PL226594B1 - Aktywny wkład balistyczny i kamizelka kuloodporna z aktywnym wkładem balistycznym - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest aktywny wkład balistyczny i kamizelka kuloodporna z aktywnym wkładem balistycznym służącym jako element tłumiąco-rozpraszający energię uderzenia pocisku wystrzeliwanego z broni strzeleckiej o zmiennych parametrach wytworzony z wykorzystaniem elastomerów magnetoreologicznych, zwłaszcza jako wkład dodatkowy.

Elastomery magnetoreologiczne to kompozyty złożone z cząstek ferromagnetycznych - cząstek związku żelaza rozproszonych w ośrodku polimerowym lub żelu, w których po przyłożeniu zewnętrznego pola magnetycznego następuje wzrost modułu elastyczności oraz zwiększenie stabilności tych elastomerów. Z opisu patentowego PL 210953 znane są kompozycje elastomerowe etylenowo-propylenowe przeznaczone na wyroby gumowe o właściwościach magnetycznych i magnetoreologicznych, zawierające tlenek żelaza w postaci cząstek o rozmiarach nanometrycznych.

Znane są rozwiązania konstrukcyjno-materiałowe wkładów balistycznych stosowane obecnie w kamizelkach kuloodpornych, również z warstwowym układem materiałów, na przykład w formie pakietów polietylenowych albo para-aramidowych według patentu PL 197531, lub ceramiczno-kompozytowych według patentu PL 215873, które stanowią skuteczną ochronę przed działaniem pocisków wystrzeliwanych z broni strzeleckiej. Wkłady te mają za zadanie w sposób mechaniczny powstrzymać pocisk strzelecki przed penetracją dalszych warstw i tkanek miękkich ciała ludzkiego, poprzez przejęcie i pochłonięcie części skoncentrowanej energii kinetycznej pocisku i jego odłamków. W połączeniu z kevlarovymi wkładami miękkimi, które chronią ciało przed odłamkami oraz pociskami kaliber 9 mm, wkłady twarde (ceramiczne, tytanowe, kompozytowe) stanowią skuteczną ochronę. Jednakże zastosowanie płyt pełnych ma tę wadę, że w chwili uderzenia pocisku dochodzi do jego odkształcenia na znacznym obszarze. Minusem ich jest też znaczna waga i sztywność wpływająca na ograniczony zakres ruchów noszącej kamizelkę kuloodporną osoby i obniżony komfort jej użytkowania.

Ze zgłoszenia patentowego US 2008146108 znane są materiały warstwowe złożone z co najmniej jednej warstwy materiału ze splecionych włókien balistycznych, połączoną z ciągłą elastyczną warstwą polimerową. Materiały te są lżejsze od materiałów z wkładami twardymi, ale ze względu na stosunkowo małą wytrzymałość i twardość wymagają zastosowania zwiększonej ilości warstw, aby zapewnić wystarczającą ochronę. Wpływa to na zwiększenie grubości i sztywności materiału oraz zwiększa ilość operacji technologicznych w procesie wytwarzania.

Tych wad nie posiadają wkłady balistyczne dodatkowe według zgłoszenia patentowego PL 408260, wykonane w jednym procesie technologicznym bez stosowania połączeń w generatywnych technikach wytwarzania. Zastosowanie segmentowej budowy wkładu balistycznego dodatkowego (twardego) pozwala na zmniejszenie obszaru odkształcenia zasadniczego wkładu balistycznego, albowiem zapobiega zbyt rozległej i niekontrolowanej propagacji absorbowanej energii kinetycznej pocisku, przyczyniając się do ograniczenia strefy jego wpływu i pęknięć, tj. zniszczenia bądź uszkodzenia pojedynczego segmentu, ewentualnie kilku sąsiednich, a nie całej powierzchni wkładu dodatkowego. Wykorzystanie innowacyjnej technologii addytywnej pozwala uprościć proces technologiczny, w porównaniu do istniejących klejonych wielomateriałowych konstrukcji segmentowych typu „dragon skin” podatnych na delaminację.

Niedogodnością znanych rozwiązań jest brak możliwości płynnego sterowania własnościami warstwy ochronnej wkładu balistycznego, zwłaszcza wkładu dodatkowego, a w szczególności sztywności, poddawanego działaniu energii kinetycznej pocisku i jego odłamów.

Celem wynalazku jest opracowanie wyeliminowania tych wad.

