Additive manufacturing of metallic auxetic structures and materials for lightweight armour

PROJEKT NAUKOWO-BADAWCZY
FINANSOWANY ZE ŚRODKÓW EUROPEJSKIEJ AGENCJI OBRONY

Projekt badawczo-rozwojowy (finansowanie EDA) European Defence Agency Contract No BPRJ-RT-797
TEMAT:	Additive manufacturing of metallic auxetic structures and materials for lightweight armour
Okres realizacji:	01.10.2022 – 31.12.2025
KIEROWNIK:	ppłk dr inż. Paweł PŁATEK tel. +48 261 839 657 e-mail: pawel.platek@wat.edu.pl

1. CEL PROJEKTU

Głównym celem projektu AMALIA (Additive Manufacturing Of Metallic Auxetic Structures And Materials For Lightweight Armour) jest określenie właściwości energochłonnych, metalicznych struktur komórkowych o właściwościach auksetycznych wytwarzanych za pomocą technik przyrostowych. W ramach projektu zostaną opracowane różne warianty topologii regularnych struktur komórkowych, które zostaną wykonane za pomocą technik wytwarzania przyrostowego, a następnie poddane ocenie efektywności w zakresie energochłonności w wyniku badań eksperymentalnych i numerycznych. Efektem realizacji projektu będzie rozwiązanie o charakterze materiałowym w postaci materiału komórkowego o regularnej strukturze, wykonane ze stopów metali lekkich o wysokiej zdolności do deformacji (energochłonności) w wyniku obciążenia mechanicznego spowodowanego uderzeniem pocisku lub efektem działania ciśnienia fali detonacyjnej i produktów detonacji. Opracowane rozwiązanie materiałowe dedykowane będzie do zastosowania jako element składowy wielowarstwowego modułowego systemu ochrony balistycznej.

2. KRÓTKI OPIS

Wymagania współczesnego pola walki determinują konieczność poszukiwania nowych rozwiązań konstrukcyjno-technologicznych pozwalających na zwiększenie efektywności dotychczas stosowanych osłon balistycznych wykorzystywanych do ochrony pojazdów wojskowych. Wykorzystywane obecne materiały, bazujące przede wszystkim na stopach metali lekkich, materiałach ceramicznych ograniczają dalsze możliwości optymalizacji konstrukcji osłon balistycznych z uwagi na właściwości mechaniczne stosowanych materiałów oraz koszt związany
z ich produkcją jak również ograniczenia technologiczne. Ponadto, dalsza redukcja masy osłon balistycznych przy zachowaniu wysokiej efektywności balistycznej wymaga poszukiwania nowych, dotychczas niestosowanych rozwiązań konstrukcyjnych jak i procesów technologicznych. Analizując współczesny postęp w dziedzinie przyrostowych technik wytwarzania (Additive Manufacturing) można zaobserwować rosnące znaczenie technik wykorzystujących w procesie produkcyjnym materiały metaliczne w postaci proszków lub drutu. Zasadniczą ich zaletą jest możliwość produkcji złożonych geometrycznie obiektów, które do niedawna były niemożliwe do wykonania lub wymagały zastosowania złożonych procesów produkcyjnych (Rys.1).

Rys.1 Możliwości technologiczne AM: a) – przykład możliwości optymalizacyjnej, b) – przykładowy model wykonany za pomocą techniki AM

Ponadto, dynamiczny rozwój w dziedzinie Additive Manufacturing spowodował, że od kilku lat można zaobserwować w różnych gałęziach przemysłu rosnące zainteresowanie optymalizacją właściwości mechanicznych projektowanych konstrukcji poprzez zastosowanie materiałów w postaci regularnych struktur komórkowych (Rys.2). Ich zasadniczą zaletą jest możliwość definiowania odpowiedzi mechanicznej materiału poprzez odpowiedni dobór materiału zastosowanego do produkcji struktury oraz topologii komórki elementarnej zastosowanej do opisu jej właściwości geometrycznych.

Rys.2 Przykładowe materiały komórkowe o regularnej strukturze a) wykonane addytywnie za pomocą techniki SLM, b) wykonane addytywnie za pomocą techniki LENS

Biorąc pod uwagę, rosnącą z roku na rok liczbę publikacji naukowych, raportów prezentujących możliwości optymalizacji konstrukcji mechanicznych poprzez zastosowanie materiałów o strukturze komórkowej wytwarzanych technikami przyrostowymi, można stwierdzić, iż ich praktyczne zastosowanie jest kolejnym krokiem milowym we współczesnej rewolucji przemysłowej.
W zależności od rodzaju topologii struktury (2D lub 3D) istnieje możliwość kontrolowania przebiegu procesu deformacji materiału o budowie komórkowej, celem uzyskania jak najwyższego wskaźnika energochłonności struktury. Wymieniona cecha czyni regularne materiały komórkowe szczególnie atrakcyjnymi dla wielu dziedzin przemysłu np: obronny, motoryzacyjny oraz lotniczy. Odnosząc się do zastosowania w przemyśle obronnym mogą one znaleźć zastosowanie w procesie wytwarzania pasywnych systemów ochrony balistycznej, lekkich osłon urządzeń elektronicznych, elementów konstrukcyjnych budynków stanowiących tzw. infrastrukturę krytyczną.