Aktuelle Forschungsergebnisse zu kugelsicheren Helmen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen

Einführung

Mit der Eskalation internationaler Konflikte und der zunehmenden Komplexität des globalen Terrorismus und Extremismus verschärft sich die Kriegsgefahr und stellt höhere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit militärischer Ausrüstung wie beispielsweise kugelsicherer Helme. Obwohl Kopf und Hals nur 12 % des Körpers eines Soldaten ausmachen, sind Kopfverletzungen für die Hälfte aller Todesfälle im Gefecht verantwortlich. Traumatische Hirnverletzungen (THV) sind eine häufige Todes- und Behinderungsursache bei Soldaten und gelten als typische Verletzung in modernen militärischen Konflikten. Daten zeigen, dass Hochgeschwindigkeitsprojektile oder -fragmente auf dem Schlachtfeld etwa 80 % der tödlichen Verletzungen verursachen, wobei 45 % davon den Kopf betreffen. Angesichts von Hochgeschwindigkeitsprojektilen oder -fragmenten, die aus jeder Richtung auf das Schlachtfeld treffen können, absorbieren oder reduzieren kugelsichere Helme die Aufprallenergie von Projektilen und Fragmenten effektiv. Dadurch werden die Schäden an den neuronalen Netzwerken und Blutgefäßen des Gehirns durch die vom Projektil im Gehirn erzeugten Energiewellen verringert, was die Sterblichkeitsrate der Kampftruppen senkt. Studien haben gezeigt, dass das Tragen von kugelsicheren Helmen die Sterblichkeitsrate von Kampfsoldaten um etwa 20 % senken kann. Daher besteht aktuell ein Bedarf an der Entwicklung kugelsicherer Helme mit verbesserter Schutzwirkung, geringerem Gewicht und höherem Tragekomfort, um den zunehmend komplexen Gefechtsfeldbedingungen gerecht zu werden und das Leben der Soldaten zu schützen.

Der weltweit erste moderne kugelsichere Helm war der Stahlhelm M1915 aus dem Ersten Weltkrieg. Darauf aufbauend entwickelte das US-Militär den Helm M1917 und während des Zweiten Weltkriegs den exklusiven Stahlhelm der US-Streitkräfte – den M1-Stahlhelm, der auch der am längsten im Einsatz befindliche moderne Stahlhelm ist. Mit der Entwicklung von Hochleistungsfasern und deren Verbundwerkstoffen verloren Stahlhelme allmählich an Bedeutung. So fand beispielsweise der PASGT-Helm aufgrund seines hohen Tragekomforts und seiner hohen Schutzwirkung breite Anwendung beim US-Militär. Auch mein Land entwickelte 1993 erfolgreich einen neuen kugelsicheren Helm aus Verbundwerkstoff – den Aramid-Helm QGF02. Seit Beginn des 21. Jahrhunderts haben verschiedene Länder nacheinander leichte, hochschützende und hochintegrierte ballistische Helme entwickelt, wie beispielsweise den IHPS-Kampfhelm des US-Militärs, den W-15-Helm Chinas und den VIRTUS-Helm Großbritanniens. Abbildung 1 zeigt historische Fotografien chinesischer und amerikanischer militärischer ballistischer Helme. Die erste Reihe zeigt chinesische Helme, die zweite Reihe amerikanische Helme.

Angesichts der anhaltenden militärischen Konflikte weltweit und der zunehmend komplexen Kampfsituationen im urbanen und unwegsamen Gelände ist die Entwicklung ballistischer Helme, die den Anforderungen zukünftiger Kriegsführung gerecht werden – also leistungsstarken Schutz, intelligente Funktionen, Komfort und Anpassungsfähigkeit, schnelle Produktion und Individualisierung bieten –, entscheidend für die Sicherheit der Soldaten, die Steigerung der militärischen Kampfeffektivität und die Anpassung an vielfältige Kampfsituationen. Dank der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Materialwissenschaft bestehen ballistische Helme heute hauptsächlich aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen, die gleichzeitig geringes Gewicht, hohen Schutz und Komfort gewährleisten. Die so entstehenden funktional integrierten ballistischen Helme können die informationsbasierten Kampffähigkeiten des einzelnen Soldaten deutlich verbessern. Dieser Artikel stellt die in kugelsicheren Helmen verwendeten Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe und die eingesetzten ballistischen Gewebestrukturen vor und fasst die Formgebungstechnologie von kugelsicheren Helmen systematisch zusammen. Er liefert Referenzmaterial für die zukünftige Konstruktion und Fertigung von faserverstärkten Verbund-kugelsicheren Helmen.

