DE2919588A1 - Aus schichten von kontinuierlichen faeden bestehender ballistischer schutzhelm und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Aus schichten von kontinuierlichen faeden bestehender ballistischer schutzhelm und verfahren zu seiner herstellung

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Description

Aus Schichten von kontinuierlichen Fäden bestehender ballistischer Schutzhelm und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf einen ballistischen Schutzhelm im allgemeinen und im besonderen auf einen aus miteinander verbundenen Schichten bestehenden ballistischen Schutzhelm und einem Verfahren zu dessen Herste! lung.
In jüngerer Zeit wurden vom Militär und von Institutionen zur Durchsetzung des Gesetzes verschiedene Arten von ballistischen Schutzhelmen verwendet. Der überall zu findende Metallhelm des Zweiten Weltkrieges wurde ergänzt und bis zu einem gewissen Grad durch Helme aus Plastik ersetzt. Leider sind Helme aus Plastik} die eine ausreichende ballistische Unversehrbarkeit aufweisen, relativ schwer. Kürzlich wurde vorgeschlagen, Fasern aus Aramiden zu verwenden, wie zum Beispiel die von E. I. DuPont deNemours & Co., Inc. unter der Marke KEVLAR vertriebene Aramid-Faser. Ein KEVLÄR-Gewebe wurde nach einem Muster geschnitten und zu einem Heim geformt. Dieses Verfahren war nicht
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nur zeitraubend sondern auch aufwendig, weil Metaltabfälle verschwendet wurden.
Eine aligemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besieht somit darin, einen . wirtschaftlicher erzeugbaren ballistischen Schutzhelm und ein Verfahren zu dessen Hersteilung zu schaffen. Im besonderen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen schachtförmig aufgebauten ballistischen Schutzhelm zu entwickeln, der aus kontinuierlichen Fäden von Aramid- und/oder Glasfasern besteht, die in Bündeln, Garnen und/oder Enden angeordnet sind. Weiterhin besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Entwicklung eines aus Schichten bestehenden ballistischen SchutzhelmSj der ein relativ geringes Gewicht bei ausreichender ballistischer Unversehrtheit aufweist.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Mehrzahl von ineinander verschachtelten, kontinuierliche Fadenbündel und Harz enthaltende Vorformen zu einer Struktur von miteinander verbundenen Schichten geformt sind.
Ein Verfahren zur Herstellung des Helms besteht aus folgenden Schritten:
a) Erzeugung einer Mehrzahl von ineinander verschachtelbaren, helmförmigen, kontinuierliche Fadenbündel und Harz enthaltenden Vorformen,
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h) Aufeinanderstapeln dieser Mehrzahl von Vorformen in miteinander verschachtelter Beziehung und
c) Formen des Stapels miteinander verschachtelter Vorformen zu einem ballistischen Helm.
Ein kontinuierliches Fadenbündel, -garn oder Fadenende wird auf einer ersten helmförmigen Schablone abgeiagert. Die kontinuierlichen Fäden werden entweder vor oder nach der Ablagerung der Fasern auf der Schablone mit einem Harz überzogen oder imprägniert. Dieser Vorgang wird mit verschieden großens helmförmigen Schablonen wiederholts um eine Mehrzahl von helmförmigen Vorformen zu erzeugen, von denen die eine in die andere paßt. Diese Vorformer« werden in verschachtelter Bezugslage ineinander gssteckt und miteinander geformt. Dies ergibt einen aus miteinander verbundenen Schichten bestehenden bal listischen Schutzhelm.
Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß für das Herstellungsverfahren praktisch !eicht verfügbare Materialien und Komponenten verwendet werden können. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ferner in vorteilhafter Weise das Helmmaterial ohne ins Gewicht fallenden Abfall ausgenutzt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mit dem Verfahren der Bedarf an verschieden großen Helmen erfüllt werden kann.
Die oben beschriebenen Aufgabenstellungen und Eigenschaften der Erfindung sowie weitere Aufgabenstellungen
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und Merkmale lassen sich am besten aus der detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform erkennen, das zu Erläuterungszwecken ausgewählt und in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich daher aus der folgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestel Iten Ausführungsbeispiels·
Es zeigen:
Fig. 1 in perspektivischer Ansicht die Ablage einer aus kontinuierlichen Fäden bestehenden Faser auf einen helmförmigen, porösen Schirm,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Vorform mit Fasern aus kontinuierlichen Fäden in trockenem Zustand,
Fig. 3 in perspektivischer Ansicht die Anwendung einer harzigen Lösung bei der in Fig. 2 dargestellten trockenen Vorform,
Fig. 4 in perspektivischer Ansicht eine Mehrzahl von helmförmigen Vorformen in verschiedenen Größen in Stützschirmen,
Fig. 5 eine Ansicht eines Trockenofens mit Zwangsbelüftung und mit drei eingelagerten Vorformen,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der ineinanderge-
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Geonautio8s Ine. nninroQ
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schachtelten Vorformen in einer geheizten, metallenen Druckform und
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht der zusammengepreßten Vorformen vor dem Entfernen des überstehenden Randmaterials und vor dem Formen.
