WO2018010900A1 - Treibkäfig mit bionischen strukturen - Google Patents

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WO2018010900A1
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bionic
bionic structures
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Andreas Blache
Lutz BÖRNGEN
Michael Gowin
Katrin Linke
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Rheinmetall Waffe Munition Gmbh
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    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B14/00—Projectiles or missiles characterised by arrangements for guiding or sealing them inside barrels, or for lubricating or cleaning barrels
    • F42B14/06—Sub-calibre projectiles having sabots; Sabots therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B14/00—Projectiles or missiles characterised by arrangements for guiding or sealing them inside barrels, or for lubricating or cleaning barrels
    • F42B14/06—Sub-calibre projectiles having sabots; Sabots therefor
    • F42B14/061—Sabots for long rod fin stabilised kinetic energy projectiles, i.e. multisegment sabots attached midway on the projectile
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B14/00—Projectiles or missiles characterised by arrangements for guiding or sealing them inside barrels, or for lubricating or cleaning barrels
    • F42B14/06—Sub-calibre projectiles having sabots; Sabots therefor
    • F42B14/068—Sabots characterised by the material

Definitions

  • the invention is concerned with the production of a sabot of a subcaliber mass projectile in the small caliber, medium caliber and large caliber range.
  • the invention sets considerations of a weight-reduced, bionic sabot by, for example, glo- bulitic cavities in the sabot.
  • KE kinetic energy ammunition
  • the ammunition is usually made of a metallic penetrator (balancing projectile), preferably made of heavy metal high strength and toughness.
  • the penetrators have a nail or arrow-like shape. They are smaller in caliber (sub-caliber) than the barrel from which they are fired.
  • a sabot, sabot or sabot is needed, which encloses the penetrator and the caliber content generated to the tube.
  • the sabot assumes the task of sealing against powder gases during firing down to the weapon barrel. Over projected surfaces of the sabot a force is applied by means of the gas pressure resulting from the burning of the powder, which accelerates the sabot together.
  • the task of the sabot is to take the penetrator during the tube passage, apply the acceleration, seal against the gun barrel, to guide the penetrator and release the penetrator trouble-free after leaving the muzzle.
  • the sabots are made of plastic, metals or a combination of both.
  • a sub-caliber balancing projectile whose sabot consists of a fiber-reinforced material.
  • the sabot floor is provided with openings.
  • the fiber reinforced material is a carbon fiber reinforced plastic or a carbon fiber reinforced carbon.
  • Other reinforcing fibers for plastics may be aramid fibers or polyethylene fibers.
  • Reinforcing fibers for metals such as aluminum, magnesium or titanium include Al 2 O 3 - fibers or SiC fibers.
  • a sabot for a sub-caliber sabot projectile discloses the DE 29 24 041 C2.
  • the material of the sabot is a ceramic or glass, with a bias. Prestressed glass or other ceramic materials with appropriate behavior have a very high mechanical strength.
  • the disintegration of the sabot is initiated by a mass that is thrown against the inner wall of the sabot. The mass itself is housed in a cavity.
  • a Unterkalibriges balancing projectile with a collapsible bullet guide describes the DE 30 34 471 A1.
  • bullet guide is produced as a pressed part of hollow glass balls with plastic binder material or glass binder material.
  • foam glass or syntactic foams are mentioned.
  • a sabot according to DE 10 2009 049 440 A1 is distinguished by a complete, but at least partial, construction from a material foam.
  • the material foam can be a metal foam, such as aluminum foam, zinc foam, foaminale, wherein the foam can be used as a sandwich component with layers of the same or a different material, a reinforced fiber material and or a core of other material.
  • the object of the invention is to be able to produce weight-reduced sabot parts with sufficient environmental resistance that can be produced cost-effectively, compared to imported systems, while maintaining a maximum muzzle velocity.
  • the invention is based on the idea of producing the sabot or the sabot parts weight-reduced by means of bionic structures, these structures ensuring sufficient stability etc. of the sabot or the sabot parts.