1. Faserverstärkte Verbundwerkstoffe für kugelsichere Helme

1.1 Kohlenstofffaser

Im letzten Jahrhundert wurden kugelsichere Helme hauptsächlich aus Aramidfaserverbundwerkstoffen hergestellt. In diesem Jahrhundert hat die UHMWPE-Faser die Aramidfaser als Hauptmaterial im Bereich des kugelsicheren Schutzes nach und nach abgelöst. Kohlenstofffaser Aufgrund seiner extrem hohen Steifigkeit und Festigkeit wird es häufig mit Aramidfasern und UHMWPE-Fasern hybridisiert und zeigt großes Potenzial im Bereich des Kugelschutzes. In den letzten Jahren wurden neue Hochleistungsfasern wie PBO-Fasern und PIPD-Fasern entwickelt. haben Sie fanden auch im Bereich des ballistischen Schutzes breite Beachtung. Die grundlegenden mechanischen Eigenschaften von Hochleistungsfaserverbundwerkstoffen sind in Tabelle 1 dargestellt.



Kohlenstofffasern wurden in den 1950er und 1960er Jahren entwickelt. Aufgrund ihres hohen Elastizitätsmoduls, ihrer hohen Zugfestigkeit, ihrer hohen Temperaturstabilität und ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit stehen sie seit Langem im Fokus der Forschung und finden breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt sowie im Militärbereich. Kohlenstofffasern bezeichnen Hochleistungsfasern mit einem Kohlenstoffgehalt von ca. 95 %, die durch Festphasen-Karbonisierung organischer Fasern hergestellt werden. Weltweit erhältliche Kohlenstofffasern bestehen derzeit hauptsächlich aus Polyacrylnitrilfasern (PAC). Aufgrund ihrer extrem hohen Steifigkeit und Festigkeit werden Kohlenstofffasern häufig mit anderen Hochleistungsfasern hybridisiert, um ballistische Verbundwerkstoffe zu erzeugen. Beispielsweise laminierten die Nanyang Technological University und die DSM Corporation UHMWPE-Fasern mit Kohlenstofffasern und verbesserten so die ballistischen Schutzeigenschaften deutlich, indem sie die Schichtfolge änderten und dadurch die Bodengeschwindigkeit (BFS) der ballistischen Verbundplatte reduzierten. Obwohl Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe einen hohen Elastizitätsmodul und eine hohe Zugfestigkeit aufweisen, begrenzt ihre geringe Bruchdehnung die Energieabsorptionseffizienz und schränkt somit ihren Einsatz im ballistischen Schutz ein.

1.2 Aramidfasern

Aramidfasern Synthetische Polyamidfasern umfassen Poly(p-phenylenterephthalamid) (PPTA), Poly(m-phenylenisophthalamid) (PMIA), heterocyclische aromatische Polyamidfasern mit Heteroatomen sowie vollständig aromatische ortho-Aramid-Polyamidfasern. Die weltweit am häufigsten produzierten Aramidfasern sind derzeit: Para-Aramid (PPTA) und Meta-Aramid (PMIA). Kevlarfasern von DuPont und Twaronfasern von Teijin werden häufig im ballistischen Schutz eingesetzt. Der in den 1980er-Jahren entwickelte ballistische Helm PASGT besteht aus Kevlar-29-Faserverbundwerkstoff, der spätere, bekannte ACH-Kampfhelm aus Kevlar-129-Faserverbundwerkstoff. Aramidfasern zeichnen sich durch hohe spezifische Festigkeit, hohen Elastizitätsmodul und hohe Energieabsorptionsrate aus und finden ebenfalls breite Anwendung im ballistischen Schutz. Trotz ihres vielfältigen Einsatzspektrums schränken ihre Anfälligkeit für Zersetzung unter UV-Licht und Hydrolyse durch Feuchtigkeitsaufnahme ihre Weiterentwicklung ein. Ihre Lebensdauer verkürzt sich deutlich, und ihre Schutzwirkung nimmt in starker UV-Strahlung oder feuchter Umgebung ab.