In der Zeichnung ist in aufeinanderfolgenden Ansichten ein Verfahren gemäß der Erfindung zur Erzeugung eines aus miteinander verbundenen Schichten bestehenden ballistischen Schutzhelms dargestellt, wobei ein Fasermaterial aus kontinuierlichen Fäden verwendet wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fasermaterial eine Aramid-Faser wie KEVLAR oder eine Glasfaser.
Die folgenden, im Text verwendeten Ausdrücke sollen die nachstehend angegebene Bedeutung haben.
1. Faden: die kleinste Einheit eines Fasermaterials;
2. Bündel: eine Ansammlung von im wesentlichen
parallelen Fäden;
3. Garn: ein gezwirntes Bündel von kontinuierlichen
Fäden;
3. Ende: ein nicht gezwirntes Bündel von kontinuierlichen Fäden;
4. Strang; entspricht dem Ende;
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Die Fig« 1 zeigt in perspektivischer Ansicht die Ablagerung eines Bündels 10 aus kontinuierlichen Fäden auf einen helmförmigen porösen Schirm 12. Vorzugsweise wird auf das Innere des. porösen Schirms 12 mit Hilfe eines Lüfters 14 ein Sog über eine mit einer Öffnung versehene Auflage 16 und eine Einlaßröhre 18 ausgeübt. Die Abluft des Lüfters 14 wird durch eine herkömmliche Auslaßröhre 20 abgegeben.
Eine Mannigfaltigkeit von verschiedenen Methoden kann für die Ablagerung des kontinuierlichen Fadenbündels 10 auf dem porösen, helmförmigen Schirm bzw. dem Muster 12 verwendet werden. Die Ablagerung kann mit nicht dargestellten mechanischen Rollen oder durch Einfügung des kontinuierlichen Fadenbündels 10 in einen aus einer Luftspritze 22, wie sie in Fig. 1 zeigt ist, austretenden Luftstrom erfolgen.
Die Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine aus einem kontinuierlichen Fadenbündel erzeugte Vorformschicht 24, die durch die Ablagerung des kontinuierlichen Fadenbündels 10 auf dem in Fig. 1 dargestellten helmförmigen Muster 12 hergestellt ist. Die Vorformschicht 24 aus kontinuierlichen Fäden ist in Fig. 2 in trockenem Zustand gezeigt. Nach der Bildung der Ablagerung der Vorformschicht wird ein Harz, vorzugsweise in einer Lösung, auf die Vorformschicht 24, wie in Fig. 3 gezeigt, durch Sprühen oder mit anderen herkömmlichen Mitteln aufgebracht. Es ist für Fachleute ersichtlich, daß das Harz entweder vor oder nach der Ablagerung des Bündels auf dem helmförmigen Muster 12 auf das kontinuierliche Bündel 10 aufgebracht
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oder in dieses imprägniert werden kann.
Die Fig. 4 zeigt in perspektivischer Ansicht drei verschieden große Vorformschichten 24a, 24b und 24c aus einem kontinuierlichen Fadenbündel. Die Schichten werden von entsprechenden, porösen Schirmen 26a bis 26c gehalten. Nach der Anwendung der harzigen Lösung auf die in Fig. 3 gezeigte Weise wird dem Lösungsmittel eine Möglichkeit zur Verdampfung gegeben und die Behandlung mit Harz gesteigert, bevor die Vorformschichten 24a, 24b, 24c usw. für das Zusammenpressen UbereinandergestUlpt werden. Vorzugsweise werden die das Harz enthaltenden Vorformschichten 24a bis 24c, wie in Fig. 5 dargestellt, in einen geheizten zwangsbelüfteten Ofen 28 für das "B-Stadium" und zum Lösungsmittelentzug gelegt.
