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

Het beschermen van het menselijk lichaam tegen hooggesnelde impacts is een evenwichtsoefening die ingenieurs al decennia lang uitdaagt. Het doel is om een projectiel te stoppen zonder genoeg kracht over te dragen om de persoon die de bepantsering draagt, letsel toe te brengen. Traditionele zachte lichaamsbevestiging vertrouwt op lagen extreem sterk weefsel, vaak gemaakt van aramidevezels zoals Kevlar, die de energie opvangen en uitrekken om deze te absorberen. Echter, het dikker maken van deze bepantsering om snellere of grotere kogels te stoppen, maakt de bepantsering vaak stijf en zwaar, wat de bewegingsvrijheid van de drager beperkt. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers zich gericht op een klasse materialen die bekend staan als afschuifverdikkende vloeistoffen (shear-thickening fluids). Dit zijn vloeistoffen die zich normaal gedragen bij langzame bewegingen, maar onmiddellijk stijf en dik worden bij een plotselinge krachtinslag, waardoor ze alleen als een vaste stof fungeren wanneer dat nodig is. De uitdaging ligt in het manier waarop men deze vloeistoffen op zijn plaats houdt en ze combineert met flexibele stoffen op een manier die de bescherming maximaliseert zonder extra volume toe te voegen.

Een team onderzoekers aan de Ming Chi University of Technology en de National Defense University in Taiwan heeft een nieuwe aanpak voor dit probleem gekozen door de interne structuur van de bepantsering te behandelen als een ontwerpparameter in plaats van slechts een container. In plaats van simpelweg stof te weken in de vloeistof of deze in een standaard honingraatpatroon te stoppen, gebruikten zij computersimulaties om exact te bepalen hoe ver de energie van een impact zich door het materiaal verspreidt. Vervolgens gebruikten zij die informatie om op maat gemaakte cellulaire kernen met specifieke tussenruimtes via 3D-printen te maken, deze te vullen met de verdikkende vloeistof en ze tussen lagen Kevlar te sandwichen. Hun werk suggereert dat de vorm en grootte van de lege ruimtes die de vloeistof vasthouden net zo belangrijk zijn als de vloeistof zelf bij het stoppen van een kogel en het beschermen van de rug van de drager.

De onderzoekers begonnen met het uitvoeren van gedetailleerde computersimulaties om te begrijpen hoe energie beweegt wanneer een projectiel een laag Kevlar raakt die wordt ondersteund door een afschuiververdikkende vloeistof. Ze zochten naar een specifieke afstand: hoe ver van het centrum van de inslag doet de vloeistof daadwerkelijk zijn werk? De simulaties onthulden dat ongeveer tachtig procent van de door de vloeistof geabsorbeerde energie geconcentreerd was binnen een cirkel van ongeveer tien millimeter breed rond het inslagpunt. Deze ontdekking leverde een fysieke regel voor hun ontwerp op. Als de ruimtes die de vloeistof vasthielden te groot waren, zou de vloeistof mogelijk niet genoeg beperkt worden om effectief te werken; als ze te klein waren, zou de structuur onnodig stijf zijn. Met deze tien millimeter meting als richtlijn, besloot het team twee soorten cellulaire kernen te bouwen met verschillende tussenruimtes: één met een gat van tien millimeter en een andere met een gat van twintig millimeter.