1.3 UHMWPE-Faser

UHMWPE-Faser Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften wie geringer Dichte, ausgezeichneter Schlagfestigkeit, hervorragendem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, hoher Dämpfung und Korrosionsbeständigkeit findet UHMWPE breite Anwendung in verschiedenen Bereichen. Die international bekanntesten UHMWPE-Fasern sind derzeit Dyneema von DSM und Spectra von Honeywell. Da sich die meisten Stoßwellen bei hochintensiven Stößen in faserverstärkten Verbundwerkstoffen parallel zur Faserrichtung ausbreiten, kann die hochsteife UHMWPE-Faser als Energiekanal fungieren und die Aufprallenergie im gesamten Material verteilen. Diese Eigenschaft ermöglicht das effektive Abfangen von Pistolenkugeln und Splittern mit niedriger Geschwindigkeit und wird daher häufig in Anwendungen wie weicher Körperpanzerung genutzt. Darüber hinaus weist UHMWPE im Vergleich zu Kohlenstoff- und Aramidfasern eine deutlich geringere Dichte auf, was die Gewichtsreduzierung von kugelsicheren Helmen begünstigt. Die hohe Zähigkeit, UV-Beständigkeit und Korrosionsbeständigkeit machen UHMWPE-Fasern zum leistungsstärksten Fasermaterial für ballistischen Schutz in industriellen Systemen. Die intermolekularen Kräfte von UHMWPE-Fasern sind jedoch relativ schwach, und bei Verarbeitungstemperaturen über 130 °C tritt Kriechen auf. Bei der Schmelztemperatur (ca. 150 °C) steigt die Kriechgeschwindigkeit sprunghaft an, was zu einer deutlichen Reduzierung der Lebensdauer führt. Darüber hinaus bedingt die chemisch inerte Oberfläche von UHMWPE-Fasern eine geringe Grenzflächenhaftung mit Harzen, was die Herstellung und Anwendung von UHMWPE-Faserverbundwerkstoffen erschwert.

1.4 Andere Hochleistungsfasern

Poly(p-phenylenbenzobisoxazol)-Fasern wurden ursprünglich vom US Air Force Materials Laboratory als hochtemperaturbeständiges Material entwickelt und später von der japanischen Firma Toyobo Co., Ltd. unter dem Namen Zylon kommerzialisiert. PBO-Faser PBO-Fasern zeichnen sich durch hohe Festigkeit, hohen Elastizitätsmodul, hohe Temperaturbeständigkeit und Flammschutz aus und bieten damit die besten Gesamteigenschaften aller organischen Fasern. Im Jahr 2003 fertigten die USA Helmmuster aus PBO-Fasern an, die jedoch nur 0,8 kg wogen und damit etwa 0,55 kg leichter waren als Aramidhelme mit demselben Schutzniveau. Der Zugmodul von PBO-Fasern liegt bei ca. 270 GPa und ist damit etwa dreimal so hoch wie der von Para-Aramidfasern. Allerdings weisen PBO-Fasern eine extrem geringe Lichtechtheit und eine dichte, glatte Oberfläche auf, was zu einer schwachen Haftung an der Verbundmatrix führt. Ihre Eigenschaften verschlechtern sich in feuchter und heißer Umgebung deutlich, wodurch ihre Anwendung in kugelsicheren Helmen eingeschränkt ist.