Nach der Ofenbehandlung werden die Vorformschichten 24a bis 24c aus dem Ofen 28 herausgenommen, in übereinandergestülpte Lagen zusammengesetzt und in eine geheizte Druckform gelegt, die allgemein mit 30 bezeichnet ist. In dieser Stufe können die ineinandergeschachtelten Vorformen entweder unmittelbar miteinander verschmolzen oder, alternativ, verdichtet werden, um einen vorgeformten Helm 32 zu bilden, wie er in Fig. 10 dargestellt ist. Wenn der Vorverdichtungsschritt angewendet wird, schert die Form 30 einen Teil der Vorformen aus kontinuierlichen Fadenbündeln ab und hinterläßt einen leicht zu entfernenden Abfallrest 34. Nach der Entfernung des Rests 34 wird der vorverdichtete und vorgeformte Helm 32 in der Form 30 unter Hitze- und Druckeinwirkung gebildet.
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Beispiel I
Das folgende Beispiel für die Erzeugung eines aus miteinander verbundenen Schichten zusammengesetzten ballistischen Schutzhelms ist nur zur Erläuterung vorgebracht. Die kontinuierlichen Fadenbündel 10 wurden unmittelbar auf die helmförmigen Vorformschirme 12 geblasen. Die sich ergebenden Vorformen wurden in verschiedenen Stärken, und Gewichten ausgeführt. Gegenwärtig scheint der beste Kompromiß im Arbeiten mit 50 Gramm (Gewicht des KEVLAR) Vorformen zu bestehen. Die Vorformen wurden durch Blasen einer kontinuierlichen KEVLAR 29- Schar (15.000 denier) auf einen gelochten Schirm hergestellt. Die Luft wurde durch den Schirm mit hoher Geschwindigkeit, zum Beispiel 100 ft./see. (30,5 m/sec) angesaugt, um die aufgesprühten, kontinuierlichen Fäden in ihrer relativen Lage auf dem Schirm zu halten. Das Gewicht des gesprühten KEVLAR wurde genau bestimmt, indem eine KEVLAR-RoIIe auf einer Gramm-Wage vorher abgeglichen und der Abgleich um 50 Gramm geändert wurde. Sobald der Arm Gleichgewicht anzeigte, waren 50 Gramm auf dem Schirm abgelagert.
Die Ablagerung der genauen Menge an Harz war schwieriger. Das verwendete Harz (R 799 Lewcott Chemicals, Phenol-Polyvinyl- Butyral wurde mit denaturiertem Äthanol zuerst auf einer 4:1 und dann auf einer 8:1 volumetrischen Basis verdünnt. Die Lösung wurde unter Verwendung einer herkömmlichen Sprühausrüstung auf die Vorform gesprüht. Je nach der
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Bedienungsperson ergab die 8:1 Lösung einen Harzgehalt im Bereich von 22 bis 27 Gewichtsprozent. Auf der Grundlage des derzeitigen Wissens wird angenommen, daß ein Harzgehalt von 20 bis 30 Gewichtsprozent wünschenswert ist, um eine maximale ballistische Charakteristik zu erreichen.
Jede Vorform wurde in einem zwangsbelüfteten Ofen bei 1500F (65,6°C) für eine Periode von vier Stunden luftgetrocknet. Diese Trockenzeit und Temperatur schien alle Spuren von Alkohol zu beseitigen und dem Phenolharzmaterial ein ausreichendes "B"-Stadium zu verleihen.
Beim ursprünglichen Versuch wurden zwanzig Vorformen mit zehn verschiedenen Abmessungen aufeinandergestapelt und in die Form zum Vereinigen gelegt. Dies ergab einen KEVLAR-Gehalt von ungefähr 1.000 Gramm auf den meisten Helmvorformen und etwas weniger auf dem fertig geformten Helm. Es traten die bereits erwähnten Änderungen im Harzgehalt auf, die geformten Helme wurden jedoch für die Testphase als angemessen angesehen.
Die oben dargelegten ballistischen Schutzhelme aus kontinuierlichen KEVLAR-Fäden und miteinander verbundenen Schichten wurden bei einem Druck von ungefähr 5.000 psf (344,7 bar) während eines Zeitraums von 45 Minuten bis zu einer Stunde zwischen 270 und 3000F (132 bis 148,8°C) geformt. Die geformten Helme wurden von abstehenden Randteilen befreit und in herkömmlicher Weise verarbeitet.
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Es wurden ballistische Tests durchgeführt mit einem Fragment-Simulator für 17 Körner, Kaliber 22 und einem Lauf von 12". Die Testergebnisse für KEVLAR-Fasern aus kontinuierlichen Fäden sind nachstehend aufgelistet.
