Forschung
© Bundeswehr/Falk Bärwald
Nationale und internationale Übereinkommen zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen sowie die zunehmend begrenzte Verfügbarkeit von klassischen Baustoffen zwingen den Bausektor dazu, auf alternative nachhaltigere Baumaterialien und Bauweisen zurückzugreifen.
Verletzungen durch Verformung der Schutzausrüstung
Ein »Behind Armor Blunt Trauma« (BABT) entsteht durch nicht penetrierende ballistische Aufprallvorgänge, die durch die schnelle Verformung der persönlichen Schutzausrüstung (PSA) verursacht werden. Während des Aufpralls verformen sich die PSA und das darunter liegende Körpergewebe rapide.
Wie das Fraunhofer EMI generative Algorithmen einsetzt, um effiziente Konstruktionsentwürfe zu erstellen und komplexe Designprobleme zu lösen.
Die Fähigkeiten von Waffensystemen, die auf die Nutzung in dynamischen Einsatzszenarien ausgelegt sind, lassen sich in rein statischen Erprobungsszenarien nicht vollständig untersuchen.
Das Fraunhofer EMI bringt seine Kompetenzen im Bereich der Werkstoffuntersuchung und ‑modellierung sowie der numerischen Simulation der Projektil-Ziel-Interaktion im Projekt NEWHEAT ein. Mit europäischen Partnern werden im Rahmen des von der Europäischen Kommission 2018 vorgeschlagenen und im Europaparlament 2021 beschlossenen European Defense Fund (EDF) gemeinschaftliche Fähigkeiten im Bereich der Wehrtechnik aufgebaut.
Während die Einwirkung eines Projektils eine sehr lokalisierte Materialbelastung bewirkt, resultiert aus einer Explosionseinwirkung in der Regel eine flächige Materialbelastung. Allgemein ist in der Kurzzeitdynamik von hoher Bedeutung, Materialen und Strukturen auslegen zu können, die über die Fähigkeit zur Aufnahme von Energie verfügen und dabei noch eine hohe Resttragfähigkeit bieten können. Der metallische 3D-Druck erlaubt hier eine hohe Designfreiheit, und insbesondere lokal adaptierbare Gitterstrukturen erscheinen aufgrund ihrer leichten Bauweise besonders geeignet. Hierbei werden in der numerischen Simulation auch die Möglichkeiten von neuartigen evolutionären Algorithmen erforscht, die eine intelligente Designauslegung durch selbstständiges Lernen ermöglichen.
Prinzipien des leichten Schutzes wie die Zerstörung des Projektilkerns sind für den leichten Schutz von grundsätzlichem Interesse. Besonders im Hinblick auf Flexibilität und Anpassbarkeit können Schutzaufbauten profitieren, wenn sie sich mit Verfahren des metallischen 3D-Drucks herstellen lassen. Das Fraunhofer EMI forscht an geeigneten Materialien und Strukturaufbauten für diesen Zweck.
Aufgrund der Möglichkeit zur Anpassung an geometrische Randbedingungen könnten 3D-Druckverfahren auch von Vorteil sein. Zum Beispiel, wenn Komponenten robotischer Systeme, die für die Unterstützung der Soldaten eingesetzt werden, geschützt werden sollen. Im Folgenden wird beispielhaft dargestellt, wie durch die gleichzeitige Nutzung der Effekte der Schottung und geneigter Oberflächen die Schutzwirkung verbessert werden kann.
Autonom im Gelände navigierende robotische Systeme werden es zukünftig ermöglichen, Soldatinnen und Soldaten direkt im Einsatz zu unterstützen. Das Fraunhofer EMI hat sich hierzu an dem internationalen Forschungsprojekt ARTUS beteiligt und dieses auch koordiniert.
Projektile benötigen für eine hohe Fluggeschwindigkeit und zur Einwirkung auf ein Ziel kinetische Energie, die durch einen innenballistischen Antrieb bereitgestellt wird. Im Ladungsraum einer Rohrwaffe erfolgt zunächst die Anzündung der Treibladung. Diese besteht üblicherweise aus einer großen Anzahl von Treibladungspulver-Körnern, die eine bestimmte Geometrie und spezifische Abbrandeigenschaften aufweisen.
