la laminación, el panel se ablanda para introducir defectos en cada grupo de capas. El trabajo de ablandamiento, o ablandamiento, como se usa en la presente, se refiere a la aplicación de deformación o esfuerzo mecánico o la aplicación de tensión térmica, o una de sus combinaciones, a un artículo, con el resultado destinado de tener una mayor conformidad, es decir, una menor rigidez, del artículo. Los tres mecanismos de tensión o deformación que pueden usarse típicamente en el proceso de ablandamiento son la flexión, el cizallamiento, y el impacto, mostrados esquemáticamente en la Figura 9. Pueden usarse además mecanismos de estiramiento (tensión) y compresión. Pueden proporcionarse diversos tipos de equipos para lograr el ablandamiento, en dependencia del mecanismo usado. La tensión térmica puede aplicarse mediante el uso de calor o frío.

En una modalidad ilustrativa, un panel rígido que comprende una pila laminada de grupos de capas se introduce en una máquina de ablandamiento que aplica uno o más mecanismos de deformación o esfuerzo mecánico al panel, descritos más adelante. La Figura 10 muestra una nomenclatura de orientación del panel para su uso en referencia con el proceso de ablandamiento y la máquina de ablandamiento: la dirección de 0° del panel está a lo largo de un borde, generalmente definido en la fabricación, y la dirección de 90° del panel está perpendicular a la dirección de 0° del panel. El panel no tiene que ser cuadrado o rectangular para tener estas orientaciones asociadas con él. Hay además una orientación arbitraria que puede estar en cualquier ángulo entre 0° y 360°. Estas orientaciones se usan para hacer referencia a las direcciones del panel para la orientación de la fibra y la secuencia de apilamiento, así como también la dirección de alimentación en la máquina de ablandamiento.

La Figura 11 muestra las direcciones de la máquina que se usan como referencia de cómo se deforma el panel en la máquina. El eje "X" está en la dirección de alimentación de la máquina, y el eje "Y" está a través del ancho de la máquina, generalmente perpendicular a "X". En dependencia de la configuración de la máquina, la deformación por ablandamiento del panel puede tener lugar a lo largo del eje X, eje Y, o ambos. El panel puede moverse una o múltiples veces a través de la máquina en la dirección de alimentación, o el panel puede moverse hacia atrás y hacia adelante, primero en la dirección de alimentación y entonces opuesto a la dirección de alimentación, por ejemplo, al hacer funcionar la máquina en una dirección inversa. El panel puede moverse en tal secuencia hacia atrás y hacia adelante múltiples veces para aumentar el efecto de ablandamiento.

Además de la sola pasada descrita, son posibles múltiples pasadas con diferentes ángulos de orientación del panel, para promover el proceso de ablandamiento, y promover el ablandamiento uniforme. Las Figuras 12A-12D muestran cuatro ángulos de orientación de alimentación, -45°, 45°, 0°, 90°, en la máquina de ablandamiento, como ejemplos. Cualquier ángulo entre 0° y 360° es posible.

En una modalidad, pueden fabricarse múltiples pasadas a través de la máquina de ablandamiento, con diversos ángulos del panel que se introducen en la máquina. Por ejemplo, pueden secuenciarse múltiples pasadas a través de los siguientes ángulos, 45°, -45°, 0°, 90°, 30°, -30°, 60°, -60°, para un total de 8 pasadas. Esta secuencia podría repetirse además 1, 2, 3 o más veces, lo que como resultado 8, 16, 24 o más pasadas totales a través de la máquina. La orientación de 45° puede introducirse primero, porque introducir primero la esquina ayuda a que la máquina "muerda" y tire del panel hacia el dispositivo, con las pasadas posteriores que son más fáciles de introducir en cualquier ángulo porque el panel es más suave y más fácil de iniciar.

Una modalidad de una máquina de ablandamiento es del tipo de rodillos opuestos, en la que el proceso de ablandamiento es hacer pasar el panel a través de dos conjuntos de rodillos opuestos como se muestra en las Figuras 13A y 13B, con rodillos desplazados en la dirección "Y", para deformar el panel en una forma corrugada. Aunque puede que el panel no salga de la máquina reteniendo la forma corrugada, debido a la recuperación elástica, se retienen los atributos de ablandamiento del panel.