Aktywny wkład balistyczny, wykonany z warstwy elastomeru ze zbrojeniem z siatki złożonej z wielu luźno przeplecionych ze sobą powtarzalnych elementów, stanowiącej wieloobiektową warstwę wykonaną w jednej operacji technologicznej w generatywnych technikach wytwarzania poprzez stapianie lub spiekanie proszków metalicznych i niemetalicznych, według wynalazku charakteryzuje się tym, że siatka jest zatopiona w ciągłej warstwie elastomeru magnetoreologicznego wypełniającego przestrzeń pomiędzy powtarzalnymi elementami siatki.

Kamizelka kuloodporna z aktywnym wkładem balistycznym, który to wkład jest wykonany z warstwy elastomeru ze zbrojeniem z siatki złożonej z wielu luźno przeplecionych ze sobą powtarzalnych elementów, stanowiącej wieloobiektową warstwę wykonaną w jednej operacji technologicznej w generatywnych technikach wytwarzania poprzez stapianie lub spiekanie proszków metalicznych i niemetalicznych, według wynalazku charakteryzuje się tym, że siatka jest zatopiona w ciągłej warstwie elastomeru magnetoreologicznego wypełniającego przestrzeń pomiędzy powtarzalnymi elementami siatPL 226 594 B1 ki, a w skład wyposażenia kamizelki wchodzi generator pola magnetycznego, w zasięgu którego jest umieszczany aktywny wkład balistyczny.

Korzystnym jest, jeżeli generator pola magnetycznego stanowi programowalny generator prądu będący integralną częścią kamizelki kuloodpornej.

W alternatywnym wykonaniu, generator pola magnetycznego stanowi programowalny generator prądu wykonany jako zewnętrzne urządzenie peryferyjne kamizelki.

Wkład według wynalazku jest złożony z powtarzalnych elementów wykonanych bez stosowania połączeń (rozłączalnych i nierozłączalnych) w generatywnych technikach wytwarzania (RP/RM - Rapid Prototyping & Rapid Manufacturing). Zmienna sztywność wkładu balistycznego uzyskiwana jest przez zanurzenie spiekanej lub spajanej wieloobiektowej struktury, opisanej w zgłoszeniu patentowym PL 408260, w elastomerze magnetoreologicznym i sterowanie jego własnościami przez zmiany zewnętrznego pola magnetycznego indukowanego prądem.

Jednolita warstwa elastomeru magnetoreologicznego z wkładem w postaci siatki wytworzonej bez zastosowania połączeń montażowych z wykorzystaniem technik przyrostowych, generatywnych (Rapid Prototyping/Rapid Manufacturing), poprzez spiekanie proszku wiązką lasera lub elektronów, stanowi podstawową warstwę ochronną zatrzymującą i/lub niszczącą pocisk oraz pochłaniającą i rozpraszającą jego energię kinetyczną. Warstwa ta cechuje się różną sztywnością w zależności od potrzeb. Zróżnicowane własności materiału kompozytowego uzyskuje się przez indukowanie pola magnetycznego prądem o różnym natężeniu.

Czasowe usztywnienie materiału dodatkowego wkładu balistycznego zwiększa skuteczność ochrony w momencie wystąpienia zagrożenia. Odłączenie działania pola magnetycznego w pozostałym okresie zmniejsza sztywność warstwy, co w połączeniu z luźną strukturą wkładu zwiększa komfort użytkowania i zapewnia duży zakres ruchów.

Taka aktywna kamizelka kuloodporna z wkładem o hybrydowej budowie pozwala na optymalizację parametrów konstrukcji wkładu i wypracowanie kompromisu między bezpieczeństwem a ergonomią kamizelki kuloodpornej. Zastosowanie w kamizelce kuloodpornej wkładu dodatkowego z warstwy dopasowującej się do kształtu ciała zwiększa komfort jej użytkowania przy jednoczesnym zapewnieniu, poprzez zastosowane materiały, ochrony przed penetracją pocisku w kolejne warstwy i w ciało ludzkie. Warstwa wkładu balistycznego złożona z powtarzalnych elementów cechuje się mniejszym ciężarem w stosunku do istniejących rozwiązań, czyli mniejszym stosunkiem wagi warstwy do całkowitej jej powierzchni. Siatkowa budowa zapewnia odciążenie wagowe elementu ochronnego przy zachowaniu podobnej jak dla litego materiału odporności na uderzenie, a okresowe usztywnienie warstwy dyspersyjnej w postaci elastomeru magnetoreologicznego pozwala podnieść własności wytrzymałościowe i odporność na uderzenie dynamiczne.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia fragment aktywnego wkładu balistycznego z generatorem prądu, a fig. 2 przedstawia fragment aktywnego wkładu balistycznego z fig. 1 w rzucie z góry.

