Sicherheit durch Kooperation

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1 Sicherheit durch Kooperation Airbag im Kunststoff-Container - Airbags retten Leben, weil sie sich im Gefahrenfall fast unverzüglich entfalten. Ihre Zuverlässigkeit hängt von der richtigen Materialwahl für die einzelnen Komponenten ebenso ab wie von der Zuverlässigkeit der Elektronik. Schon länger bewähren sich Hytrel thermoplastische Elastomere als Materialien für Abdeckungen mit nahezu idealem Aufreißverhalten. Trockenschlagzähes Zytel Polyamid für die hoch beanspruchten Container eingesetzt, die den gefalteten Airbag und den Gasgenerator aufnehmen. Bild 1 Der Lupo von Volkswagen glänzt durch Wirtschaftlichkeit, Temperament und flottes Design. Die Airbag-Abdeckung im sportlichen Dreispeichenlenkrad ist aus Hytrel, der darunterliegende Airbag-Container aus Zytel von DuPont. (Bild: Volkswagen) In vielem zeigt der kleine Lupo von Volkswagen außergewöhnliche Eigenschaften. Was potentiellen Käufern vordringlich vermittelt wird, sind seine innere Größe, sein Temperament und seine Wirtschaftlichkeit. Die beiden letzten Pluspunkte sind unter anderem ein Ergebnis konsequenter Gewichtseinsparung. Um dabei das zum Entwicklungszeitpunkt erreichbare Optimum zu verwirklichen, muß nicht selten echtes Neuland betreten werden ein Schritt, der in dieser Industrie mit ihrem ausgeprägten Sicherheitsdenken stets einen besonders hohen Aufwand an Entwicklungs- und Testzeit erfordert. Abdeckung und Container aus Kunststoff Eine Neuentwicklung dieser Art ist das leichte und montagefreundliche Airbag- Modul, das im Lupo auf der Fahrerseite eingebaut ist. Seine Hauptkomponenten sind neben dem Luftsack und dem zugehörigen Gasgenerator die sich elegant und sportlich zugleich in das Dreispeichen- Lenkraddesign (Bild 1) einfügende Abdeckung und der damit verbundene, darunterliegende Container. Trotz der hohen mechanischen Belastung, die während des Auslösens des Airbags auf letzteren einwirkt, und der statischen Lasten an den Befestigungspunkten ist er nicht wie bisher üblich aus Stahl, sondern ebenfalls aus Kunststoff (Bild 2). Die Abdeckung mit dem darauf befestigten Firmenemblem ist ein Spritzgußteil, hergestellt aus Hytrel DYM 350, dem in derartigen Anwendungen bewährten thermoplastischen Elastomer auf Polyesterbasis von DuPont. Das trockenschlagzähe Zytel EFE8089, ein neues, glasfaserverstärktes Polyamid 66 von DuPont, gibt dem Airbag- Container die notwendige Steifigkeit, Festigkeit und sehr hohe Schlagfestigkeit über den gesamten relevanten Temperaturbereich zwischen 35 C und +85 C. Engagement bei Innovationen Als Rohstofferzeuger mit traditionell starkem Engage-

2 mit Hilfe der Finite-Elemente- Rechnung. Zu den möglichen Dienstleistungen gehört die Simulation des Bauteilverhaltens unter dynamischer Beanspruchung und des akustischen Verhaltens sowie des Formfüllverhaltens, noch ehe das erste Versuchswerkzeug erstellt ist. Bild 2 Gentner fertigt die Airbag-Abdeckung des Lupo aus Hytrel DYM 350 und zugehörigen Container aus trockenschlagzähem Zytel für den Systemlieferanten Autoliv ment in der Automobilindustrie war DuPont bereits an vielen derart rigorosen Materialwechseln beteiligt. Stets übernahmen dabei leichte, montagefreundliche, hochintegrierte und damit kostengünstige Baugruppen aus technischen Kunststoffen die Aufgaben, die zuvor einer deutlich größeren Zahl von Metallteilen zukamen. Zu den Innovationen aus der jüngsten Vergangenheit gehören die Grundplatten aus glasfaserverstärktem Zytel, an der alle Pedale der Mercedes- Benz-Fahrzeuge der A- und der S-Klasse aufgehängt sind (Hersteller: WOCO, Bad Soden-Salmünster). Ein anderes Beispiel sind die ebenfalls aus Zytel hergestellten Zylinderkopfabdeckungen der mittleren Lkw-Klasse von DaimlerChrysler, die neben Steifigkeit besonders hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit erfordern (Hersteller: Mann+Hummel, Ludwigsburg). Die erfolgreiche Umsetzung von der Idee in die Serie ist dabei stets das Ergebnis einer intensiven Zusammenarbeit zwischen Automobilhersteller, Systemlieferant und Verarbeiter, die auch den Rohstofferzeuger einbezieht. Als solcher berät DuPont bei der Auswahl der optimalen Materialien aus seinem umfangreichen Portfolio technischer Kunststoffe. Neben Zytel und Hytrel gehören dazu auch die thermoplastischen Polyester Crastin und Rynite sowie das Polyacetal Delrin, häufig in Form kundenspezifischer Formulierungen. Ergänzend verfügt das Unternehmen über umfangreiche Beratungskompetenz in Fragen der Bauteil- und Werkzeugoptimierung, um zu kurzen Entwicklungszeiten beitragen zu können. So erhalten Kunden beispielsweise Support bei der Bauteil- und Fließsimulation Kooperation als bewährtes Erfolgsrezept Diesen Support nutzten auch die Entwickler des Airbag- Moduls für den neuen VW Lupo. Dies waren neben VW und DuPont der Systemlieferant Autoliv und Gentner als Spezialist für die Kunststoffverarbeitung. Der schwedische Systemlieferant Autoliv ist ein weltweit führender Hersteller von Automobil- Innensassenschutzsystemen mit über Mitarbeitern in 60 Tochterfirmen und Jointventures in 28 Ländern. Bei Airbags hält das Unternehmen in Europa einen Marktanteil von rund 45%. Arbeitsschwerpunkt der deutschen Autoliv GmbH in Dachau ist die Entwicklung und Fertigung von Airbag- Modulen. Gentner, Veitsaurach, ist ein mittelständisches Unternehmen mit rund 45 Mitarbeitern und über dreißig-jähriger Erfahrung im Spritzgießen von Thermoplasten, in der Eigenschaft Verfahren Einheit spritzfrisch 50% r.h. Reißfestigkeit ISO 527-1/2 MPa Reißdehnung ISO 527-1/2 % 4,5 8 Zug-E-Modul ISO 527-1/2 MPa Izod Schlagzähigkeit, 23 C gekerbt ISO 180/1A kj/m² Charpy Schlagzähigkeit, 23 C gekerbt ISO 179/1eA kj/m² ungekerbt kj/m² Schmelztemperatur ISO 3146C C 261 Formbeständigkeit in der Wärme ISO 75-1/2 C 245 Tabelle 1. Eigenschaften des trockenschlagzähen Polyamid-Spezialtyps Zytel EFE8089 Die Werte wurden an schwarzen Probekörpern ermittelt. Sie geben die dafür typischen Produkteigenschaften wieder, eignen sich aber nicht als alleinige Basis für Konstruktionsentscheidungen.

3 Bild 3 Gentner übernahm die CAD-Daten der Roh-konstruktion von Autoliv für die anwendungsund fertigungstechnische Bauteiloptimierung und den firmeneigenen Werkzeug-bau. (Quelle: Gentner) kunststoffgerechten Konstruktion von Bauteilen und im Bau von Werkzeugen. Auf 40 Spritzgießmaschinen mit Schließkräften zwischen 20 und 300 Tonnen fertigt das fränkische Unternehmen hauptsächlich Teile und Komplettmodule für Systemlieferanten der Automobilindustrie weltweit. Neben der Sicherheitstechnik hat dabei die Schiebedachtechnik großes Gewicht. Ein kürzlich gegründetes Jointventure in China unterstreicht die internationale Ausrichtung. Nachdem man sich bei Autoliv in Dachau zur Realisierung eines Moduls mit einer Abdekkung und einem Container aus Kunststoff entschlossen hatte, erfolgte dort zunächst die grundlegende Entwicklung beider Komponenten, einschließlich erster Alterungs- und Belastungsprüfungen an Prototypen. Der Systemlieferant übergab die fertige die CAD- Konstruktion an Gentner, wo die Bauteile in ständiger Rücksprache mit Autoliv unter Fertigungsaspekten optimiert und die Werkzeuge konstruiert und gebaut