La Figura 14 muestra esquemáticamente las regiones de deformación en la máquina de rodillos opuestos. La flexión principal tiene lugar en el panel bajo cada rodillo y continúa a través del grosor, mientras que el cizallamiento principal tiene lugar entre los rodillos. Ambos se deforman principalmente en la dirección "Y" a través del ancho de la máquina; sin embargo, hay cierta contribución de "X" ya que el panel entra en el rodillo y transiciona de una forma plana a una corrugada.

Una máquina de tipo de estrella engranada es una variación en la de tipo de rodillos opuestos, en la que los rodillos se reemplazan con formadores en forma de estrella (denominados además estrellas, estrellas de ablandamiento, o formadores de estrellas en la presente descripción) como se muestra en las Figuras 15 y 16. Las deformaciones por cizallamiento y flexión se promueven a lo largo de la dirección "Y" al hacer que las estrellas se engranen a lo largo de la dirección "Y". La Figura 16 muestra una vista frontal en sección transversal de la máquina, que revela los puntos de estrella alternos arriba/abajo a lo largo de la dirección "Y". Alternar arriba/abajo las regiones de puntos/valles a lo largo de la dirección "Y" obliga al panel a seguir una trayectoria ondulada a lo largo de la dirección "Y". Los puntos de las estrellas promueven además la deformación por impacto en las ubicaciones de los puntos. Las deformaciones por cizallamiento y flexión se promueven a lo largo de la dirección "X" al hacer que las estrellas opuestas se engranen de manera que los "puntos" y los "valles" se alineen como se muestra en las Figuras 17A y 17B. La rotación de las estrellas como se muestra mueve el panel a través del proceso a lo largo de la dirección "X". Los puntos de las estrellas promueven además la deformación por impacto en las ubicaciones de contacto de los puntos. Puede proporcionarse cualquier número adecuado de puntos. En algunas modalidades, se proporcionan entre 2 y 24 puntos.

La rotación de las estrellas puede bloquearse en fase mediante engranajes u otro mecanismo, de manera que los puntos y los valles siempre se alinean. Observe que la fase de estrellas adyacentes (es decir las estrellas una al lado de la otra a lo largo de la dirección "Y") puede ser de manera que formen un patrón de "espiral" a lo largo de sus ejes de montaje respectivos; y esto sucede mientras todas las estrellas opuestas aún permanecen bloqueadas en fase con puntos en los valles a medida que giran. Son posibles otros patrones de la fase de estrellas a lo largo de la dirección "Y"; la Figura 15, por ejemplo, ilustra una configuración en la que las estrellas están en espiral con un ángulo de la fase de 15° (la mitad de la separación de los puntos, es decir, 360°/12 estrellas/2) a lo largo de sus respectivos ejes. Como una ayuda visual para esta configuración particular, considere los puntos donde las estrellas entran en contacto con el panel desde arriba y desde abajo, como se muestra en el patrón en la Figura 18.

Una modalidad de una máquina de ablandamiento de tipo de estrella engranada 110 que se ha fabricado se ilustra en las Figuras 19-21. La máquina incluye una carcasa 112, una hilera superior de formadores en forma de estrella 114 montada la rotación sobre un eje giratorio superior 116, y una hilera inferior de formadores en forma de estrella 118 montada para la rotación sobre un eje giratorio inferior 122. Los ejes se soportan en cojinetes adecuados en las paredes de extremo de la carcasa. Puede proporcionarse un motor 124 y un engranaje 126 adecuado para efectuar la rotación coordinada de los ejes. El motor y el engranaje pueden ser operables para girar los formadores en dos direcciones opuestas, como indicó anteriormente. El motor puede accionarse, por ejemplo, eléctricamente, neumáticamente, o manualmente, tal como con una manivela accionada manualmente. Se proporciona una abertura de entrada 128 en una pared frontal de la carcasa para introducir un panel en la región engranada entre los formadores engranados. De manera similar, se proporciona una abertura de salida 132 en una pared posterior de la carcasa para retirar el panel después de pasar entre los formadores. La Figura 21 proporciona una vista de un panel 136 dentro de la región engranada entre los formadores en forma de estrella de cada hilera.