  • bionic structures e.g., honeycomb, struts, bubbles, spherical cavities, and combinations thereof.
  • Such methods may e.g. the 3D printing process e.g. be made of plastics or laser sintering.
  • plastic laser sintering of the sabot or the sabot parts or segments can be made with bionic structures made of plastic.
  • Metal laser sintering allows for the manufacture of the sabot or sabot segments with the bionic structures of a metal such as aluminum. The bandwidth ranges from light metal to superalloys. Also excluded from these considerations are the production by means of 3D cocooner, although this method appears more complex.
  • the bionic structures are created from a handling spinneret.
  • glass fibers are glued to complex structures with simultaneous lamination with UV-curing resin.
  • the sabot receives or the sabot segments obtained by the bionic structures the necessary strength and rigidity for the pipe passage with maximum weight reduction.
  • the advantage of such methods lies in the definable configurations of the cavities, etc. It is possible to directly influence the size and shape (volume) of the cavities (programming in 3D). Also on the number or quantity and distribution within the sabot or the sabot segments (sabot parts) a direct influence is possible.
  • a sabot in which bionic structures are provided, which are created by a 3D manufacturing process defined in size, shape and / or volume and purposefully within the sabot in the manufacture of the sabot or created only. Targeted are the local embedding within the sabot and the number of bionic structures, ie, the local and number embedding within the sabot.
  • the single figure shows in sketch form an ammunition 1 with a sabot 2 and a particle 3.
  • the sabot 2 encloses the penetrator 2 and can be connected to the penetrator 2 at least in the form-fit region 4.
  • the positive connection region 4 may have a thread (not shown in detail).
  • the sabot 2 may consist of several segments 2.1, 2.2, which are held together by a sealing and / or guide band (not shown in detail).
  • bionic structures 5 shapes such as honeycomb, struts, bubbles, cavities and combinations thereof are defined.
  • the cavities 6 can be spherical, angular, etc.
  • the sabot 2 or the sabot segments 2.1, 2.2 can be produced in 3D printing or in the SLS process (laser sintering).
  • the geometric data of the sabot segments 2.1, 2.2 are available in three dimensions and are stored as layer data.
  • a cast model is also produced from the geometric shapes (not shown in detail).
  • the sabot segments 2.1, 2.2 are then built up layer by layer in a layer structure. Areas are recessed in the layers so that the bionic structures 5, for example globulitic cavities 6, can be incorporated / incorporated in the sabot segments 2.1, 2.2 in the form, size and volume.
  • a layer structure of the sabot segments 2.1, 2.2 takes place in layers without a casting mold. These are the sabot segments 2.1, 2.2 with their bionic structures 5,

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Treibkäfig (2), in dem bionische Strukturen (5, 6) vorgesehen sind, die durch ein 3D-Fertigungsverfahren definiert in Größe, Form und/oder Volumen und zielgerichtet bezüglich der örtlichen und anzahlmäßigen Einbettung innerhalb des Treibkäfigs (2) bei der Herstellung des Treibkäfigs (2) erzeugt bzw. geschaffen werden.

Description

BESCHREIBUNG
Treibkäfig mit bionischen Strukturen
Die Erfindung beschäftigt sich mit der Herstellung eines Treibkäfigs eines unterkalibrigen Wuchtgeschosses im Kleinkaliber-, Mittelkaliber- und Großkaliberbereich. Die Erfindung stellt Überlegungen eines gewichtsreduzierten, bionischen Treibkäfigs an durch beispielsweise glo- bulitische Hohlräume im Treibkäfig.