2
30 ounce/sq.ft. (9130 g/m ) Flächendichte der Helme
HeIm-Nr. Aufbau Durchschnittliche V50 Einstufung
6 Kontinuierliche Kevlar- 1808 ft. per second C551 ^- )
Faser sec
11 Kontinuierliche Kevlar- 1714 ft. per second (523 see)
Faser
Be i sp ie! II
Herstellung und Prüfung von Helmen mit einer Flächendichte von 38 ounce/sq.ft (11570 g/m )
Das zur Herstellung der schweren und dickeren Helme mit 38 ounce Flächendichte benutzte Verfahren war im wesentlichen das gleiche wie das beim Beispiel I be-
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nutzte mit der Ausnahme, daß 25 Vorformschichten bei der Bildung verwendet wurde. Die ballistischen Tests wurden genau wie oben mit folgenden Ergenissen durchgeführt:
38 ounce/sq.ft. (11570 g/m2) Flächendichte der Helme
HeIm-Nr. Aufbau Durchschnittliche V50 Einstufung
20 Kontinuierliche 2092 ft, per second (638 El-
Kevlar-Faser sec
21 Kontinuierliche 2041 ft. per second (623 — )
Kevlar-Faser sec
22 Kontinuierliche 2136 ft. per second (651 — )
Kevlar-Faser sec
Die obigen zwei Reihen von Testergebnissen zeigen eine ausreichende Leistung für ballistische Schutzhelme an.
Die oben dargelegte durchschnittliche V50-Einstufung zeigt, daß die ballistischen Schutzhelme der vorliegenden Erfindung die gewünschte ballistische Unversehrbarkeit erfüllen.
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Es ist verständlich, daß andere synthetische Fasern neben KEVLAR entweder alleine oder in Verbindung mit anderen synthetischen Fasern wie Glasfasern und NYLON verwendet werden können und daß auch Glasfasern oder Nylon alleine benutzt werden können, um die Methode der vorliegenden Erfindung auszuüben.
Nach der eingehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungform ist es nun für die einschlägigen Fachleute klar, daß zahlreiche Modifikationen ausgeführt werden können, ohne daß vom Grundgedanken der Erfindung abgewichen wird, wie er in den Ansprüchen festgelegt ist.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche :
    IJ Verfahren zur Herstellung eines ballistischen Schutzhelms gekennzeichnet
    durch folgende Schritte:
    a) Erzeugung einer Mehrzahl von ineinander verschachtelbaren, helmförmigen, kontinuierliche Fadenbündel (10) und Harz enthaltenden Vorformen (24a, 24b, 24c),
    b) Aufeinanderstapeln dieser Mehrzahl von Vorformen (24a, 24b, 24c) ·η miteinander verschachtelter Beziehung und
    c) Formen des Stapels miteinander verschachtelter Vorformen zu einem ballistischen Helm.
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    ta/3O0O/1O.7S
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    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mehrzahl der Vorformen (24a, 24b, 24c) durch Ablegung eines kontinuierlichen Fadenbündels (10) auf eine Mehrzahl von helmförmigen Mustern (12) von unterschiedlichen Größen erzeugt werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mehrzahl der Vorformen (24a, 24b, 24c) durch Ablegung eines kontinuierlichen Fadengarns auf eine Mehrzahl von helmförmigen Mustern (12) von unterschiedlichen Größen erzeugt werden.
    4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mehrzahl der Vorformen (24a, 24b, 24c) durch Ablegung eines kontinuierlichen Fadenendes auf eine Mehrzahl von helmförmigen Mustern (12) von unterschiedlichen Größen erzeugt werden.
    5. Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeich net, daß das kontinuierliche Fadenbündel,
    -garn oder -ende nach der Ablage auf die helmförmigen Muster (12) mit einem Harz überzogen wird.
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    -Z-
    6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Harz beim Überziehen des kontinuierlichen Fadenbündels, -garns oder -endes in einem Lösungsmittel gelöst ist und daß das Lösungsmittel zum Verdampfen gebracht und die Behandlung des Harzes fortgesetzt wird, bevor die Vorformen in der ineinander verschachtelten Bezugslage aufeinandergestapelt werden.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das harzüberzogene Fadenbündel, -garn oder -ende einem Strom von erhitztem Gas ausgesetzt wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch ge kennzeichnet, daß der Harzgehalt des überzogenen kontinuierlichen Fadenbündels, -garns oder -endes im Bereich zwischen 20 bis 30 Gewichtsprozent liegt.