En algunas modalidades, un panel puede calentarse antes de o durante la introducción en una máquina de ablandamiento por trabajo para facilitar el(los) mecanismo(s) de ablandamiento. Por ejemplo, un panel puede calentarse en un horno de precalentamiento entre 120 y 250 °F antes de su introducción en una máquina de ablandamiento. En otro ejemplo, un panel puede transferirse desde el equipo de laminación que calentó el panel hacia una máquina de ablandamiento mientras el panel aún está caliente del equipo de laminación. En un ejemplo adicional, la máquina de ablandamiento puede calentarse, por ejemplo, en la región entre los formadores, o los formadores pueden calentarse. En algunas modalidades, un panel puede enfriarse para lograr defectos de falta de adhesión diferentes o únicos. El enfriamiento puede lograrse a través de, por ejemplo, inmersión en nitrógeno líquido u otro medio criogénico.

Las descripciones de procesos anteriores son ejemplos de cómo puede lograrse el trabajo de ablandamiento, y no pretenden mostrar todos los métodos posibles para lograr esta tarea. Por ejemplo, los formadores de estrellas pueden tener cualquier número de puntos. Los puntos de las estrellas pueden redondearse o moldearse de cualquier otra manera para producir el impacto deseado. Los formadores pueden tener otras configuraciones, tal como ovalada. Los formadores pueden montarse para la rotación excéntrica.

Al ablandar múltiples grupos de capas unidos como una sola laminación, puede reducirse el tiempo de fabricación y pueden indexarse los grupos de capas para minimizar el grosor (es decir, ajuste de arruga a arruga). Por ejemplo, un grupo de los grupos de capas ablandados unidos al mismo tiempo puede tener la mitad del grosor de los grupos de capas apilados después de ablandar los grupos de capas individualmente. Se apreciará que los grupos de capas solos o los subconjuntos de grupos de capas pueden ablandarse por trabajo de manera separada si se desea y subsecuentemente apilarse unidos.

El proceso de ablandamiento se realiza hasta que el panel alcanza un grado de conformidad deseado. La conformidad puede medirse en una variedad de formas. En una modalidad, la conformidad se mide mediante el uso de una prueba de caída de la tela. Con referencia a la Figura 22, una porción de un panel, tal como 1/3 del panel, se sujeta a una superficie horizontal, y el resto del panel se extiende más allá de un borde de la superficie horizontal. Se mide el ángulo de caída desde la horizontal de la porción restante del panel. En algunas modalidades, un panel puede ablandarse hasta que alcanza un ángulo de caída de al menos 20°. En otras modalidades, el ángulo de caída es al menos 30°, al menos 40°, al menos 50°, al menos 60°, o al menos 70°. Otro método de prueba para la rigidez de las telas es el ASTM D1388 - 14, que puede usarse para algunas modalidades.

Puede usarse otro método de prueba para determinar la flexibilidad de los paneles balísticos de armadura suave mediante el uso de un aparato de tracción de compresión que cumple con los requisitos de ASTM E4-13 y ASTM E4-08. Un émbolo de bola de diámetro de 1 pulgada que adaptado a la norma ASTM D3787-07(2011) se prensa en un panel de prueba de 15 pulgadas x 15 pulgadas para 2 pulgadas a una velocidad constante de 10 pulgadas por minuto en una cavidad circular (diámetro de 5 pulgadas con un radio de borde de 0,5 pulgadas) y se mide la desviación. La rigidez está determinada por la fuerza aplicada al panel en una desviación de 2 pulgadas. Ambos lados del panel pueden probarse de esta manera para un número de veces, tal como 10 veces cada lado. Puede encontrarse una descripción para determinar la flexibilidad mediante el uso de este método de prueba en el programa Sistema de protección de soldados del Ejército de Estados Unidos, en PED-IOP-008.

En algunas modalidades, un panel se ablanda hasta el punto en que la carga de prueba de suavidad es inferior a 75 lbs como se determina por la prueba Émbolo de bola (PED-IOP-008). El resultado de la prueba es un promedio de las últimas 3 de 20 mediciones de carga después de probar en la misma ubicación y alternar la dirección de deformación después de cada medición al voltear el artículo de prueba.

Puede usarse un proceso de flocado para introducir fibras cortas en un panel. La fibra flocada puede usarse como un tratamiento entre capas entre capas preimpregnadas seleccionadas durante el proceso de ensamblaje del panel. Las posiciones seleccionadas para la fibra flocada podrían estar en una o más interfaces de capa en un grupo de capas, que incluye en cada interfaz de capa. En dependencia del tipo de fibra, la longitud de la fibra, y la densidad de flocado (medida en gramos por metro cuadrado), las fibras flocadas pueden proporcionar: 1) una región de endurecimiento entre capas, que resiste por lo tanto la delaminación, 2) una región débil entre capas, que promueve la delaminación, pero que da como resultado fibras flocadas que atraviesan la interfaz y mantienen las capas unidas, o 3) una región débil entre capas que promueve el desacoplamiento completo de las capas (similar a la acción de una capa de liberación).