Demonstration eines kleinen, standardisierten und kostengünstigen Satelliten in einer ambitionierten Mission
Mit dem Forschungsprojekt zum Aufbau einer Kleinsatellitenplattform und der Vorbereitung einer Mission zur Untersuchung der Anwendungsmöglichkeiten zur Bedrohungsdetektion leistet das Fraunhofer EMI seinen ersten substanziellen Beitrag zu der neuen Fähigkeitsdimension Weltraum. Das ERNST-Flugmodell hierzu wurde bereits fertiggestellt. Die erste Kleinsatellitenmission für die Zwecke der Bundeswehr steht bevor. Im Format eines 12U-CubeSat mit einem kryogen gekühlten Infrarot-Imager soll ERNST das Potenzial der Kleinsatellitentechnologie demonstrieren und Erkenntnisse zur Früherkennung von ballistischen Raketen oder hypersonischen Flugkörpern aus dem erdnahen Orbit liefern.
Waffensysteme können mit Simulationsprogrammen ausgelegt und im Labor untersucht und getestet werden. Schließlich sollen sie den Soldaten im Einsatz zur Verfügung stehen. Während für den Einsatz moderner Rohrwaffen jahrzehntelange Erfahrungen vorliegen, kommt bei Laserwaffen ein vollständig anderes physikalisches Wirkprinzip zum Tragen. Bei vielen bisherigen Freifeldanwendungen wird beim Laser oft die Eigenschaft genutzt, primär Information übertragen zu können. Hierbei sind in der Regel eher geringe Laserstrahlintensitäten ausreichend. Oder die Laserstrahlung wird auf geringe Leistungen begrenzt, wie bei einem Laserpointer. Für eine Laserwaffe müssen andere Vorgehensweisen genutzt werden, um die Sicherheit bei einer möglichen Anwendung im Einsatz sicherzustellen. Von diesen neuartigen Analysen könnten auch zivile Laserfreistrahlanwendungen profitieren.
Die Beschreibung der Fragmentierung von Festkörpern stellt ähnlich große Herausforderungen an Modellierung und numerische Simulation wie turbulente Fluidströmungen.
Wird ein Material weit über seine Festigkeitsgrenze belastet, entstehen Risse, die sich ausbreiten, verzweigen und letztendlich – bei entsprechend hoher dynamischer Belastung – auch zu einer vollständigen Fragmentierung führen können. Wie bei einem Trinkglas, das am Boden zerspringt, können die entstehenden Fragmente viele Größenordnungen umfassen: von einigen größeren Bruchstücken bis hin zu feinsten, kaum noch mit dem Auge wahrnehmbaren Splittern.
Ein detailliertes Verständnis von Versagensprozessen im Innern von Batteriezellen ist zentral wichtig, um die Sicherheit und Robustheit dieser Energiespeicher zu erhöhen. Für diesen Zweck wird auch dynamisches Röntgen eingesetzt, wie zum Beispiel am Synchrotron ESRF in Grenoble, mit dem das EMI zusammenarbeitet.
Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (metal matrix composites, MMCs) bestehen aus einer metallischen Matrixphase, die durch Partikel oder Fasern verstärkt wird. Durch die Kombination der Werkstoffe können MMCs vorteilhafte Eigenschaften der beiden Komponenten vereinen oder im Hinblick auf wehrtechnische Anwendungen sogar bessere mechanische Kennwerte erreichen als die Einzelwerkstoffe allein.
Beschreibung von Abgangsbedingungen bei Bauteilen unter subdetonativer Explosionsbeanspruchung.
Multikontrastaufnahmen machen für das bloße Auge unsichtbare Wasserbewegungen im Laserstrahl sichtbar und dienen der Kalibration von Simulationen.
Das Ernst-Mach-Institut untersucht, wie die Sicherheit der Sichtfensterbereiche von gepanzerten Fahrzeugen gegen ballistische Bedrohungen verbessert werden kann. Eine tiefergehende Analyse der dynamischen Impaktprozesse mittels numerischer Simulationen ermöglicht die Steigerung der Schutzwirkung von transparenten Schutzelementen. Zur Verbesserung der Prognosefähigkeit der Simulationsberechnungen wurden für die zugrundeliegenden Materialmodelle der im lagenartigen Aufbau eingesetzten Sprödwerkstoffe neue Charakterisierungsmethoden entwickelt. Diese Methoden ermöglichen erstmals eine experimentelle Bestimmung der notwendigen Modellparameter, welche die mit einem Projektilaufschlag einhergehenden Vorbelastungen mit berücksichtigen.