PIPD-Faser ist eine neuartige, auf der PBO-Molekülkette basierende, aromatische, heterocyclische Flüssigkristall-Polymerfaser, auch bekannt als M5-Faser. Sie wurde ursprünglich von Akzo Nobel in den Niederlanden entwickelt und wird hauptsächlich im Trocken-Nass-Spinnenverfahren hergestellt. Zu den wichtigsten Rohstoffen zählen TAP und DHTA. PIPD-Faser besitzt einen Elastizitätsmodul von 150 GPa und eine Zugfestigkeit von 2,5 GPa. Sie ist eine Hochleistungsfaser mit einer steifen, stabförmigen Struktur und starken intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen und weist eine deutlich höhere Druckfestigkeit als PBO-Faser auf. Die Oberflächeninertheit der PIPD-Faser reduziert jedoch die Wechselwirkung zwischen Faser und Harz, was die Gesamtleistung des Verbundwerkstoffs mindert. Darüber hinaus beeinträchtigt ihre Sprödigkeit unter Stoßbelastung die ballistische Schutzwirkung.

2. Ballistische Gewebestruktur

Ballistische Schutzgewebe bestehen typischerweise aus Hochleistungsfasern, die die kinetische Energie eines Aufpralls durch Faserbruch, Gewebeverformung und Reibung zwischen Faser und Projektil absorbieren und so Verletzungen durch Hochgeschwindigkeitseinschläge wirksam reduzieren oder verhindern. Die ballistische Schutzwirkung von stoßfesten Geweben hängt hauptsächlich von der Gewebestruktur und den Garneigenschaften ab. Je nach Herstellungsverfahren lassen sich Vliesstoffe in unidirektionale (UD) Vliesstoffe, zweidimensionale Gewebe und dreidimensionale Gewebe unterteilen.

2.1 Unidirektionale Vliesstoffe

UD-Gewebe wurden 1988 von Allied Signal eingeführt. Sie entstehen durch die parallele Anordnung von Fasern, deren Laminierung in einer 0/90- oder 0/90/±45°-Orientierung und anschließende Verklebung mit thermoplastischem Harz. Einlagige UD-Gewebe bieten im Vergleich zu 2D- und 3D-Geweben einen höheren ballistischen Schutz und eine bessere Energieabsorption sowie eine höhere Flexibilität und Qualität. Der Vorteil von UD-Geweben liegt im Fehlen von Überkreuzungen oder Krümmungen. Dadurch können sich reflektierte Wellen beim Aufprall über eine größere Fläche ausbreiten, was zu höheren Übertragungsgeschwindigkeiten und einer größeren Beteiligung der Fasern am Projektildurchdringen führt. UHMWPE-Faserverbundwerkstoffe nutzen häufig UD-Gewebestrukturen, um eine bessere Schutzwirkung und Energieabsorption zu erzielen. Auch die Schadensmechanismen von UD-Geweben unterschiedlicher Dicke unterscheiden sich. Beispielsweise beruht der Versagensmechanismus bei Perforationen in unidirektionalen UHMWPE-Verbundlaminaten auf Scherversagen und Lochreibung (zwischen Projektil und Material). Bei Perforationen in dicken UHMWPE-Verbundlaminaten sind die Hauptversagensmechanismen die Delamination des Verbundmaterials, die Faserspannung und die Ausdehnung.

Wie der Vergleich ballistischer Gewebestrukturen zeigt, ordnen unidirektionale Vliesstoffe die Fasern parallel an (0/90° oder 0/90°/±45°) und sind mit thermoplastischem Harz laminiert. Zu ihren Vorteilen zählen hohe Flexibilität, geringes Gewicht, keine Kreuzungspunkte oder Einrollungen sowie schnelle Wellenausbreitung. Dadurch tragen mehr Fasern zum Projektildurchdringen bei. Diese Struktur wird häufig in UHMWPE-Faserverbundwerkstoffen eingesetzt, um den Schutz und die Energieabsorption zu verbessern. Problematisch ist jedoch, dass die Versagensarten von der Dicke abhängen: Perforationen in unidirektionalen UHMWPE-Verbundlaminaten entstehen hauptsächlich durch Scherversagen und Reibung im Loch; Perforationen in dicken UHMWPE-Verbundlaminaten sind vorwiegend auf Delamination, Faserspannung und -ausdehnung zurückzuführen.