Zur Erzielung von hohen Durchschlagsleistungen werden sogenannte KE (kinetische Energie) Munitionen eingesetzt. Die Munition besteht in der Regel aus einem metallischen Penetrator (Wuchtgeschoss), vorzugsweise aus Schwermetall hoher Festigkeit und Zähigkeit. Die Penet- ratoren weisen eine Nagel oder pfeilähnliche Form auf. Sie sind im Kaliber kleiner (unterkalib- rig) als das Waffenrohr, aus dem sie verschossen werden. Um aus einem Waffenrohr verschossen werden zu können, wird ein Treibspiegel, Treibkäfig oder auch Sabot benötigt, der den Penetrator umschließt und die Kaliberhaltigkeit zum Rohr erzeugt. Der Treibkäfig übernimmt die Aufgabe, während des Abschusses zum Waffenrohr hin gegen Pulvergase abzudichten. Über projizierte Flächen des Treibspiegels wird mittels des durch den Abbrand des Pulvers entstehenden Gasdruck eine Kraft aufgebracht, die den Treibspiegel gemeinsam beschleunigt.
Die Aufgabe des Treibspiegels besteht darin, den Penetrator während des Rohrdurchganges mitzunehmen, die Beschleunigung aufzubringen, gegen das Waffenrohr abzudichten, den Penetrator zu führen und nach dem Verlassen der Rohrmündung den Penetrator störungsfrei freizugeben.
Je nach Kaliber werden die Treibkäfige aus Kunststoff, Metallen oder einer Kombination beider hergestellt. Je schwerer der Treibkäfig ist, desto geringer ist die Beschleunigung und somit eine erreichbare Mündungsgeschwindigkeit. Je leichter also der Treibkäfig ist, desto höher wird die Mündungsgeschwindigkeit und desto höher die erreichbare Kampfentfernung. Bei gleicher Kampfentfernung kann eine höhere Eindringtiefe / Durchschlagleistung des Penetra- tors erreicht werden.
In der Praxis wird für Kampfpanzermunition als Material für die Treibspiegel hochfestes Aluminium oder packed Plastic verwendet. Weitere Gewichtseinsparungen werden durch Einbringen von Bohrungen, Schlitzen etc. vorgenommen.
Aus der DE 196 25 273 A1 ist ein unterkalibiges Wuchtgeschoss bekannt, dessen Treibkäfig aus einem faserverstärktem Werkstoff besteht. Der Treibkäfigboden ist mit Öffnungen versehen. Der faserverstärkte Werkstoff ist ein kohlefaserverstärkter Kunststoff oder ein kohlefaserverstärkter Kohlenstoff. Weitere Verstärkungsfasern für Kunststoffe können Aramidfasern oder Polyethylenfasern sein. Verstärkungsfasern für Metalle, wie Aluminium, Magnesium oder Titan sind u.a. Al203- Fasern oder SiC- Fasern.
Ein Treibkäfig für ein unterkalibiges Treibkäfiggeschoss offenbart die DE 29 24 041 C2. Das Material des Treibkäfigs ist eine Keramik oder Glas, mit einer Vorspannung. Vorgespanntes Glas oder andere keramische Stoffe mit entsprechendem Verhalten besitzen eine sehr hohe mechanische Festigkeit. Der Zerfall des Treibkäfigs wird durch eine Masse eingeleitet, die gegen die Innenwandung des Treibkäfigs geschleudert wird. Die Masse selbst ist in einem Hohlraum untergebracht.
Ein unterkalibriges Wuchtgeschoss mit einer zerlegbaren Geschossführung beschreibt die DE 30 34 471 A1 . Zur Erreichung eines geringen Eigengewichts bei Beibehaltung der Druck- und Zugfestigkeit wird die Geschossführung als Pressteil aus Hohlglaskugeln mit Kunststoffbindematerial oder Glasbindematerial hergestellt. Alternativ werden Schaumglas oder syntaktische Schäume genannt.
Ein Treibspiegel gemäß DE 10 2009 049 440 A1 zeichnet sich durch einen vollständigen, zumindest aber teilweisen Aufbau aus einem Werkstoffschaum aus. Bei dem Werkstoffschaum kann es sich um einen Metallschaum, wie Aluminiumschaum, Zinkschaum, Foaminale handeln, wobei der Werkschaum als Sandwich- Bauteil mit Lagen aus demselben oder einem anderen Material, einem verstärktem Fasermaterial und oder einem Kern aus anderem Material eingesetzt werden kann.