Das Fraunhofer EMI untersucht, wie die Übung mit scharfem Schuss auf Truppenübungsplätzen durch den Einsatz von Sensorik und Methoden der Digitalisierung moderner und effizienter werden kann. Die Herausforderung besteht darin, die Sicherheit zu gewährleisten und gleichzeitig erweiterten Anforderungen zu genügen.
Zünd- und Anzündmittel sind sprengstoffhaltige, einmalig verwendbare Komponenten, die für die Auslösung einer detonativen Umsetzung oder des Abbrandes einer Explosivstoffladung verwendet werden. Sie werden nicht nur im Verteidigungsbereich, sondern auch in der Automobilbranche (zum Beispiel bei Airbags), in der Luft- und Raumfahrt sowie im Bergbau eingesetzt. Da ihre Anwendung immer sicherheitskritisch ist, müssen Zünd- und Anzündelemente sicher und zuverlässig sein. Das bedeutet, dass sie genau dann korrekt auslösen, wenn sie mit dem spezifizierten Auslösesignal angesprochen werden und nur dann, auch nicht bei etwaigen Störeinflüssen.
Mit den Fortschritten in der Lasertechnologie sind seit einigen Jahren kompakte und effiziente Lasersysteme verfügbar, die hohe Ausgangsleistungen von einigen 10 Kilowatt bei einer gleichzeitig sehr guten Strahlqualität aufweisen und somit auch über große Entfernungen fokussiert werden können. Dies ermöglicht zukünftige militärische Anwendungen. Derzeit wird von verschiedenen Nationen das Potenzial derartiger Lasersysteme als Effektor für eine Laserwaffe untersucht. Experten gehen davon aus, dass die Weiterentwicklung der Technologie Leistungen in der Klasse von 100 Kilowatt ermöglichen wird.
Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (metal matrix composite, MMC) bestehen aus einer metallischen Matrix, die einen zweiten Werkstoff zum Beispiel in Form von Fasern oder auch Partikeln enthält. Durch die Kombination der Werkstoffe können MMCs die vorteilhaften Eigenschaften der beiden Komponenten vereinen oder sogar bessere mechanische Kennwerte erreichen als die Einzelwerkstoffe allein.
Die Anforderungsprofile für Missionen der Luftwaffe stellen höchste Ansprüche an die Leistungsfähigkeit militärischer Flugzeuge. Neben Sensorik, Elektronik und Bewaffnung kommt insbesondere der Struktur eine besondere Bedeutung zu: Um Reichweite und Nutzlast des Flugzeugs zu maximieren, muss sie leicht sein, gleichzeitig aber eine hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit bei extremen Flugmanövern und Schutz bei Beschuss sicherstellen.
Die Lithium-Ionen(LI)-Technologie ist mittlerweile im militärischen wie im zivilen Umfeld nicht mehr wegzudenken. Ihr Einsatz reicht von Akkupacks für portable Elektronik über Fahrzeugbatterien bis hin zu großen stationären Speichern. Das Fraunhofer EMI forscht für mehr Sicherheit dieser Batterien und führt experimentelle Prüfungen mit dem Schwerpunkt dynamischer Lastfälle (zum Beispiel das Crashverhalten von Batterien) durch.
Die Anwendung von Hydrocodes bei der Simulation von Initiierungsvorgängen in plastikgebundenen Sprengstoffen (PBX) in der Mesoskala ist anspruchsvoll. Das Verhalten des Materials soll möglichst bis zur eventuellen Initiierung vorhergesagt werden. Hierfür wird am EMI das eigene, hoch spezialisierte Programm SOPHIA eingesetzt und kontinuierlich weiterentwickelt.
Bislang wurden virtuelle menschliche Körpermodelle ohne Kleidung in der Crash- oder Aufprallsimulation verwendet. Das Human Body Dynamics Team des Fraunhofer EMI entwickelte erfolgreich eine Modellierungsmethode, um einem Körpermodell eine weiche ballistische Weste in einer stehenden Haltung anzuziehen.
