Simulation-Guided Design of Shear-Thickening-Fluid-Filled 3D-Printed Sandwich Composite Panels for Ballistic Protection

Der Schutz des menschlichen Körpers vor Hochgeschwindigkeitsaufprallen ist ein Balanceakt, der Ingenieure seit Jahrzehnten vor Herausforderungen stellt. Das Ziel besteht darin, ein Projektil zu stoppen, ohne dabei genug Kraft zu übertragen, um die Person, die die Rüstung trägt, zu verletzen. Traditionelle weiche Körperpanzerung stützt sich auf Schichten aus unglaublich starkem Gewebe, das oft aus Aramidfasern wie Kevlar besteht, welche die Energie auffangen und dehnen, um sie zu absorbieren. Das Erhöhen der Dicke dieser Panzerung, um schnellere oder größere Kugeln zu stoppen, macht sie jedoch oft steif und schwer, was die Bewegungsfreiheit des Trägers einschränkt. Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler sich einer Klasse von Materialien zugewandt, die als scherverdickende Flüssigkeiten (Shear-Thickening Fluids) bekannt sind. Dies sind Flüssigkeiten, die sich bei langsamen Bewegungen normal verhalten, aber bei einem plötzlichen Aufprall sofort starr und dickflüssig werden und somit nur dann wie ein Festkörper wirken, wenn es nötig ist. Die Herausforderung besteht darin, diese Flüssigkeiten an Ort und Stelle zu halten und sie mit flexiblen Geweben so zu kombinieren, dass der Schutz maximiert wird, ohne die Sperrigkeit zu erhöhen.

Ein Forschungsteam der Ming Chi University of Technology und der National Defense University in Taiwan hat einen neuen Ansatz für dieses Problem gewählt, indem es die interne Struktur der Panzerung als Designvariable und nicht bloß als Behälter betrachtet. Anstatt den Stoff einfach in die Flüssigkeit einzutränken oder ihn in ein Standard-Wabenmuster zu stopfen, nutzten sie Computersimulationen, um genau zu bestimmen, wie weit sich die Energie eines Aufpralls durch das Material ausbreitet. Sie verwendeten diese Informationen anschließend, um maßgeschneiderte zelluläre Kerne mit spezifischen Abständen im 3D-Druckverfahren herzustellen, die mit der verdickenden Flüssigkeit gefüllt und zwischen Schichten aus Kevlar eingebettet wurden. Ihre Arbeit legt nahe, dass die Form und Größe der leeren Räume, die die Flüssigkeit halten, ebenso wichtig sind wie die Flüssigkeit selbst, um eine Kugel zu stoppen und den Rücken des Trägers zu schützen.

Die Forscher begannen damit, detaillierte Computersimulationen durchzuführen, um zu verstehen, wie Energie wandert, wenn ein Projektil auf eine Kevlar-Schicht trifft, hinter der sich eine scherverdickende Flüssigkeit befindet. Sie suchten nach einem spezifischen Abstand: Wie weit vom Zentrum des Aufpralls wirkt die Flüssigkeit tatsächlich? Die Simulationen zeigten, dass etwa achtzig Prozent der durch die Flüssigkeit absorbierten Energie in einem Kreis von etwa zehn Millimetern Breite um den Aufprallpunkt konzentriert waren. Diese Entdeckung lieferte eine physikalische Regel für ihr Design. Wenn die Räume, die die Flüssigkeit halten, zu groß wären, würde die Flüssigkeit möglicherweise nicht ausreichend eingeschränkt werden, um effektiv zu wirken; wenn sie zu klein wären, wäre die Struktur unnötig starr. Unter Verwendung dieses zehn-Millimeter-Maßes als Leitfaden entschied sich das Team, zwei Arten von zellulären Kernen mit unterschiedlichen Abständen zu bauen: einen mit einem zehn-Millimeter-Abstand und einen mit einem zwanzig-Millimeter-Abstand.