Im Falle von Kunststoffen / Faserverbundstoffen sind Alterungen, chemische Verträglichkeit mit den Pulvern, die Anfälligkeit gegen UV- Strahlung etc. verbunden mit hohen Kosten in der Fertigung als Nachteil zu benennen. Die geforderte Unempfindlichkeit im Handling der Munition (fallenlassen, Vibration während der Fahrt in den Munitionsbehältern) ist problematisch. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, kostengünstig herstellbare, gegenüber eingeführten Systemen gewichtsreduzierte Treibkäfigteile mit ausreichender Umweltfestigkeit gewährleisten zu können, unter Beibehaltung einer maximalen Mündungsgeschwindigkeit.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 .
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Treibkäfig bzw. die Treibkäfigteile mittels bionischer Strukturen gewichtsreduziert herzustellen, wobei diese Strukturen eine ausreichende Stabilität etc. des Treibkäfigs bzw. der Treibkäfigteile sicherstellen. Dabei werden diese Strukturen erst beim Fertigungsverfahren eingestellt. D.h., durch das Fertigungsverfahren werden die bioni- schen Strukturen (z.B. Waben, Streben, Blasen, kugelförmige Hohlräume sowie Kombinationen davon) dadurch geschaffen, dass diese bei der Herstellung ausgelassen werden.
Derartige Verfahren können z.B. das 3D- Druckverfahren z.B. aus Kunststoffen oder Lasersinterverfahren sein. Mittels Kunststoff- Lasersintern können der Treibkäfig oder die Treibkäfigteile bzw. -segmente mit bionischen Strukturen aus Kunststoff hergestellt werden. Das Metall- Lasersintern ermöglicht die Herstellung des Treibkäfigs oder der Treibkäfigteile bzw. -Segmente mit den bionischen Strukturen aus einem Metall, wie beispielsweise Aluminium. Die Bandbreite liegt hierbei vom Leichtmetall bis zu Superlegierungen. Von diesen Überlegungen ebenfalls nicht ausgeschlossen sind die Herstellung mittels 3D- Cocooner, wenngleich dieses Verfahren aufwändiger erscheint. Hierbei werden die bionischen Strukturen aus einer Hand- ling- Spinndüse geschaffen. Aktuell werden dazu Glasfasern bei gleichzeitiger Laminierung mit UV- härtendem Harz zu komplexen Strukturen verklebt.
Der Treibkäfig erhält bzw. die Treibkäfigsegmente erhalten durch die bionischen Strukturen die notwendige Festigkeit und Steifigkeit für den Rohrdurchgang bei maximaler Gewichtsreduktion.
Der Vorteil derartiger Verfahren liegt in den definierbaren Ausgestaltungen der Hohlräume etc. Es kann auf die Größe und Form (Volumen) der Hohlräume direkt Einfluss genommen werden (Programmierung in 3D). Auch auf die Anzahl bzw. Menge sowie Verteilung innerhalb des Treibkäfigs bzw. der Treibkäfigsegmente (Treibkäfigteile) ist ein direkter Einfluss möglich.
Vorgeschlagen wird ein Treibkäfig, in dem bionische Strukturen vorgesehen sind, die durch ein 3D- Fertigungsverfahren definiert in Größe, Form und / oder Volumen und zielgerichtet innerhalb des Treibkäfigs bei der Herstellung des Treibkäfigs erzeugt bzw. erst geschaffen werden. Zielgerichtet sind dabei die örtliche Einbettung innerhalb des Treibkäfigs sowie die Anzahl der bionischen Strukturen, d.h., die örtliche und anzahlmäßige Einbettung innerhalb des Treibkäfigs. Anhand eines Ausführungsbeispiels mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt die einzige Figur skizzenhaft eine Munition 1 mit einem Treibkäfig 2 und einem Pe- netrator 3. Der Treibkäfig 2 umschließt den Penetrator 2 und ist zumindest im Formschlussbereich 4 mit dem Penetrator 2 verbindbar. Der Formschlussbereich 4 kann ein Gewinde aufweisen (nicht näher dargestellt). Der Treibkäfig 2 kann aus mehreren Segmenten 2.1 , 2.2 bestehen, die über ein Dichtungs- und / oder Führungsband (nicht näher dargestellt) zusammengehalten werden.