2.2 Zweidimensionale Webstoffe

Zweidimensionale Gewebe bestehen aus rechtwinklig verkreuzten Kett- und Schussfäden. Zu den wichtigsten Webarten zählen Leinwandbindung, Köperbindung und Satinbindung (siehe Abbildung). Das am häufigsten verwendete Gewebe für ballistischen Schutz ist die zweidimensionale Leinwandbindung. Zweidimensionale Gewebe können in mehreren Lagen vernäht werden, um die Schutzwirkung zu verbessern, den Eindringgrad (BFS) zu verringern und die Schädigung des menschlichen Gehirns durch Projektilstoßwellen zu reduzieren. Aufgrund von Faserbiegungen und Faserfluktuationen innerhalb des Gewebes können sich jedoch Stoßwellen überlagern und reflektieren, was zu übermäßiger Faserdehnung und -bruch führt und somit die Schutzwirkung der Fasern verringert.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, unterscheiden sich die geometrischen Modelle zweidimensionaler Gewebe je nach Webart. Tabelle 2 zeigt, dass zweidimensionale Gewebe aus rechtwinklig verkreuzten Kett- und Schussfäden bestehen. Zu den Webarten gehören Leinwandbindung, Köperbindung und Satinbindung. Zweidimensionale Leinwandbindung ist eine gängige Struktur für ballistischen Schutz. Ihre Vorteile liegen in der Möglichkeit, sie in mehreren Lagen zu vernähen, was die ballistische Schutzwirkung verbessert, die Einschussdellenbildung reduziert und die Hirnschädigung durch Projektilstoßwellen minimiert. Probleme entstehen durch Faserbiegung und -welligkeit an der Gewebeoberfläche. Dadurch überlagern und reflektieren sich Spannungswellen, was zu übermäßiger Faserdehnung und -bruch führt und somit die ballistische Schutzwirkung verringert. Ein besonderes Problem sind die deutlich spitzen Enden im Vergleich zu 30 Lagen Kevlarfasern.

2.3 Dreidimensionale Webstoffe

Bei kugelsicheren Helmen aus zweidimensional gewebten Stoffen unterbricht das Schneiden und Nähen häufig die Faserkontinuität und mindert so die ballistische Leistung des Helms. Zudem weisen zweidimensional gewebte Stoffe oft eine schwache Seitenhaftung auf und sind daher anfällig für Delamination. Dreidimensional gewebte Stoffe, die durch die Verwendung von Kett- und Schussfäden in Längs- und Querrichtung ein dreidimensionales, integriertes Gewebe bilden, mindern die Probleme zweidimensional gewebter Stoffe deutlich. Abbildung 3 zeigt ein schematisches Diagramm der Modellstruktur eines dreidimensionalen orthogonalen Gewebes. Die einzelnen Lagen des dreidimensionalen Gewebes sind durch Längsnähte miteinander verbunden. Dies erhöht die lokale Flexibilität, reduziert die Spannung am Einschlagpunkt, verlängert die Kontaktzeit zwischen Geschoss und Gewebe und verteilt die Spannung über einen größeren Bereich um den Einschlagpunkt. Justyna Pinkos et al. verglichen die Durchschlagsfestigkeit von zweidimensionalen und dreidimensionalen Geweben aus 30 Lagen Kevlarfasern. Sie stellten fest, dass bei gleicher Durchschlagskraft des Geschosses das dreidimensional gewebte Gewebe eine größere Anzahl an Lagen benötigte, um die Stoßwelle zu absorbieren. Allerdings wies das dreidimensional gewebte Gewebe keine ausgeprägte scharfe Spitze auf, während das zweidimensional gewebte Gewebe eine deutlich definiertere scharfe Spitze besaß.


Wie in Abbildung 2 dargestellt, nutzt das dreidimensionale Gewebe quer und längs verlaufende Kett- und Schussfäden, um einen geschlossenen Raum zu bilden. Die einzelnen Schichten werden anschließend mit Längsfäden vernäht. Zu seinen Vorteilen zählen die Minderung der Probleme wie Faserunterbrechung, schwache Querhaftung und leichte Delamination, die bei zweidimensionalen Geweben durch Schneiden und Nähen auftreten können. Zudem erhöht es die lokale Flexibilität, reduziert die Spannung am Einschlagpunkt, verlängert die Kontaktzeit zwischen Geschoss und Gewebe und verteilt die Spannung über eine größere Fläche. Problematisch ist jedoch, dass bei gleicher Eindringtiefe des Geschosses eine größere Anzahl an Lagen erforderlich ist, um die Stoßwelle zu absorbieren. Ein weiteres Problem besteht darin, dass im Vergleich zu 30 Lagen Kevlarfasern keine ausgeprägte Spitze vorhanden ist.