Militärische Luftfahrzeugstrukturen werden mit extrem dynamischen Belastungen, wie zum Beispiel Hochgeschwindigkeitsimpakt oder Blastbelastung, beansprucht. Um derartige Fügestrukturen sicher zu designen, ist es wichtig, nicht nur die Werkstoffe, sondern auch die Bauteilverbindungen bei hohen Belastungsgeschwindigkeiten zu charakterisieren.
Mit Böden befüllte Schanzkörbe können einen effektiven Schutz gegen Luftstoßwellen, wie sie sich infolge von Detonationsereignissen ergeben, bieten. Deswegen erforscht die Gruppe Sicherheit von Bauwerken das Potenzial dieser Strukturen als Schutzeinhausung, um diese so sicher und effizient wie möglich auslegen zu können.
Am Fraunhofer EMI stehen zukünftig erheblich erweiterte experimentelle Fähigkeiten zur Verfügung, um im Labor bei kurzen Abständen die Effekte von hochintensiver Laserstrahlung und Skalierungseffekte zu untersuchen. Grundlagenuntersuchungen können nun bis zu einer Leistung von 120 Kilowatt erweitert werden.
Die Treffgenauigkeit von Rohrwaffen wird zu einem großen Teil von der mechanischen Interaktion zwischen Rohr und Geschoss beim Abschuss bestimmt. Neben den Rohrschwingungen sind vor allem die Pendelbewegungen des Geschosses quer zur Rohrachse dafür verantwortlich, dass dieses beim Verlassen der Mündung einen Abgangsfehler erhält.
Die Detonation von IEDs (Improvised Explosive Devices) kann bei Fahrzeugen im Einsatz einem hohen Impulsübertrag verursachen und dadurch die Insassen gefährden. In der Abteilung Experimentelle Ballistik werden wissenschaftliche Methoden entwickelt, die zu einem besseren Schutz von Landfahrzeugen gegen IEDs genutzt werden.
Als Co-Simulation wird der Ansatz bezeichnet, ein System durch die parallele, gekoppelte Simulation seiner Komponenten zu modellieren. Am Fraunhofer EMI werden Simulationsmethoden mit Schnittstellen für die Co-Simulation von Fluid-Struktur-gekoppelten Systemen entwickelt.
Als Co-Simulation wird der Ansatz bezeichnet, ein System durch die parallele, gekoppelte Simulation seiner Komponenten zu modellieren. Am Fraunhofer EMI werden Simulationsmethoden mit Schnittstellen für die Co-Simulation von Fluid-Struktur-gekoppelten Systemen entwickelt.
Kleinsatelliten verändern derzeit die Raumfahrt. Der Aufbau großer Satellitenkonstellationen,
bestehend aus seriengefertigten Kleinsatelliten und gestützt durch beträchtliche Investitionen, wird Realität. Das Fraunhofer EMI entwickelt den Nanosatelliten ERNST, um den Nutzen dieser aufkommenden Satellitentechnik für militärische Anwendungen zu demonstrieren.
Zur Umschließung von Schutzzonen werden im Militärbereich einfache, aber effektive Lösungen benötigt, die Personen und Material gegen Extremeinwirkungen wie Detonationsereignisse abschirmen. Oft werden hierbei Korbsysteme eingesetzt, die sich mit vor Ort vorhandenem Erdmaterial befüllen lassen. Dadurch wird schnell und mit geringem logistischem Aufwand ein Wall errichtet, der durch seine hohe Masse den erforderlichen Schutz bietet.
Bei Auslandseinsätzen der Bundeswehr müssen Soldatinnen und Soldaten an ihrem Einsatzort untergebracht werden. Die Lagerung der von ihnen benötigten Munition in ihrer Nähe birgt Gefahren. Die Software BREAS ermöglicht eine detaillierte Schadensbewertung von baulichen Strukturen unter Einwirkung von Detonationsereignissen und schafft damit die Grundlage, um effiziente Schutzmaßnahmen ergreifen zu können.
Das Gesamtsystem Handfeuerwaffe besteht in der Regel aus den von unterschiedlichen Herstellern stammenden Subsystemen Waffe, Munition und Optiken, die im Zusammenspiel auch unter dem Einfluss von Umweltbedingungen die von der Bundeswehr gestellten Anforderungen erfüllen müssen.
