Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz

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1 Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz Diestel, O. 1) ; Schade, M. 1) ; Cherif, Ch. 1) ; Roye, A. 2) ; Janetzko, S. 2) ; Gries, T. 2) 1) Inst. f. Textil- und Bekleidungstechnik der TU Dresden (ITB) 2) Inst. f. Textiltechnik der RWTH Aachen (ITA) Ergebnisse des Forschungsvorhabens AiF-Nr BG der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V (FS1: ITB, FS2: ITA) Probleme: Ca. 85 Fußgänger und Fahrradfahrer sterben auf EU-Straßen pro Jahr Verletzungsschwerpunkte: Knie, Hüfte, Kopf Problembereiche für Kopfaufprall: Geringe Deformationswege zu Haubeninnenschale/Motorraumeinbauten Steife Bereiche (A-Säule, Haubenfuge, Scharniere, Schloss...) Ziel: Entwicklung kombinierter Verstärkungsstrukturen für einen verbesserten passiven Fußgängerschutz an Pkw (15 bis 45 km/h) durch eine möglichst weiche Kollision für im Pressverfahren hergestellte FVW-Motorhauben Anforderungen an die Motorhaube: Fußgängerschutz Bauteilfunktion (Verarbeitung, Betrieb, Crash) Oberflächenanforderungen an Karosseriebauteile Aufprallsimulation mit Dummy (Quelle: ADACmotorwelt) Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 2

2 Idee: Einsatz energieabsorbierender Textilien Nicht, teilweise oder vollständig konsolidiert Lokale Integration in Haubenschale an kritischen Stellen ohne Einschränkung für aktive Fußgängerschutzmaßnahmen bzw. den Insassenschutz Lösungsweg: Non-crimp- Abstandsgewirk UD-verstärktes GF-Abstandsgestrick Ermittlung des Anforderungsprofils 2 mm Konzipierung von Aufbauvarianten ITA ITB Entwicklung, Fertigung und Untersuchung ausgewählter Textilstrukturen Untersuchung von FVK-Aufbauvarianten für die Oberschale (Zug, Biegung, Schlag, Crash) Erstellung von zweischaligen FVK-Demonstratormotorhauben Durchführung von Kopfaufpralltests (Kind) gemäß Richtlinie 23/12/EG Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 3 Wechselwirkung ausgewählter Bauteilanforderungen an die Motorhaube Anforderung Globale Steifigkeit Lokale Steifigkeit Dynamische Steifigkeit Falten beim Crash Fußgängerschutz Leichtbau Kosten Globale Steifigkeit Lokale Steifigkeit Dynamische Steifigkeit Falten beim Crash Fußgängerschutz Leichtbau Kosten - unterstützende Wirkung, - neutral bzw. geringer Einfluss, - Zielkonflikt Quelle: Bachem, H. Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 4

3 Prüfbedingungen und Grenzwerte der EU-Richtlinie 23/12/EG zum Fußgängerschutz Quelle: Wallentowitz, H.; Bovenkerk, J. Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 5 Entwicklung und Herstellung bzw. Auswahl textiler Aufpralldämpfungsstrukturen Abstandsgewirke (AGW; Dicke LD: 4,9-7,5 mm bzw. Dicke HD: 19,2-22,6 mm; z. T. kett- und/oder schussverstärkt: ITA, ITB, Industrie) Abstandsgestricke (AGS; Dicke LD: 7,4 mm bzw. Dicke HD: 16,3-27, mm: ITB, Industrie; z. T. mit zusätzlichen Schmelzfäden in der Abstandsschicht) Mehrlagengestricke (Dicke: 1,5-4,6 mm; 2, 5 bzw. 9 Verstärkungslagen: ITB) Vliesstoffe (Thermoplastfaseranteil, Dicke: 25, mm bzw. verfestigt 1, mm: ITA) AGW-HD2, beidseitig laminiert Dicke: 22,6 mm AGW-LDV4 Dicke: 6,4 mm AGS-HD3 Dicke: 25,7 mm AGS-HD3, thermisch behandelt Dicke: 16,3 mm AGS-LD1 Dicke: 7,4 mm Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 6