El proceso de fibra flocada es útil entre las capas preimpregnadas de UHMWPE, mediante el uso de la resina que ya se encuentra en el preimpregnado para adherirse a la fibra flocada. La fibra flocada podría usarse además en combinación con una capa adhesiva en interfaces de capa seleccionadas.

El proceso de flocado en general mueve fibras cortas (tales como, poliéster, nailon, y otras) a una superficie, donde la superficie generalmente se cubre con un material, tal como un adhesivo o una resina, como en los paneles descritos anteriormente, para adherir las fibras a la superficie. Las fibras de flocado varían generalmente desde 0,5 mm hasta 10 mm de longitud, aunque son posibles longitudes más cortas y más largas. En un proceso de flocado, las fibras pueden cargarse negativamente, y el sustrato conectarse a tierra, de esta manera las fibras tienden a moverse al sustrato conectado a tierra. Esto a menudo se denomina flocado "electrostático". Además, las fibras cargadas negativamente tienden a repelerse entre sí, lo que da como resultado que la mayoría de las fibras alcancen la superficie en un ángulo casi perpendicular a la superficie, y con las fibras casi paralelas entre sí. Pueden usarse, otros procesos de flocado, tales como procesos de vibración y procesos de rociado. Las fibras de flocado pueden formarse a partir de cualquiera de los materiales de fibra usados en el preimpregnado. La fibra de flocado puede ser la misma que o diferente de las fibras en las capas adyacentes.

Los paneles de armadura suave formados de acuerdo con los diversos procesos descritos en la presente descripción pueden usarse para una variedad de artículos y propósitos. En algunas modalidades, puede usarse un panel suave para armaduras, tales como chalecos para el cuerpo, chaquetas, cascos, cascos deportivos, sombreros, protectores faciales, máscaras faciales, almohadillas o cubiertas para los oídos, protectores bucales, protectores para la garganta, correas para la barbilla, almohadillas para la mandíbula, protectores de ojos, coderas, pantalones, protectores de piernas, espinilleras, rodilleras, protectores de pies, botas, zapatos, prendas de esgrima, y otros artículos de ropa. Otras aplicaciones incluyen el uso como insertos, por ejemplo, en chalecos, chaquetas, y mochilas.

En otras modalidades, puede usarse un panel de armadura suave para un artículo blindado que tiene un contorno no plano. Por ejemplo, en una modalidad, un sistema de armadura vehicular puede incorporar un panel de armadura suave para proporcionar protección contra proyectiles balísticos disparados a un vehículo, particularmente una puerta del vehículo. Tal sistema de armadura vehicular puede usarse para adaptar un vehículo para evitar que los proyectiles balísticos penetren en el vehículo. El sistema de armadura comprende un panel dimensionado para cubrir al menos una porción de una superficie vehicular exterior, particularmente la puerta, que tiene una superficie exterior contorneada o no plana. El panel tiene un contorno no plano configurado para adaptarse generalmente al contorno no plano de la superficie vehicular. El panel comprende una disposición en capas de materiales que incluye una capa de protección y una superficie exterior o capa cosmética. La capa de protección puede ser o incluir un panel suave como se describe en la presente descripción, que puede moldearse fácilmente para adaptarse a cualquier contorno de la puerta del vehículo. Si se desea puede proporcionarse además una capa balística rígida, de manera que el panel de armadura suave puede actuar como una capa receptora detrás de la capa rígida. La capa cosmética dispuesta en el lado exterior de la capa de protección puede incluir color, material gráfico, o ambos visibles en la superficie exterior del panel, de manera que el sistema de armadura puede mezclarse con el resto del vehículo. La capa cosmética puede ser un material de vinilo de grado automotriz. Puede usarse un sistema de montaje extraíble para fijar el panel a la superficie vehicular. Por ejemplo, el panel puede fijarse a la puerta de un vehículo con tornillos, remaches, o similares. Tal sistema de armadura vehicular puede instalarse rápidamente en el exterior de un vehículo y no requiere el desmantelamiento del vehículo.