    9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Harz
    während des Überzugs auf das kontinuierliche Fadenbündel, -garn oder -ende in einem Lösungsmittel gelöst ist und daß das Lösungsmittel zum Verdampfen gebracht und der Fluß des Harzes auf Formfestigkeit reduziert wird, bevor die Vorformen zu der ineinander verschachtelten Bezugslage aufeinander gestapelt werden.
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    stapelt werden.
    10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch ge kennzeichnet, daß das mit Harz überzogene kontinuierliche Fadenbündel, -garn oder -ende einem Strom von erhitztem Gas ausgesetzt wird.
    11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Harzgehalt des überzogenen kontinuierlichen Fadenbündels, -garns oder -endes im Bereich zwischen 20 und 30 Gewichtsprozent liegt.
    12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kontinuierliche Fadenbünde! durch Blasen auf die helmförmigen Muster (12) abgelegt wird.
    13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die helmförmigen Muster (12) poröse Schirme sind und daß ein Sog auf den Innenraum jedes hei uniform igen, porösen Schirms ausgeübt wird, wenn das kontinuieriiche Fadenbündel, -garn oder -ende auf ihn geblasen w{rds um das Bündel zeitweise auf a<s\rr. Sch inn zu halten.
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    -S-
    14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch
    gekennzeichnet, daß das
    kontinuierliche Fadenbündel, -garn oder -ende auf die hei mförm igen Muster (12) durch Einfügung des Fadenbündels, -garns oder -endes in einen bewegten Gasstrom geblasen wird·
    15. Verfahren nach Anspruch 2} dadurch
    gekennzeichnet, daß das
    kontinuierliche Fadenbündel, -garn oder -ende mit einem Harz imprägniert wird, nachdem das Bündel, Garn oder Ende auf den helmförmigen Mustern (12) abgefegt ist.
    16. Verfahren nach Anspruch 2, dad urch
    gekennzeichnet, daß das
    kontinuierliche Fadenbündel, -garn oder -ende mit einem Harz imprägniert wird, bevor das Bündel, Garn oder Ende auf den helmförmigen Mustern (12) abgelegt ist.
    17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch
    gekennzeichnet, daß das Harz während des Imprägnierens in das kontinuierliche Fadenbündel, -garn oder -ende in einem Lösungsmittel gelöst ist und daß das Lösungsmittel zum Verdampfen gebracht wird und die Behandlung des Harzes fortgesetzt wird, bevor die Vorformen in verschachtelter Stellung aufeinander gestapelt werden.
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    291958E
    Geo'fiautias, Ine. (11 847)
    Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das"
    kontinuierliche "Fadenbündel, -garn oder -ende mit einem Harz überzogen wird, bevor das Bündel, Garn oder Ende auf die helmförmigen Muster (12) abgelegt wird.
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel ineinander verschachtelter Vorformen vor dem Formen gepreßt wird.
    20. Ballistischer Schutzhelm, dadurch ge
    kennzeichnet, daß eine Mehrzahl von ineinander verschachtelten, helmförmigen, kontinuierliche Fadenbündel und Harz enthaltende Vorformen zu einer Struktur von miteinander verbundenen Schichten geformt sind.
    21. Ballistischer Schutzhelm nach Anspruch 20, d a durch gekennzeichnet, daß
    das kontinuierliche Fadenbündel ein kontinuierliches Fadengarn enthält.
    22. Ballistischer Schutzhelm nach Anspruch 20, d a durch gekennzeichnet, daß
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    Geonauti.es, Inc. (11 847)
    das kontinuierliche Fadenbündel ein kontinuierliches Fadenende enthält.
    23. Ballistischer Schutzhelm nach Anspruch 20, d a durch gekennzeichnet, daß
    der Harzgehalt der Vorformen im Bereich von 20 bis 30 Gewichtsprozent liegt.
DE2919588A 1978-05-15 1979-05-15 Verfahren zur Herstellung eines Helmes Expired DE2919588C2 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US05/909,648 US4199388A (en) 1978-05-15 1978-05-15 Method for making a multi-ply continuous filament ballistic helmet

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE2919588A1 true DE2919588A1 (de) 1979-11-29
DE2919588C2 DE2919588C2 (de) 1986-07-17

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ID=25427601

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US (1) US4199388A (de)
JP (1) JPS5517090A (de)
BE (1) BE876226A (de)
CA (1) CA1115451A (de)
DE (1) DE2919588C2 (de)
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