Jak przedstawiono na rysunku, aktywny wkład balistyczny typu GMR (Generative Magnetorheological Insert), stanowi elastyczną matrycę wykonaną z warstwy elastomeru magnetoreologicznego 2 ze zbrojeniem z siatki 1 złożonej z wielu luźno przeplecionych ze sobą powtarzalnych elementów, stanowiącej wieloobiektową warstwę wykonaną w jednej operacji technologicznej w generatywnych technikach wytwarzania poprzez stapianie lub spiekanie proszków metalicznych i niemetalicznych. Siatka 1 jest zatopiona w ciągłej warstwie elastomeru magnetoreologicznego 2 wypełniającego przestrzeń pomiędzy powtarzalnymi elementami siatki 1. Przykładowa siatka 1 składa się z szeregu oczek w kształcie pierścieni, stanowiących jej przeplecione ze sobą powtarzalne elementy wytworzone w technologii Rapid Manufacturing: SLM (Selective Laser Melting). Elastomer magnetoreologiczny 2 jest wytworzony na bazie kompozycji polimerowej etylenowo-propylenowej zawierającej cząstki ferromagnetyczne. Pod wpływem zmian zewnętrznego pola magnetycznego indukowanego prądem elektrycznym ulegają zmianie własności elastomeru magnetoreologicznego 2.

Kamizelka kuloodporna jest wyposażona w tak wykonany wkład, oraz generator pola magnetycznego, w zasięgu którego jest umieszczany aktywny wkład balistyczny. Do indukowania pola i sterowania własnościami elastomeru magnetoreologicznego 2 służy programowalny generator prądu 3 wchodzący w skład wyposażenia kamizelki kuloodpornej. Programowalny generator prądu 3 może być wykonany jako integralna część kamizelki kuloodpornej, lub alternatywnie, jako układ zewnętrzny stanowiący urządzenie peryferyjne kamizelki z wkładem balistycznym typu GMR.

PL 226 594 B1

Sterowanie sztywnością matrycy odbywa się w sposób płynny poprzez zmianę wielkości pola magnetycznego indukowanego przez programowalny generator prądu 3. Układ sterowania programowalnego generatora prądu 3 posiada możliwość płynnej zmiany wielkości natężenia pola magnetycznego.

Wkład balistyczny według wynalazku ma hybrydową budowę, złożoną z elastomeru magnetoreologicznego 2 zbrojonego luźną ażurową strukturą ze spiekanych proszków metali bądź niemetali wykonaną w technologii SLS/SLM). Ruchomość elementów wkładu jest ograniczona działaniem indukowanego pola magnetycznego. Struktura wkładu ma postać siatki z dowolnymi oczkami tworzącymi przeplot. Sąsiadujące ze sobą elementy powtarzalne mają możliwość przemieszczania się kątowego względem siebie, co pozwala w określonych granicach modyfikować wymiary geometryczne (długościowe i szerokościowe) warstwy, a także łatwo dopasować wkład dodatkowy typu GMR do już stosowanych kamizelek.

Claims (4)

1. Aktywny wkład balistyczny, wykonany z warstwy elastomeru ze zbrojeniem z siatki złożonej z wielu luźno przeplecionych ze sobą powtarzalnych elementów, stanowiącej wieloobiektową warstwę wykonaną w jednej operacji technologicznej w generatywnych technikach wytwarzania poprzez stapianie lub spiekanie proszków metalicznych i niemetalicznych, znamienny tym, że siatka (1) jest zatopiona w ciągłej warstwie elastomeru magnetoreologicznego (2) wypełniającego przestrzeń pomiędzy powtarzalnymi elementami siatki (1).

2. Kamizelka kuloodporna z aktywnym wkładem balistycznym, który to wkład jest wykonany z warstwy elastomeru ze zbrojeniem z siatki złożonej z wielu luźno przeplecionych ze sobą powtarzalnych elementów, stanowiącej wieloobiektową warstwę wykonaną w jednej operacji technologicznej w generatywnych technikach wytwarzania poprzez stapianie lub spiekanie proszków metalicznych i niemetalicznych, znamienna tym, że siatka (1) jest zatopiona w ciągłej warstwie elastomeru magnetoreologicznego (2) wypełniającego przestrzeń pomiędzy powtarzalnymi elementami siatki (1), a w skład wyposażenia kamizelki wchodzi generator pola magnetycznego, w zasięgu którego jest umieszczany aktywny wkład balistyczny.

3. Kamizelka według zastrz. 2, znamienna tym, że generator pola magnetycznego stanowi programowalny generator prądu (3) będący integralną częścią kamizelki kuloodpornej.

4. Kamizelka według zastrz. 2, znamienna tym, że generator pola magnetycznego stanowi programowalny generator prądu (3) wykonany jako jej zewnętrzne urządzenie peryferyjne.