En otras modalidades, puede usarse un panel de armadura suave para proporcionar blindaje en un espacio contorneado o confinado. Tales espacios confinados pueden incluir, por ejemplo, la región debajo de las tablas del piso en un vehículo para proporcionar protección contra dispositivos explosivos debajo del vehículo. Otro espacio confinado es la región dentro de una góndola de motor. Un panel de armadura suave puede configurarse fácilmente para ajustarse dentro de esta región para proporcionar protección contra ambas amenazas externas de proyectiles balísticos y contra fragmentos de una falla de las palas de turbina giratorias u otros componentes dentro del motor que podrían de cualquier otra manera penetrar a través de la góndola.

En cualquiera de tales modalidades, el panel de armadura suave puede usarse solo o en combinación con paneles de armadura rígida.

Se llevaron a cabo pruebas balísticas para probar el rendimiento balístico de los paneles ablandados con planos de deslizamiento. El protocolo de prueba NIJ 3a requiere que los paneles de prueba para armaduras pasen dos pruebas principales, 1) una prueba de resistencia de penetración denominada el requisito V50, y 2) una prueba de deformación máxima permitida denominada el requisito de "Desviación lateral posterior" (BSD). Los paneles deben pasar ambas pruebas para cumplir con el protocolo.

La prueba V50 soporta el panel de prueba en los bordes, y lo somete a múltiples disparos con un proyectil específico a diversas velocidades, hasta que se obtiene la velocidad V50 para ese panel para ese proyectil. La velocidad V50 es un valor estadístico teórico donde, si todos los proyectiles viajaran a esa velocidad, aproximadamente el 50 % de los proyectiles penetrarían el panel y el 50 % no lo haría. Cada falla de penetración en particular se observa cuando el proyectil penetra en el panel y daña una placa testigo, generalmente una lámina delgada de aluminio, colgada detrás del panel a una distancia particular. Se requiere que la velocidad V50 cumpla con un cierto valor mínimo para cada una de las amenazas requeridas.

La prueba Desviación lateral posterior (BSD) soporta el panel desde atrás sobre una base de arcilla y somete al panel a múltiples disparos (por ejemplo, un patrón de prueba) con cada amenaza en cuestión, a sus respectivas velocidades. La profundidad de penetración del panel en la arcilla se mide después de cada disparo, y la arcilla se reforma y vuelve a su estado plano original. En términos generales, la BSD no puede exceder un valor estadístico (por ejemplo, promedio una desviación estándar) en base al protocolo de múltiples disparos.

Además, el protocolo "Sistema de protección de soldados" (SPS) (denominado la "Declaración técnica de necesidad, para el Sistema de protección de soldados, y para el Sistema de protección de torso") requiere la resistencia V50 a una variedad de fragmentos además de las amenazas estándar tal como las rondas de 45 Magnum, y 357 SIG, ya que los fragmentos son un componente significativo de los eventos de explosión. Estas pruebas de fragmentos son a menudo la debilidad en un panel que pasa todas las demás pruebas. Los fragmentos de pruebas balísticas estándar incluyen cilindros circulares rectos (RCC) y proyectiles de simulación de fragmentos (FSP). Los tamaños estándar de RCC incluyen 2 granos, 4 granos, 16 granos, y 64 granos, y los tamaños estándar de FSP incluyen 17 granos (calibre 22).

Ejemplo 1 (útil para incorporarse en los paneles de la invención)

Las pruebas mostraron que el rendimiento balístico de los paneles ablandados no se redujo significativamente por debajo del de los paneles rígidos no ablandados. Los paneles ablandados mostraron un rendimiento balístico significativamente mayor en comparación con las armaduras suaves tradicionales.

Se fabricaron seis paneles de DYNEEMA® HB-212 (material de capa cruzada unidireccional, en base a fibras de UHMWPE) para las pruebas bajo el protocolo balístico NIJ Standard-0101.06 (https://www.ncjrs.gov/pdffilesl/nij/ 223054.pdf). Se probaron tres paneles como paneles rígidos, y se ablandaron por trabajo tres paneles de acuerdo con la invención. Los paneles eran cuadrados, 15 pulgadas en cada lado, y pesaban aproximadamente 1,28 libras cada uno, lo que da un peso por unidad de área de 0,82 libras por pie cuadrado. Los paneles tenían un grosor de aproximadamente 0,25 pulgadas.