Um diese Designs zum Leben zu erwecken, wandte das Team ein Fertigungsverfahren an, das sie „Print–Fill–Seal“ (Drucken–Füllen–Versiegeln) nannten. Zuerst druckten sie die flexiblen zellulären Kerne aus einem Material namens Ethylen-Vinyl-Acetat, das dem Schaumstoff in vielen Sportschuhen ähnelt. Sie erstellten zwei unterschiedliche Formen für diese Kerne. Der erste war ein traditionelles Wabenmuster, das für seine Steifigkeit und seine Fähigkeit bekannt ist, Lasten über eine breite Fläche zu übertragen. Das zweite war ein von Fischschuppen inspiriertes Muster, bestehend aus überlappenden, segmentierten Einheiten, die sich freier biegen und drehen konnten, was die Flexibilität natürlicher Panzerung wie die Schuppen eines Fisches oder den Panzer eines Gürteltiers nachahmt. Sobald diese Strukturen gedruckt waren, wurden die offenen Oberseiten der Zellen mit einer Mischung aus winzigen Siliziumpartikeln und einem flüssigen Polymer gefüllt. Schließlich wurde eine dünne Schicht desselben flexiblen Materials über die Oberseite gedruckt, um die Flüssigkeit einzuschließen, wodurch ein geschlossenes, flüssigkeitsgefülltes Paneel bereit für Tests entstand.

Das Team testete dann, wie sich diese Paneele unter zwei verschiedenen Bedingungen verhielten: bei langsamem Biegen und bei einem Hochgeschwindigkeitsaufprall. Beim langsamen Biegen der Paneele erwiesen sich die Wabenstrukturen als wesentlich steifer und leisteten beim Biegen deutlich mehr Widerstand als die Fischschuppen-Designs. Die Fischschuppen-Paneele mit ihren dünneren Wänden und segmentierten Einheiten bogen sich viel leichter und zeigten eine hohe strukturelle Nachgiebigkeit. Als die scherverdickende Flüssigkeit hinzugefügt wurde, wurden alle Paneele etwas steifer, aber der Unterschied in der Flexibilität zwischen den beiden Designs blieb deutlich erkennbar. Dies bestätigte, dass die Geometrie des Kerns so abgestimmt werden kann, dass er entweder starr oder flexibel ist, unabhängig von der Flüssigkeit im Inneren.

Der wahre Test kam, als die Forscher 9-mm-Handgun-Projektile mit Geschwindigkeiten von etwa 334 bis 430 Metern pro Sekunde auf die Paneele abfeuerten. Sie maßen die Rückseiten-Signatur (Back-Face Signature), also die Tiefe der Delle, die in einem hinter der Panzerung platzierten Block aus weichem Ton hinterlassen wurde. Eine tiefere Delle bedeutet, dass mehr Kraft auf den Träger übertragen wurde, was selbst dann zu schweren Verletzungen führen kann, wenn die Kugel nicht durchschlägt. Die Standard-Kevlar-Panzerung ohne Flüssigkeit oder zellulären Kern hinterließ eine Delle von 34,01 Millimetern Tiefe. Als die Forscher die flüssigkeitsgefüllten zellulären Kerne hinzufügten, wurden die Dellen wesentlich flacher. Die erfolgreichste Konfiguration war das Fischschuppen-inspirierte Paneel mit dem zwanzig-Millimeter-Abstand, das mit der scherverdickenden Flüssigkeit gefüllt war. Dieses spezifische Design reduzierte die Delltiefe auf nur 7,53 Millimeter, eine dramatische Verbesserung gegenüber der Standardpanzerung. Interessanterweise schnitten die Waben-Designs, obwohl sie beim Biegen viel steifer waren, bei der Begrenzung der Rückseiten-Verformung nicht so gut ab wie die flexiblere Fischschuppen-Variante.

Die Ergebnisse legen nahe, dass die beste Verteidigung nicht dadurch entsteht, die Panzerung so hart wie möglich zu machen. Stattdessen ermöglichten die effektivsten Paneele es der Struktur, sich kontrolliert zu verformen. Die flexible Fischschuppen-Geometrie erlaubte es der Aufprallenergie, sich über eine größere Fläche zu verteilen, während die Flüssigkeit innerhalb der Zellen augenblicklich dicker wurde, um der Bewegung zu widerstehen. Diese Kombination aus Lastverteilung durch das Kevlar, Verformung durch den flexiblen Kern und dem lokalisierten Widerstand der Flüssigkeit schuf ein System, das Energie effizient absorbierte, ohne einen schweren Schlag auf den Träger zu übertragen. Die Studie zeigt, dass Ingenieure durch den Einsatz von Computersimulationen zur Bestimmung der richtigen Größe der inneren Zellen eine Panzerung entwerfen können, die sowohl leicht als auch hocheffektiv ist, und beweist, dass die Form des leeren Raums innerhalb der Panzerung ein entscheidender Faktor für die Sicherheit der Menschen ist.