3. Formgebungstechnologie für Verbundwerkstoffe zur Herstellung von kugelsicheren Helmen

Kugelsichere Helme bestehen hauptsächlich aus einer Außenschale, einer Innenauskleidung und einem Tragesystem. Sie absorbieren primär die Aufprallenergie von Projektilen oder Hochgeschwindigkeitssplittern durch die Verformung und den Bruch der Außenschale. Daher spielt der Herstellungsprozess der Helmschale eine entscheidende Rolle für ihre Schutzwirkung. Traditionelle Vorformverfahren beinhalten zunächst das Anordnen von Hochleistungsfasern und anschließend die Herstellung eines Faser-Prepregs mit thermoplastischem oder duroplastischem Harz. Das zugeschnittene und verlegte Faserverbundmaterial wird dann in einer beheizten Metallpresse unter hohem Druck formgepresst. Bei der Helmherstellung ist es wichtig, eine gleichmäßige Materialverteilung und eine glatte Schalenoberfläche zu gewährleisten, Spalten zwischen den einzelnen Schichten zu minimieren und Spannungsspitzen beim Durchdringen von Projektilen zu reduzieren. Moderne Herstellungsverfahren für kugelsichere Helmschalen nutzen Formgebungstechnologien für Verbundwerkstoffe wie Handlaminierverfahren, Harzinjektionsverfahren (RTM), Thermoformen und Formgebung in Endform.

3.1 Handlaminierverfahren

Das Handlaminierverfahren, auch Kontaktlaminieren genannt, ist die älteste und am weitesten verbreitete Formgebungstechnologie für die Herstellung von kugelsicheren Helmen aus Verbundwerkstoffen. Es ist primär ein manueller Prozess mit nur geringem Maschineneinsatz. Die Bediener benötigen ein hohes Maß an technischem Können, insbesondere Kenntnisse der strukturellen Eigenschaften des Produkts sowie Erfahrung im Zuschneiden und Platzieren der Faserverstärkung und in der Oberflächenbehandlung der Form. Zwar bietet das Handlaminierverfahren kostengünstige und wartungsarme Formen, die hinsichtlich Produktgröße und -form nicht eingeschränkt sind und flexible Anpassungen an verschiedene Teile gemäß den Designanforderungen ermöglichen, und die Formgebung erfolgt bequem bei Raumtemperatur, jedoch eignet es sich typischerweise nur für die Herstellung von Kleinserien. Die fertigen Produkte weisen häufig ungleichmäßige mechanische Eigenschaften, geringe Stabilität und eine inkonsistente Schutzwirkung auf.

Tabelle 3 vergleicht Formgebungstechnologien für Verbundwerkstoffe zur Herstellung von kugelsicheren Helmen. Das manuelle Laminierverfahren ist stark von den Fähigkeiten der Arbeiter abhängig, was zu ungleichmäßigen mechanischen Eigenschaften, geringer Stabilität und instabiler Schutzwirkung des Endprodukts führt. Es weist die geringste Effizienz auf, erfordert einfache Ausrüstung und niedrige Investitionskosten, ist jedoch mit hohen Arbeitskosten verbunden und eignet sich daher für Kleinserien, kundenspezifische Fertigung, Prototypenentwicklung oder die temporäre Notfallproduktion kleiner Helmmengen.

3.2 Harzinjektionsverfahren (RTM)

RTM (Resin Transfer Molding) ist ein Formgebungsverfahren für Verbundwerkstoffe, bei dem niedrigviskose Harze wie Polyester- oder Epoxidharze in eine geschlossene Form eingespritzt werden. Hochleistungsfasern oder andere Verstärkungsmaterialien werden vollständig und gleichmäßig imprägniert, anschließend erfolgt die Aushärtung. Im Vergleich zum traditionellen Handlaminierverfahren bietet die RTM-Technologie Werkstoffe mit höherer Schlagfestigkeit, gleichmäßigeren mechanischen Eigenschaften, geringeren Kosten, einfacherer Wiederholbarkeit, höherer Maßgenauigkeit und einer glatteren, ebeneren Oberfläche. Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen mit komplexen Strukturen und großen Mengen treten jedoch häufig Probleme wie ungleichmäßiger Harzfluss, unzureichende Faserimprägnierung und zu lange Formzeiten auf. Dies führt zu Abweichungen zwischen den erwarteten mechanischen Eigenschaften, der Festigkeit und der Präzision des Verbundwerkstoffs. Das Prozessablaufdiagramm ist in Abbildung 4 dargestellt.