Los paneles se ablandaron al pasar a través de la máquina mostrada en la Figura 15, en varios ángulos (0°, 45°, -45°, y 90°) como se muestra en la Figura 12A-12D, con aproximadamente 30 pasadas cada uno. La suavidad era de manera que los paneles ablandados se adaptaban fácilmente a la forma del pecho humano requerida. Además, para cuantificar la suavidad de manera más precisa, se usó una prueba de caída como se muestra en la Figura 22, donde 1/3 del panel se sujetó a una mesa y se midió el ángulo de caída. Los paneles se ablandaron hasta que alcanzaron un ángulo de caída umbral de 60°.

Los datos se muestran en las Tablas 1 y 2 más abajo.

La muestra #1 en cada caso fue la prueba V50, en la que se determina la velocidad del proyectil donde el 50 % de los proyectiles se detienen y el 50 % no se detienen de manera suficiente para cumplir con el protocolo. Tanto los paneles rígidos como los ablandados pasaron esta prueba.

Las muestras #2 y #3 en cada caso fueron repeticiones de la prueba V0, donde no se tolera la penetración y la desviación debe estar además por debajo de lo requerido en el protocolo. Todos los paneles pasaron esta prueba.

Tabla 1

El examen microscópico de los paneles ablandados por trabajo revela que se introducen pequeños defectos de falta de adhesión y delaminación entre las fibras y entre las capas, y no en las propias fibras. Sorprendentemente, se vio que el rendimiento balístico del panel ablandado no se deteriora sobre el del panel rígido.

Ejemplo 2 (que no pertenece a la invención)

Se fabricaron varios paneles de muestra en una configuración de varios paquetes de material que incluían un total de diecinueve capas de UHMWPE y dos capas de otros laminados, tales como fieltro de UHMWPE. En estas muestras, los paneles tenían una densidad de área de 0,766 psf, y una flexibilidad promedio de 70,85 lbf determinada por la prueba Émbolo de bola como se especifica en p ED-IOP-008. Cada panel se probó a medida que se fabricó y después del acondicionamiento con combustible para aviones JP-8 durante 4 horas. La Tabla 3 más abajo proporciona un resumen de las pruebas balísticas V⁵⁰y V⁰de estos paneles.

Tabla 3

Las Figuras 23 a 28 muestran fotografías de la parte frontal y la parte posterior de cada uno de los paneles que se sometieron a las pruebas descritas en la Tabla 3.

Ejemplo 3

Los paneles de prueba de varios grupos de capas, con planos de deslizamiento entre cada grupo de capas, se fabricaron y se sometieron a pruebas de resistencia contra fragmentos. La siguiente disposición de grupos de capas, con y sin el cuarto grupo de capas que comprende una capa de fieltro de UHMWPE, se laminaron y ablandaron por trabajo:

Tabla 4

Los resultados de la prueba V50 son como sigue:

Tabla 5

Estos resultados ilustran que la adición de la capa de fieltro en la cara posterior permitió que el panel pasara la prueba de fragmentos V50 en todos los tamaños de fragmentos.

El panel se sometió además a la prueba de desviación lateral posterior (BSD). La Figura 29 ilustra los casos en los que la capa de fieltro del panel de prueba atrapó y detuvo los fragmentos. Las Figuras 30A, 30B, y 30C ilustran además los fragmentos atrapados en la capa de fieltro del panel de prueba. (Los paneles de prueba en las Figuras 30A-C incluyen una tela de nailon que cubre el lado posterior del panel de prueba.)

Ejemplo 4 (que no pertenece a la invención)

Se preparó otro panel de prueba mediante la laminación y el trabajo de ablandamiento y se sometió a la prueba de desviación lateral posterior (BSD). El panel de prueba tenía la siguiente disposición de grupos de capas, que incluye un grupo de capas de fieltro seco, o capa efectora, en la cara frontal o de impacto del panel. Otro panel de prueba omitió el primer grupo de capas de fieltro.

Tabla 6

La orientación de la fibra de ±45° del grupo de capas 4 con relación a la orientación de la fibra de 0°/90° de los grupos de capas circundantes 2 y 5 redujo la dispersión en los resultados de BSD, lo que dio como resultado un rendimiento mejorado.

