Hamburg/Lübeck. Explosionen, Splitter und extreme Belastungen stellen höchste Anforderungen an moderne Schutzsysteme. Gleichzeitig wächst der Druck, diese Systeme leichter, flexibler und materialeffizienter zu gestalten. Wie sich dieser scheinbare Widerspruch auflösen lässt, untersucht die Professur für Schutzsysteme unter der Leitung von Prof. Dr.–Ing. Dr. rer. nat. Anne Jung an der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg (HSU/UniBw H) gemeinsam mit dem Industriepartner Nikon SLM Solutions.
Im Zentrum der Zusammenarbeit steht die Frage, wie sich durch additive Fertigung völlig neue Schutzkonzepte realisieren lassen, die mit konventionellen Verfahren nicht umsetzbar wären. Dabei werden Bauteile nicht wie üblich aus einem festen Materialblock herausgearbeitet, sondern Schicht für Schicht aufgebaut. So lassen sich auch sehr komplexe Strukturen herstellen, die gezielt für bestimmte Belastungsszenarien ausgelegt werden können.
„Unsere zentrale Forschungsfrage lautet: Wie müssen Strukturgeometrie, Topologie und Fertigungsparameter gestaltet werden, um bei möglichst geringem Gewicht eine hohe Schutzwirkung zu erzielen?“, erklärt Prof. Dr.–Ing. Anne Jung.
Ausgangspunkt sind sogenannte TPMS‑Strukturen (Triply Periodic Minimal Surfaces). Dahinter verbergen sich komplex aufgebaute, sich regelmäßig wiederholende geometrische Formen, die ein Bauteil durchziehen und ihm besondere mechanische Eigenschaften verleihen.
Struktur statt Material: Ein neuer Ansatz für Schutzsysteme
Ein zentraler Ansatz der Forschung besteht darin, den Fokus von der Materialwahl auf das Design der Struktur zu verlagern. Während klassische Schutzsysteme ihre Leistungsfähigkeit vor allem aus besonders widerstandsfähigen Werkstoffen beziehen, entsteht die Schutzwirkung hier maßgeblich durch die geometrische Architektur des Bauteils.
Die speziell gestalteten Strukturen können Energie gezielt aufnehmen, verteilen und abbauen, ohne dass dafür zwangsläufig mehr Material eingesetzt werden muss. So lassen sich Schutzsysteme entwickeln, die gleichzeitig leichter und leistungsfähiger sind.
Die Schutzwirkung entsteht damit nicht allein durch das Material, sondern wird maßgeblich durch die Struktur bestimmt.
Additive Fertigung eröffnet neue Freiheitsgrade in der Herstellung
Möglich wird dieser Ansatz durch die additive Fertigung. Sie erlaubt die Herstellung hochkomplexer Geometrien, die sich mit konventionellen Verfahren nur schwer oder gar nicht umsetzen lassen.
Für die Forschung eröffnet dies neue Möglichkeiten: Strukturen können gezielt an unterschiedliche Belastungsszenarien angepasst und bereits im Entwurf so gestaltet werden, dass sie ihre Funktion möglichst effizient erfüllen. Gleichzeitig lassen sich neue Ideen schnell als Prototyp umsetzen und in Versuchen überprüfen.
„Die additive Fertigung erlaubt es uns, Schutzsysteme gezielt auf bestimmte Bedrohungen auszulegen und gleichzeitig ihre Eigenschaften auf der Strukturebene zu optimieren“, sagt Prof. Dr.–Ing. Anne Jung.
Gerade in Bereichen wie Fahrzeugschutz, persönlicher Schutzausrüstung oder beim Schutz kritischer Infrastrukturen spielt dieser Ansatz eine wichtige Rolle.
Erkenntnisse aus der experimentellen Forschung
Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass TPMS‑Strukturen gut geeignet sind, Schutzsysteme leichter und gleichzeitig leistungsfähig zu machen. Besonders deutlich wird das bei Belastungen durch Explosionen: Die Strukturen können die dabei entstehende Energie sowie umherfliegende Splitter gezielt aufnehmen und abschwächen.
Im Vergleich zu klassischen, massiven Metalllösungen lässt sich so eine vergleichbare Schutzwirkung mit deutlich geringerem Materialeinsatz erreichen. Entscheidend ist dabei vor allem die Gestaltung der inneren Struktur:
„Die Schutzwirkung hängt nicht allein vom eingesetzten Material ab, sondern wird maßgeblich durch die Geometrie bestimmt. Gleichzeitig lässt sich die eingeleitete Energie durch die Struktur gezielt verteilen, sodass Belastungen nicht punktuell auftreten, sondern über das gesamte Bauteil hinweg wirken. “, so Prof. Dr.–Ing. Anne Jung.
Herausforderungen der additiven Fertigung
Trotz der vielversprechenden Ergebnisse steht die additive Fertigung noch vor einigen Herausforderungen. Die Herstellung größerer Bauteile ist häufig aufwendiger als bei etablierten Verfahren. Zudem müssen die mechanischen Eigenschaften additiv gefertigter Komponenten umfassend untersucht werden.
Das liegt unter anderem daran, dass Bauteile schichtweise aufgebaut werden und sich ihr Verhalten dadurch von klassisch gefertigten Werkstoffen unterscheiden kann. Auch die gleichbleibende Qualität bei der Herstellung komplexer Strukturen ist ein zentrales Thema der aktuellen Forschung.
Gerade im Schutzbereich kommen zusätzlich hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit und Sicherheit hinzu, die umfangreiche Prüfungen erfordern.
Bedeutung für zukünftige Schutzsysteme
Die Bedeutung der Forschung reicht über den konkreten Anwendungsfall hinaus.
Ziel ist es, leichtere, effizientere und ressourcenschonendere Schutzsysteme zu entwickeln, die sowohl im Sicherheits- und Verteidigungsbereich als auch im zivilen Umfeld eingesetzt werden können.
Dazu zählen etwa Anwendungen im Fahrzeugschutz, beim Schutz kritischer Infrastrukturen, in Gebäuden oder für Einsatzkräfte. Gleichzeitig helfen die Forschungsergebnisse dabei, besser zu verstehen, wie Materialien und Strukturen Belastungen aufnehmen und Energie gezielt abbauen können.
Die Forschung an der HSU/UniBw H verbindet damit zentrale Themen wie Sicherheit, Leichtbau und Nachhaltigkeit und trägt dazu bei, zukünftige Schutzsysteme leistungsfähiger und gleichzeitig materialeffizienter zu gestalten.