4 Untersuchungen zur Konsolidierung textiler Halbzeuge für die Motorhaubenoberschale (ITB) Ergebnisse der Schlagprüfung an ausgewählten Thermoplastverbunden (vollständig bzw. teilweise konsolidiert) maximale Aufschlagkraftin kn 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2 max. Aufschlagkraft in kn Durchbiegung bei Fmax in mm SMC TW-MLG HY-MLG TW-Gelege-D TW-Gelege-Z TW-Gewebe MLG-HG+GF-D MLG-HG+GF-Z Durchbiegung bei Fmax in mm Scharpy-Schlagzähigkeit in kj/m 2 Schlagenergie in J , Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 7 Untersuchung des Potenzials einzelner textiler Strukturen quasistatische Kompressionsversuche (ITA) Kraftmessdose Druckstempel Zug/Druck-Prüfmaschine Zwick/Roell 2.5 Probendurchmesser: 198 mm Druckstempeldurchmesser (Zylinder): 5 mm Prüfgeschwindigkeit: 1 mm/min Energie-Verformungsweg-Verläufe für die aussichtsreichsten einzeln und mehrfach geschichtet geprüften LD-Strukturen sowie für die aussichtsreichsten HD-Strukturen; Dicken: AGS-LD1: 7,4 mm; AGW-LDV4: 6,4 mm; AGS-HD3-tb: 16,3 mm; AGW-HD-2-lam: 22,6 mm Energie [knmm] AGS-LD1 2 x AGS-LD1 4 x AGS-LD1 AGW-LDV4 2 x AGW-LDV4 4 x AGW-LDV4 AGS-HD3-tb AGW-HD-2-lam Verformungsweg [mm] Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 8

5 Untersuchung des Potenzials textilbasierter Aufbauvarianten instrumentierte Fallturmversuche (Versuchsdurchführung am Inst. f. Kraftfahrwesen der RWTH Aachen, IKA) Impactor, Gewicht 64 g Durchmesser 1 mm Werkstoff Motorhaubenoberschale (Platte) Prüfgestell für quadratische Prüfplatten, Motorblockersatzsystem und Impaktor Textile Aufpralldämpfungsstrukturen Thermoplastische FVK-Decklage Ausgangszustand Beginnende Deformation der Aufpralldämpfungstextilien Maximale Deformation der Aufpralldämpfungstextilien Beanspruchungsablauf (Variante Aufpralldämpfungssystem unten, mit Motorblockersatzsystem) Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 9 Untersuchung des Potenzials textilbasierter Aufbauvarianten Ergebnisse der Fallturmversuche 6 9 HIC [-] HIC Bleibende Energieaufnahme Bleibende Energieaufnahme [%] SMC / ohne SMC/ AGW-HD2-lam SMC/ Sch 25 4L-TW-GEL/ ohne 4L-TW-GEL/ AGW-HD2-lam 4L-TW-GEL/ 4 x AGS-LD1 4L-TW-GEL/ 2 x AGS-LD1 4L-TW-MLG/ ohne 4L-TW-MLG/ 4 x AGS-LD1 Stahlblech 1 mm/ ohne Stahlblech 1 mm/ 4 x AGS-LD1 Variante Aufpralldämpfungssystem unterhalb, mit Motorblockersatzsystem (Abstand Oberschale zu Motorblockersatzsystem 3 mm für SMC, 45,5 mm für 4L-TW-GEL und -MLG sowie Stahl) Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 1