Adicionalmente, las Figuras 31 y 32 muestran la cara de impacto de un panel disparado tres veces, tanto con (Figura 32) como sin (Figura 31) el grupo de capas de fieltro seco, la capa efectora. La deformación de la bala, evidenciada por el área oscura bajo la capa superficial del grupo de capas 2, es mucho más grande para los disparos con el grupo de capas de fieltro en la cara de impacto. El grupo de capas de fieltro mejoró efectivamente al detener la bala. Ejemplo 5

Se ensamblaron y laminaron, las siguientes capas, que incluyen tres grupos de capas:

1. Capa de liberación de papel recubierto de silicona;

2. película de HDPE, 0,31 mil (0,00031 pulgadas de grosor), 0,0017 psf;

3. 8 capas de DYNEEMA HB212® en una orientación de 0790°;

4. película de HDPE, 0,31 mil de grosor, 0,0017 psf;

5. Capa de liberación de papel recubierto de silicona recubierto además en ambos lados con tinta de grafeno (<1 % en peso de un grupo de capas) como un agente de deslizamiento;

6. película de HDPE, 0,31 mil, 0,0017 psf;

7. 5 capas de DYNEEMA HB50® en una orientación de ±45°;

8. película de HDPE, 0,31 mil, 0,0017 psf;

9. Capa de liberación de papel recubierto de silicona recubierto además en ambos lados con tinta de grafeno (<1 % en peso de un grupo de capas) como un agente de deslizamiento;

10. película de HDPE, 0,31 mil, 0,0017 psf;

11.8 capas de DYNEEMA HB212® en una configuración de 0°/90°;

12. película de HDPE, 0,31 mil, 0,0017 psf; y

13. Capa de liberación de papel recubierto de silicona.

Después de la laminación, se eliminó el papel recubierto de silicona de las capas de liberación de las capas 1, 5, 9, y 13. El panel resultante se ablandó por trabajo. Se agregó una capa de respaldo de fieltro adyacente a la capa 12. Un chaleco antibalas fabricado a partir de este conjunto es adecuado para aplicaciones militares típicas, que incluyen la protección contra fragmentos.

Ejemplo 6

Las siguientes capas, que incluyen cuatro grupos de capas, se ensamblaron (comenzando con el lado posterior (capa 1) y avanzando) y se laminaron:

1. Capa de liberación de papel recubierto de silicona;

2. película de HDPE, 0,31 mil (0,00031 pulgadas de grosor), 0,0017 psf;

3. 3 capas de DYNEEMA HB212® en una orientación de 0790°;

4. película de HDPE, 0,31 mil, 0,0017 psf;

6. película de HDPE, 0,31 mil, 0,0017 psf;

7. 6 capas de DYNEEMA HB212® en una orientación de 0°/90°;

8. película de HDPE, 0,31 mil, 0,0017 psf;

10. película de HDPE, 0,31 mil, 0,0017 psf;

11.7 capas de DYNEEMA HB50® en una orientación de ±45°;

12. película de HDPE, 0,31 mil, 0,0017 psf;

13. Capa de liberación de papel recubierto de silicona recubierto además en ambos lados con tinta de grafeno (<1 % en peso de un grupo de capas) como un agente de deslizamiento;

14. película de HDPE, 0,31 mil, 0,0017 psf;

15. 7 capas de DYNEEMA HB212® en una configuración de 0°/90°;

16. película de HDPE, 0,31 mil, 0,0017 psf; y

17. Capa de liberación de papel recubierto de silicona.

Después de la laminación, se eliminaron las capas de liberación recubiertas de silicona de las capas 1, 5, 9, 13 y 17. El panel resultante se ablandó por trabajo mediante diez pasadas a través de la máquina de ablandamiento por trabajo descrita con referencia a las Figuras 19-21. Un chaleco balístico fabricado a partir de este conjunto, con la cara de impacto en las capas 15 y 16, es adecuado para aplicaciones de cumplimiento de la ley típicas.

Se apreciará que las diversas características de las modalidades descritas en la presente descripción pueden combinarse en una variedad de formas. Por ejemplo, una característica descrita junto con una modalidad puede incluirse en otra modalidad incluso si no se describe explícitamente junto con esa modalidad.

La presente invención se ha descrito con referencia a las modalidades preferidas. Debe entenderse que la invención no se limita a los detalles exactos de construcción, operación, materiales exactos o modalidades mostradas y descritas, ya que las modificaciones obvias serán evidentes para un experto en la técnica. Se cree que las modificaciones y alteraciones a las modalidades descritas se les ocurrirán fácilmente a los expertos en la técnica al leer y comprender la descripción detallada de la invención. Se pretende incluir todas tales modificaciones y alteraciones en la medida en que entren dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un panel suave que comprende:

un plano de deslizamiento entre al menos un conjunto de grupos de capas adyacentes, los grupos de capas adyacentes permanecen desconectados o sustancialmente desconectados en el plano de deslizamiento, en donde el plano de deslizamiento comprende un agente de deslizamiento entre los grupos de capas adyacentes.