Wie Abbildung 3 zeigt, weisen Produkte, die im Harzinjektionsverfahren hergestellt werden, eine gleichmäßige Harzverteilung, geringe Porosität, hervorragende mechanische Eigenschaften und eine gute Schutzwirkung auf. Sie lassen sich mit hoher Effizienz und moderaten Anfangsinvestitionen in Serie fertigen und ermöglichen so ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Massenproduktion und kundenspezifischer Anpassung für Helme mit hohen Qualitätsanforderungen und komplexen Strukturen, wie sie beispielsweise von Spezialeinheiten eingesetzt werden.

3.3 Heißformverfahren

Heißformen ist ein gängiges Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen. Die wichtigsten Faktoren, die die Formqualität von kugelsicheren Helmen beeinflussen, sind Formtemperatur, Formzeit und Formdruck. Zunächst werden Hochleistungsfasern mit duroplastischen oder thermoplastischen Harzen zu einem Prepreg vermischt. Anschließend wird die Form vorgeheizt und auf einer konstanten Temperatur gehalten. Das Prepreg wird in die Form eingelegt, die Ränder werden verpresst und die Form geschlossen. Die Formtemperatur wird auf die gewünschte Formtemperatur erhöht, Druck ausgeübt und nach der Wärmebehandlung die Form abgekühlt und das Produkt entnommen. Abschließend wird das fertige Produkt zur Reparatur entnommen. Während des Heißformens müssen die Formbedingungen sorgfältig überwacht werden. Beispielsweise überschreitet die Aushärtungstemperatur von UHMWPE-Verbundhelmen typischerweise nicht 130 °C. Ein Flussdiagramm des Heißformprozesses für kugelsichere Helme ist in Abbildung 5 dargestellt.



Wie Tabelle 3 zeigt, weisen Produkte, die im Heißformverfahren hergestellt werden, eine hohe Formgenauigkeit und Dimensionsstabilität auf und erfüllen hohe Schutzstandards. Sie zeichnen sich zudem durch eine gute Produktkonsistenz aus und eignen sich für die Massenproduktion. Allerdings sind die Herstellungskosten hoch, und die hohen Temperaturen und Drücke erfordern einen erheblichen Energieaufwand. Daher eignet sich das Verfahren vor allem für die standardisierte Massenproduktion, beispielsweise von Hochleistungs-Schutzhelmen im Rahmen der Beschaffung konventioneller Militärausrüstung.

3.4 Netto-Dimensions-Spritzgießtechnologie

Die Nettoform-Spritzgießtechnologie, auch bekannt als Gel-Spritzgießtechnologie, ist ein fortschrittliches Formgebungsverfahren, das in der Keramik-, Metallmatrix-Verbundwerkstoff- und anderen Bereichen weit verbreitet ist. Ihr Prinzip beruht auf dem gleichmäßigen Vermischen organischer Monomere, Vernetzungsmittel und weiterer Additive mit Keramik- oder Metallpulver zu einer Suspension. Nach dem Einspritzen in eine Form löst ein Initiator die Monomerpolymerisationsreaktion aus, wodurch die Suspension in situ geliert und aushärtet. Diese Technologie bietet erhebliche Vorteile und ermöglicht die Herstellung von Rohlingen mit komplexen Formen und hoher Maßgenauigkeit. Die Rohlinge weisen eine gute Gleichmäßigkeit und hohe Festigkeit auf, wodurch die Nachbearbeitung effektiv reduziert wird. Beispielsweise können bei der Herstellung von Hochtemperatur-Keramikkomponenten für Triebwerke komplexe innere Strukturen präzise geformt werden. Allerdings stellt sie extrem hohe Anforderungen an die Reinheit der Rohstoffe und die Kontrolle der Prozessparameter, und einige organische Additive sind kostspielig, was ihre großtechnische Anwendung bis zu einem gewissen Grad einschränkt. Mit kontinuierlicher technologischer Optimierung und Verbesserung birgt die Gel-Spritzgießtechnologie jedoch ein enormes Anwendungspotenzial in der High-End-Fertigung. Ein schematisches Diagramm der Nettoform-Spritzgießtechnologie ist in Abbildung 6 dargestellt.