Um die Wechselwirkung zwischen dem vorgeschädigten Glas und dem Projektil beschreiben zu können, werden am Fraunhofer EMI Methoden entwickelt, um Gläser mittels Planarplattenimpakt definiert vorzubelasten, die Schädigung mithilfe röntgentomografischer Untersuchungen quantitativ zu erfassen und die Festigkeitseigenschaften zu bestimmen.
Für die Anwendung von Hochleistungslasern ist es notwendig, die Laserpropagation genau zu untersuchen und mögliche Gefährdungen zu identifizieren. Hierfür entwickelt das Fraunhofer EMI das Sicherheitsanalysetool LSQRA (Laser Safety Quantitative Risk Analysis) zur 3D-visualisierten Simulation von Einsatzszenarien mit Lasereffektoren.
In modernen Sprengmunitionen werden in der Regel polymergebundene Sprengstoffe, kurz PBX (Polymer Bonded Explosives), eingesetzt. Dabei handelt es sich um heterogene Materialien, bei denen die reaktiven Bestandteile (wie Oktogen- oder Hexogen) in eine weiche Polymermatrix eingebettet sind.
Aufgrund der verschiedensten Anwendungsfelder wächst das Werkstoffportfolio der vielfältigen 3D-Drucktechnologien stetig. Durch dieses additive Prinzip ergeben sich neue Freiheitsgrade im Design. Die Entwicklung einer Methodik am Fraunhofer EMI zur Parameterentwicklung für LBM-Werkstoffe ermöglicht eine effiziente Entwicklung von Fertigungsparametern und somit den Einsatz optimaler Werkstoffe für spezifische Anwendungsfelder.
Neue Messmethode ermöglicht vertiefte Auswertungen und detailliertere Einblicke in die dynamischen Vorgänge der Abgangsballistik.
Um Belastungen wie Impakt eines Projektils auf ein mit hochfestem Sicherheitstahl versehenes Auto im Labor nachzubilden, testet das Fraunhofer diesen Werkstoff an einem speziellen Mehrachsenprüfstand.
Die Untersuchung der Wirkung intensiver Laserstrahlung auf energetische Materialien ist ein Thema mit erheblicher Relevanz für die Sicherheits- und Verteidigungsforschung.
Das Spektrum reicht von neuen Anwendungen in der Sicherheitsforschung über wehrtechnische Anwendungen bis hin zu Untersuchungen der Vorgänge in geologischen Materialien bei Meteoritenimpakt.
Das Fraunhofer EMI richtet ein neues Labor für Anwendungen in der Lasertechnologie mit leistungsstarken Lasern ein. In dem Labor können neuartige Pulslaseranwendungen sowie Dauerstrichlaseranwendungen entwickelt und getestet werden.
Die Einsätze der Bundeswehr werfen neue Fragen hinsichtlich der ballistischen Schutzwirkung von Gebäudeelementen und Bauwerkstoffen auf. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise die Bewertung der Schutzwirkung von Mauerwerk von großem Interesse, um in den Einsatzgebieten Schutz von Zivilbevölkerung und eingesetzten Soldaten gewährleisten zu können.
Numerische Designoptimierung bei dynamischen Lastanforderungen für metallische Werkstoffstrukturen und Bauteile
Die Auswirkung, die die generative Fertigung von Metallen haben wird, ist für die Branchen Wehrtechnik, Luft- und Raumfahrttechnik, Fahrzeutgechnik, Medizintechnik und Werkzeugbau bahnbrechend.
Bei leichten und geschützten Panzerfahrzeugen gehören die transparenten Bereiche zu den kritischsten Komponenten der Panzerung. Damit die Insassen dieser gepanzerten Fahrzeuge lückenlos geschützt sind, ist es notwendig, dass die transparenten Bereiche möglichst das gleiche Schutzniveau aufweisen wie die nicht durchsichtigen Teile der Panzerung.
Für eine gezielte Verbesserung der Schutzwirkung von Panzerungen ist es notwendig, die Mechanismen für das Versagen von Schutzwerkstoffen zu verstehen.
FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KURZZEITDYNAMIK, ERNST-MACH-INSTITUT, EMI