6 Konzipierung und Herstellung von FVK-Demonstratormotorhauben Einsatz von GF-Fasermatten und UP-Harz (SMC-ähnlich, Handlaminierverfahren z. T. mit Vakuumunterstützung) sowie Konstruktionsklebstoff Silkaflex schaliges System aus dünnwandiger Oberschale und verrippter Unterschale Übernahme der umlaufenden Verrippung und der Anbindungspunkte für Scharniere und Haubenschloss von der Stahl-Originalmotorhaube Verzicht auf die verkreuzte Innenaussteifung der Unterschale Realisierung der GFK-Negativformen durch Abformen der Stahlbauteile Stahl-Originalmotorhaube, FVK-Innenschale bei der Anpassung von Scharnierbefestigung und Fangdrahtposition, durch Kleben von Ober- und Unterschale gefügte Demonstratorhaube Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 11 Grundkonzept des entwickelten textilbasierten Aufpralldämpfungssystems zur Reduzierung des HIC und praktische Umsetzung Unfallopfer Motorhaube Textile Aufpralldämpfungsschicht Thermoplastische FVK-Decklage Keine Einschränkung für Fußgängerschutzmaßnahmen zur Unfallvermeidung durch aktive Schutzsysteme sowie für den Insassenschutz Quellen: IKA, ITB, ITA Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 12

7 Auswahl kritischer Auftreffpunkte an einem VW Golf III für die Kopfaufpralltests (Kopf Kind, 4 km/h, 2,5 kg) Stoßkolbenversuchsstand des IKA Quellen: IKA, ITB, ITA Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 13 Aufpralldämpfungssystem und Ablauf der Kopfaufpralltests (Versuchsdurchführung am Inst. f. Kraftfahrwesen der RWTH Aachen) 1 x MLG-verstärkter Thermoplastverbund 4 x LD Abstandsgestrick AGS-LD1 Quellen: IKA, ITB, ITA Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 14

8 Ergebnisse der Kopfaufprallversuche gemäß Richtlinie 23/12/EG an Stahl- und FVK-Motorhauben ohne und mit Aufpralldämpfungssystemen Grenzwert für Kinderkopfaufprall ab 21 Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 15 Zusammenfassung und Ausblick Ableitung der Notwendigkeit zur Verbesserung des passiven Fußgängerschutzes an Pkw besonders beim Kopfaufprall auf die Motorhaube aus der Analyse der Ausgangssituation (u. a. Unfallablauf und -folgen, aktuelle Richtlinien und Prüfprozedere sowie gängige Technologien zur Reduktion der Verletzungsrisiken) Entwicklung, Fertigung und Auswahl innovativer Verstärkungstextilien für FVW-Verbundmotorhauben und 3D-Abstandstextilien für den Einsatz als Aufpralldämpfungsschicht auf der Basis umfangreicher Prüfungen Entwicklung und Umsetzung eines Konzepts für ein textilbasiertes Aufpralldämpfungssystem für die Nachrüstung aktueller und künftiger Serienfahrzeuge Experimenteller Nachweis der Eignung des Aufpralldämpfungssystems und damit des Potenzials innovativer Verstärkungs- und 3D-Textilien für den passiven Fußgängerschutz im Rahmen von Kopfaufpralltests an konventionellen Stahl- und im Projekt erstellten FVK-Demonstratormotorhauben Beantragung eines AiF-Projekts im Rahmen des ZUTECH-Programms gemeinsam durch ITB und ITA gemeinsam mit dem IKA der RWTH Aachen und interessierten Industrieunternehmen. Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 16

9 Danksagung Das Forschungsvorhaben AiF-Nr BG der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. wurde im Programm zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto-von-Guericke (AiF) finanziert. Darüber hinaus danken wir der Kobleder Strickmode GmbH & Co., der IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH und dem Institut für Kraftfahrtwesen der RWTH Aachen für die fachliche Unterstützung und die Bereitstellung von Versuchsmaterial sowie allen weiteren Partnern, die uns in der Forschungsarbeit zu diesem Themenkreis unterstützten. Der Schlussbericht und weiterführende Informationen sind am Institut für Textil- und Bekleidungstechnik der TU Dresden sowie am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen erhältlich. Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 17 Kontakt TU Dresden Institut für Textil- und Bekleidungstechnik 162 Dresden Tel: Ansprechpartner: Dr.-Ing. O. Diestel Tel: RWTH Aachen Institut für Textiltechnik 5262 Aachen Eilfschornsteinstraße 18 Tel: Ansprechpartner: Dipl.-Ing. S. Janetzko Tel: steffen.janetzko@ita.rwth-aachen.de Kombinierte Verstärkungstextilien für den Automobil-Personenschutz (AiF-Nr BG) Folie 18