2. El panel suave de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el plano de deslizamiento comprende partículas de grafeno, tinta a base de grafeno, partículas de cerámica, partículas metálicas, una película de plástico, una película metálica, papel, o una de sus combinaciones.

3. El panel suave de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el plano de deslizamiento comprende una película de poliolefina, que incluye polipropileno, polietileno de alta densidad o tereftalato de polietileno.

4. El panel suave de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el plano de deslizamiento forma una discontinuidad dentro de la laminación, la discontinuidad formada por dos resinas dispuestas en grupos de capas adyacentes, en donde las dos resinas no se adhieren entre sí, o por un cambio en el ángulo de orientación de las fibras entre los grupos de capas adyacentes.

5. El panel suave de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el plano de deslizamiento incluye además un material adhesivo o un mecanismo de sujeción para mantener los grupos de capas adyacentes unidos durante el uso normal y permitir el movimiento de los grupos de capas adyacentes en cizallamiento entre sí a lo largo del plano de deslizamiento durante un evento balístico.

6. El panel suave de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la laminación ablandada por trabajo incluye una pluralidad de defectos dentro de al menos una porción de los grupos de capas, los defectos que comprenden uno o más defectos de falta de adhesión y defectos de delaminación entre las fibras dentro del grupo de capas.

7. El panel suave de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además una capa de fieltro dispuesta en una cara posterior de la laminación y/o una capa de fieltro dispuesta como una cara de impacto adyacente a un primer grupo de capas.

8. El panel suave de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además una capa de espuma adyacente a uno de la pluralidad de grupos de capas.

9. El panel suave de acuerdo con la reivindicación 1, en donde cada capa dentro de al menos una porción de los grupos de capas comprende un material preimpregnado que comprende una o más capas de fibras preimpregnadas con el material de matriz.

10. El panel suave de acuerdo con la reivindicación 1, en donde en un grupo de capas, las fibras dentro de las capas se alinean unidireccionalmente y la dirección de las fibras en las capas adyacentes se cruzan en capas en un ángulo que varía desde más de 0° hasta 90°.

11. El panel suave de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el material compuesto comprende fibras de polietileno de peso molecular ultra alto en una matriz de resina de uretano.

12. El panel suave de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las fibras del material compuesto comprenden fibras de polietileno de peso molecular ultra alto, fibras de aramida, fibras de vidrio, fibras de polímero de cristal líquido, o fibras de polibenzoxazol.

13. El panel suave de acuerdo con la reivindicación 1, en donde una carga de prueba de suavidad en el panel es inferior a 34 kg (75 lbs), como se determina por una prueba Émbolo de bola.

14. El panel suave de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la laminación comprende:

un primer grupo de capas que comprende o adyacente a una cara de impacto, en donde las capas del primer grupo de capas se cruzan en capas en ángulos rectos y se orientan en una configuración de 0°/90°;

un segundo grupo de capas, en donde las capas del segundo grupo de capas se cruzan en capas en ángulos rectos y se orientan en una configuración de 45°, -45° con respecto al primer grupo de capas; y un tercer grupo de capas, en donde las capas del tercer grupo de capas se cruzan en capas en ángulos rectos y se orientan en la configuración de 0°/90°.

15. Un artículo de panel de armadura que comprende el panel suave de acuerdo con la reivindicación 1.

16. Un proceso para formar un panel suave que comprende:

proporcionar una pluralidad de grupos de capas, cada grupo de capas que comprende una pluralidad de capas de un material compuesto que comprende fibras incrustadas en un material de matriz; laminar los grupos de capas unidos en un panel con un plano de deslizamiento entre al menos un conjunto de grupos de capas adyacentes, los grupos de capas adyacentes permanecen desconectados o sustancialmente desconectados en el plano de deslizamiento;

ablandar por trabajo el panel al aplicar un esfuerzo mecánico o deformación mecánica al panel; e insertar una capa de liberación entre los grupos de capas adyacentes antes del trabajo de ablandamiento para formar el plano de deslizamiento.