Zur Gewichtsreduzierung weisen die segmentierten Treibkäfige 2.1 , 2.2 bionische Strukturen
5 auf. Als bionische Strukturen 5 werden Formen wie Waben, Streben, Blasen, Hohlräume sowie Kombinationen davon definiert. Die Hohlräume 6 können dabei kugelförmig, eckig, etc. sein.
Der Treibkäfig 2 bzw. die Treibkäfigsegmente 2.1 , 2.2 können im 3D- Druck oder im SLS- Verfahren (Lasersintern) hergestellt werden. Die Geometriedaten der Treibkäfigsegmente 2.1 , 2.2 liegen dazu dreidimensional vor und sind als Schichtdaten hinterlegt.
Beim Metall- Lasersintern wird des Weiteren aus den Geometrieformen ein Gussmodel hergestellt (nicht näher dargestellt). Aus den vorliegenden CAD- Daten der Treibkäfigsegmente 2.1 , 2.2 (z.B. STL- Format) werden die Treibkäfigsegmente 2.1 , 2.2 dann in einem Schichtaufbau Schicht für Schicht aufgebaut. In den Schichten werden Bereiche ausgespart, so dass sich dann die bionischen Strukturen 5, beispielsweise globulitische Hohlräume 6, in die Treibkäfigsegmente 2.1 , 2.2 definiert in Form, Größe und Volumen einbringen /einbinden lassen.
Beim 3D- Druck erfolgt ohne Gussform ein Schichtaufbau der Treibkäfigsegmente 2.1 , 2.2 schichtweise. Dazu liegen die Treibkäfigsegmente 2.1 , 2.2 mit ihren bionischen Strukturen 5,
6 in dreidimensionalen Daten vor und werden Schicht für Schicht aufgebaut.

Claims

Patentansprüche
1 . Treibkäfig (2) für ein unterkalibriges Geschoss (3), dadurch gekennzeichnet, dass bionische Strukturen (5, 6) im Treibkäfig (2) vorgesehen sind, die durch ein SD-Fertigungsverfahren definiert und zielgerichtet bei der Herstellung des Treibkäfigs (2) geschaffen werden.
2. Treibkäfig (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die binomischen Strukturen (5, 6) Waben, Streben, Blasen, kugelförmige Hohlräume sowie Kombinationen davon sind.
3. Treibkäfig (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibkäfig (2) aus wenigstens zwei Treibkäfigsegmenten (2.1 , 2.2) besteht.
4. Treibkäfig (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Größe, Form und / oder Volumen der bionischen Strukturen (5, 6) vorgebbar sind.
5. Treibkäfig (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Anzahl der bionischen Strukturen (5, 6) vorgebbar ist.
6. Treibkäfig (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
Material des Treibkäfigs (2) ein Leichtmetall, ein Metall und / oder Kunststoff ist.
7. Herstellungsverfahren eines Treibkäfigs (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das 3D- Fertigungsverfahren ein 3D- Druckverfahren ist.
8. Herstellungsverfahren eines Treibkäfigs (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das 3D- Fertigungsverfahren eine SLS ist.
9. Munition (1 ) mit einem Treibkäfig (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 sowie einem unterkalibrigen Geschoss (3).
10. Munition (1 ) mit einem Treibkäfig (2) hergestellt nach Anspruch 7 oder 8 sowie einem unterkalibrigen Geschoss (3).
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