Motivation und Problemstellung
Militärische Schutzausrüstung wie Helme, Schuhwerk oder Schutzwesten wird üblicherweise in standardisierten Größen und unter festen Randbedingungen entwickelt, um Zertifizierbarkeit, Interoperabilität und Robustheit sicherzustellen. Dieser Ansatz erleichtert die Systemintegration, berücksichtigt jedoch nutzerspezifische Unterschiede in Geometrie und Physiologie nur unzureichend. Dies kann zu vermindertem Tragekomfort, ungünstiger Lastverteilung sowie variierender Schutzwirkung führen. Die additive Fertigung (AM) ermöglicht die Integration dieser Variabilität durch geometriebasierte Anpassung direkt im Entwurfsprozess. Durch werkzeuglose Fertigung und die direkte Umsetzung digitaler Modelle bietet AM eine flexible Grundlage für individualisierte Lösungen. Der Demonstrator adressiert die Entwicklung individualisierter Schutz-Subsysteme unter Berücksichtigung bestehender Systemarchitekturen und Zertifizierungsanforderungen.
Demonstrator im Überblick
Der Demonstrator fokussiert die Entwicklung einer individualisierten Helmeinlage als repräsentatives Subsystem. Die Auswahl basiert auf der Erkenntnis, dass Passform und Komfort zentrale Einschränkungen bestehender Helmsysteme darstellen und die Schutzleistung direkt beeinflussen. Anthropometrische Daten werden in einen parametrischen Entwurfsprozess integriert, wodurch die Geometrie an individuelle Nutzer angepasst werden kann, ohne die Systemgrenzen der Helmschale zu verändern. Die additive Fertigung ermöglicht die direkte Umsetzung dieser Geometrien. Als Entwurfsstrategie werden Gitterstrukturen eingesetzt, um Leichtbaupotenziale und ein kontrolliertes Energieabsorptionsverhalten und weitere Funktionen zu realisieren. Das Design und die Auslegung der energieabsorbierenden Struktur basieren dabei auf einem wissensbasierten Designprozess. Der Demonstrator bildet die gesamte AM-Prozesskette von der Nutzererfassung bis zum validierten Bauteil ab. Anwendungsspezifisch ausgelegte Gitterstrukturen ermöglichen zudem die anforderungsgerechte Auslegung des mechanischen Verhaltens, sowie die Integration von Zusatzfunktionen.
Methodik und Umsetzung
Die Entwicklung erfolgt anhand eines strukturierten, anforderungsgetriebenen und iterativen Ansatzes unter verteidigungsspezifischen Randbedingungen. Systemgrenzen werden aus Zertifizierungsanforderungen, bestehenden Schnittstellen und fertigungstechnischen Einschränkungen abgeleitet. Zur Identifikation relevanter Nutzeranforderungen wurde eine explorative Analyse mit Offizieranwärtern durchgeführt. Dabei wurden insbesondere Passform und Gewicht als zentrale Problemfelder identifiziert und in eine priorisierte Anforderungsliste überführt. Basierend darauf wurde eine gitterbasierte additive Entwurfsstrategie gewählt. Die Entwicklung erfolgt in aufeinander aufbauenden Iterationen: digitale Geometrieerstellung, additive Fertigung und funktionale Validierung. Jede Iteration adressiert spezifische Fragestellungen und reduziert systematisch Unsicherheiten.
Ergebnisse und Erkenntnisse
Der Demonstrator zeigt, dass individualisierte Geometrien in bestehende zertifizierte Systeme integriert werden können, ohne strukturelle Komponenten zu verändern. Jede Iteration reduziert Unsicherheiten hinsichtlich Geometrie, Fertigbarkeit und funktionalem Verhalten. Die Gitterstruktur zeigt unter dynamischer Belastung ein stabiles Plateauverhalten, also eine kontrollierte Energieabsorption durch progressive Verformung. Zudem sorgt eine weitere Gitterstruktur anderer Geometrie für einen erhöhten Komfort. Die Ergebnisse bestätigen, dass Individualisierung unter randbedingungsgetriebenen Anforderungen durch eine strukturierte, validierungsbasierte Entwicklung realisierbar ist.
Technologische Einordnung
Der Demonstrator stellt eine subsystemorientierte Anwendung der additiven Fertigung innerhalb eines bestehenden Verteidigungssystems dar. Zum Einsatz kommen pulverbasierte Polymerverfahren, die komplexe Geometrien und gitterbasierte Strukturen ermöglichen. Zentrale Funktionalitäten wie geometrische Anpassung, Fertigbarkeit und mechanisches Verhalten wurden validiert. Die Individualisierung erfolgt ohne Eingriff in zertifizierte Strukturkomponenten. Einschränkungen bestehen in der noch ausstehenden ergonomischen Validierung sowie in der Verifikation unter realitätsnahen Prüfbedingungen.
Anwendungsfälle und Transferpotenzial
Der Ansatz ermöglicht neue Anwendungsszenarien für individualisierte Schutz-Subsysteme in militärischen Kontexten. Durch die Kombination aus parametrischem Entwurf und additiver Fertigung wird eine dezentrale und bedarfsorientierte Herstellung nutzerspezifischer Komponenten ermöglicht. Dies eröffnet Potenziale für Anpassung und Ersatz von Ausrüstung in einsatznahen Szenarien. Der Ansatz ist auf weitere Subsysteme übertragbar, insbesondere dort, wo die Interaktion zwischen Nutzer und Ausrüstung entscheidend ist. Das Transferpotenzial liegt primär in der zugrunde liegenden Entwicklungslogik zur skalierbaren Individualisierung.
Weiterführende Informationen
Der Demonstrator ist Teil laufender Forschungsarbeiten zur individualisierten additiven Fertigung in militärischen Kontexten. Die Entwicklung befindet sich aktuell in der fünften Iteration mit drei realisierten Prototypen. Der aktuelle Fokus liegt auf der ergonomischen Bewertung sowie auf weiterführenden Validierungen zur Einhaltung relevanter Normen. Ziel ist der Übergang von der komponentenbasierten Validierung zur Verifikation auf Subsystemebene.
Publikationen:
- Biswas & Cronau et. al (2026), A structured process for iterative DfAM: Application to military individualisation, Proceedings of the Design 2026 (in press)
- Biswas & Cronau et. al. (2026), An iterative approach to individualized additive manufacturing for defence applications, RTE Journal (to be sent to press)
- Cronau J, Engstler F (2024) Simulation of lattice structures with johnson–cook material and damage model. In: Altenbach H, Hitzler L, Johlitz M, et al (eds) Lectures notes on advanced structured materials 2. Springer Nature Switzerland, Cham, pp 253–273
- Cronau J, Engstler F (2025) Energy absorption of 3D printed stochastic lattice structures under impact loading – design parameters, manufacturing, and testing. Prog Addit Manuf 10:3145–3156. https://doi.org/10.1007/s40964-025-01094-5
Ansprechpartner:
- Julius Cronau (julius.cronau@unibw.de)
- Siddhartha Biswas (siddhartha.biswas@unibw.de)