Om deze ontwerpen tot leven te brengen, maakte het team gebruik van een productieproces dat zij 'print–fill–seal' noemden. Eerst 3D-printten zij flexibele cellulaire kernen van een materiaal genaamd ethyleen-vinylacetaat, wat vergelijkbaar is met het schuim dat in veel sportartikelen wordt gevonden. Zij creëerden twee verschillende vormen voor deze kernen. De eerste was een traditioneel honingraatpatroon, bekend om zijn stijfheid en het vermogen om belastingen over een breed gebied te verdelen. De tweede was een door visjes schubben geïnspireerd patroon, bestaande uit overlappende, gesegmenteerde eenheden die vrijer kunnen buigen en draaien, waarbij de flexibiliteit van natuurlijke bepantsering zoals de schubben van een vis of de schaal van een gordeldier wordt nagebootst. Zodra ze geprint waren, werden de open bovenkanten van deze cellulaire structuren gevuld met een mengsel van kleine silica-deeltjes en een vloeibaar polymeer. Ten slotte werd een dunne laag van hetzelfde flexibele materiaal over de bovenkant geprint om de vloeistof erin af te dichten, waardoor een zelfvoorzienend, met vloeistof gevuld paneel klaar was voor testen.

Het team testte vervolgens hoe deze panelen zich gedroegen onder twee verschillende omstandigheden: langzame buiging en een hooggesnelde impact. Wanneer zij de panelen langzaam bogen, bleken de honingraatstructuren veel stijver te zijn, waarbij ze de buiging met aanzienlijk meer kracht weerstonden dan de vis-schub-ontwerpen. De vis-schub-panelen, met hun dunnere wanden en gesegmenteerde eenheden, bogen veel gemakkelijker en vertoonden een hoge mate van structurele compliantie. Wanneer de afschuiververdikkende vloeistof werd toegevoegd, werden alle panelen iets stijver, maar het verschil in flexibiliteit tussen de twee ontwerpen bleef duidelijk. Dit bevestigde dat de geometrie van de kern getuned kan worden om ofwel rigide ofwel flexibel te zijn, onafhankelijk van de vloeistof in de kern.

De echte test kwam toen de onderzoekers 9 mm pistoolprojectielen afvuurden op de panelen met snelheden variërend van ongeveer 334 tot 430 meter per seconde. Zij maten de 'back-face signature', wat de diepte van de deuk is die achtergelaten wordt in een blok zachte klei achter de bepantsering. Een diepere deuk betekent dat er meer kracht is overgedragen aan de drager, wat ernstig letsel kan veroorzaken, zelfs als de kogel de bepantsering niet doorboort. De standaard Kevlar-alleen bepantsering, zonder vloeistof of cellulaire kern, liet een deuk achter van 34,01 millimeter diep. Toen de onderzoekers de met vloeistof gevulde cellulaire kernen toevoegden, werden de deuken veel minder diep. De meest succesvolle configuratie was het door vis-schubben geïnspireerde paneel met een tussenruimte van twintig millimeter gevuld met de afschuiververdikkende vloeistof. Dit specifieke ontwerp verminderde de diepte van de deuk tot slechts 7,53 millimeter, een dramatische verbetering ten opzicht van de standaard bepantsering. Opvallend genoeg presteerden de honingraatontwerpen, ondanks dat ze veel stijver waren bij buiging, niet zo goed in het beperken van de achterwaartse vervorming als het flexibelere vis-schub-ontwerp.

De resultaten suggereren dat de beste bescherming niet voortkomt uit het zo hard mogelijk maken van de bepantsering. In plaats daarvan lieten de meest effectieve panelen de structuur op een gecontroleerde manier vervormen. De flexibele vis-schub-geometrie stelde de impactenergie in staat om zich over een groter gebied te verspreiden, terwijl de vloeistof in de cellen onmiddellijk verdikte om de beweging te weerstaan. Deze combinatie van lastverdeling door de Kevlar, vervorming door de flexibele kern en de gelokaliseerde weerstand van de vloeistof creëerde een systeem dat energie efficiënt absorbeerde zonder een zware klap aan de drager over te dragen. De studie geeft aan dat door computersimulaties te gebruiken om de juiste grootte van de interne cellen te vinden, ingenieurs bepantsering kunnen ontwerpen die zowel lichtgewicht als zeer effectief is, wat bewijst dat de vorm van de lege ruimte binnenin de bepantsering een cruciale factor is in het veilig houden van mensen.