Wie Tabelle 3 zeigt, weisen Produkte, die im Endlosformverfahren hergestellt werden, eine hohe Festigkeit, gute Gleichmäßigkeit und eine dichte innere Struktur auf und sind in der Lage, einer gewissen äußeren Belastung standzuhalten. Das Verfahren zeichnet sich durch hohe Effizienz, einen relativ langen Formzyklus und hohe Herstellungskosten aus und eignet sich daher für die Fertigung komplexer Bauteile in der Luft- und Raumfahrt sowie der Elektronik, wo höchste Formgenauigkeit und mechanische Belastbarkeit gefordert sind.

4. Schlussfolgerung

Kugelsichere Helme, als individuelle Schutzausrüstung für Soldaten, können diese wirksam schützen und Verletzungen durch Kugeln reduzieren oder verhindern. Daher ist ein umfassendes Verständnis der faserverstärkten Verbundwerkstoffsysteme, der Gewebestrukturen und der Formgebungstechnologien für kugelsichere Helme entscheidend für die Entwicklung neuer Helmtypen. Dieser Artikel stellt zunächst Verbundwerkstoffe vor, die sich durch extrem hohe Steifigkeit, Festigkeit und Energieabsorption auszeichnen und somit im Vergleich zu herkömmlichen Materialien einen überlegenen ballistischen Schutz bieten. Anschließend werden ballistische Gewebestrukturen erörtert, die eine noch bessere Schutzwirkung und Energieabsorptionseffizienz erzielen. Da der Herstellungsprozess der Helmschale eine entscheidende Rolle für deren Schutzwirkung spielt, werden vier Formgebungstechnologien für Verbundwerkstoffe für kugelsichere Helme zusammengefasst:

1) Das Handlaminierverfahren erzeugt Produkte mit ungleichmäßigen mechanischen Eigenschaften, geringerer Effizienz und niedrigeren Kosten, die sich für die Kleinserien- oder kundenspezifische Fertigung eignen.

2) Das Harzinjektionsverfahren (RTM) ermöglicht die Herstellung von Produkten mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, höherer Effizienz und moderaten Investitionskosten und eignet sich sowohl für die Massenproduktion als auch für kundenspezifische Anpassungen.

3) Durch Thermoformen entstehen Produkte mit guten mechanischen Eigenschaften, aber höheren Herstellungskosten, die sich für die standardisierte Massenproduktion eignen.

4) Das Formpressen in Endgröße ermöglicht die Herstellung von Produkten mit hoher Vorformfestigkeit und höherer Effizienz, jedoch höheren Herstellungskosten. Es eignet sich für die Fertigung komplexer Bauteile mit extrem hohen Anforderungen an Formgenauigkeit und mechanische Eigenschaften.

Obwohl die Formgebungsverfahren für kugelsichere Helme aus Verbundwerkstoffen relativ ausgereift sind, müssen noch viele Probleme gelöst werden. Angesichts eines zunehmend komplexen internationalen Umfelds und der Entwicklung der Informationstechnologie wird die nächste Generation kugelsicherer Helme verstärkt auf geringes Gewicht, Multifunktionalität, intelligente Funktionen und niedrige Kosten bei gleichzeitig nachhaltiger Fertigung ausgerichtet sein. Dies wird den Anforderungen zukünftiger Kriegsführung hinsichtlich Helmschutz, Intelligenz, Komfort und Anpassungsfähigkeit, schneller Produktion und individueller Anpassung gerecht und die Kampfkraft der Soldaten auf dem Schlachtfeld deutlich verbessern.