wurden (Bild 3). Dabei lag besonderes Gewicht auf der kunststoffgerechten, fertigungs- und montageoptimierten Gestaltung der Formteile, der Umsetzung der genarbten Sichtoberfläche und der Wirtschaftlichkeit der in Heißkanaltechnik ausgeführten Werkzeuge mit spezieller Splitline -Technik, Zahl der beweglichen Teile, Produktionsabfall und Zykluszeiten. Die optimierten Daten beider Bauteile gab Gentner zwischenzeitlich an DuPont weiter. Dort wurde mit Hilfe der rheologischen Kennwerte der ausgewählten Kunststoffe die Fließsimulationsrechnung (Moldflow) für die weitere Werkzeugoptimierung durchgeführt, ehe die Daten letzt- Bild 4 Airbag-Container aus trockenschlagzähem Zytel verwendet Autoliv auch für die Airbag-Module der Ford-Modelle Ka (oben) und Mondeo (unten). (Quelle: Autoliv)

4 endlich im Werkzeugbau von Gentner für die Herstellung der Formen benutzt wurden. Beide Bauteile werden derzeit in herkömmlichen Einkavitäten- Schieberwerkzeugen gespritzt. Die nächsten Entwicklungsschritte, die Verwendung der patentierten Gaskühltechnik für die Herstellung der Abdeckung und der Einsatz von Zweikavitätenwerkzeugen für den Container sind derzeit bei Gentner in der Erprobung. Beide Maßnahmen haben kürzere Produktionszeiten zum Ziel, die Gaskühltechnik erleichtert außerdem die Erzielung einer optimalen Oberflächenqualität. Nach dem externen Lackieren der Abdeckung wird das zugelieferte Metallemblem montiert ( vertaumelt ). Die in den Container integrierten elektrischen Leiterbahnen für die Betätigung der Hupe werden auf speziell für diesen Zweck vorgesehene Stifte positioniert. Diese werden dann mit Hilfe eines Nietstempels niedergedrückt, so dass sich eine sichere, unlösbare Verbindung ergibt. Ein als Aufsteckteil gestalteter, zweiter Kontakt dient der Erdung des Gasgenerators als Sicherung gegen statische Aufladung. Spezielle Isoliermaßnahmen entfallen aufgrund der nichtleitenden Eigenschaften von Zytel. So vervollständigt liefert Gentner die Teile an die Dachauer Niederlassung von Autoliv. Dort erfolgt der Zusammenbau mit Gasgenerator und Luftsack, die elektrische Endprüfung und die serienbegleitenden Abnahmeversuche. Bei Autoliv kommt die Kombination aus Kunststoffabdeckung und Kunststoffcontainer inzwischen auch für andere Modelle zum Einsatz. Beispiele für solche Anwendungen sind die Module für den Ford Ka, den Mondeo und den Focus (Bild 4). In der kleinen Klasse gehören Volkswagen und Ford zu den Vorreitern dieser zukunftsweisenden Technologie. Eigenschaft ASTM Test Einheit DYM-Typ 100BK 160BK 350BK 500BK 600BK 830BK Härte D Schmelzindex D g/10 mi n Schmelztemperatur D C Reißfestigkeit D638 MPa Reißdehnung % Biege-E-Modul (22 C) D790 MPa Izod 23 C D256 J/m k. B. k. B. k. B. k. B. k. B. k. B. Schlagzähigkeit, 23 C, gekerbt 40 k. B. k. B. k. B. k. B. k. B. 160 C 60 C k. B. k. B Tabelle 2 Hytrel elastische thermoplastische Polyester Eigenschaften von Standardtypen (vgl. Anmerkung Tabelle 1.) Trockenschlagzähes Polyamid Der Einsatz des leicht zu verarbeitenden Zytel für den Container ermöglichte die Konstruktion eines hochintegrierten Bauteils mit geringem Gewicht. Besonders vorteilhaft ist die durch die hohe Bruchdehnung dieses glasfaserverstärkten Zytel gegebene Möglichkeit der Clipmontage beim Verbinden von Container und Abdeckung. Dabei bleibt durch die Wahl dieses Kunststoffs mit seiner äußerst geringen Neigung zum Kriechen die für diese Art der Verbindung notwendige Vorspannung erhalten unabhängig von den in der Praxis zu erwartenden Umgebungsbedingungen. So ist der spielfreie und feste Sitz der Abdeckung sowie auch der zuverlässiger Zusammenhalt beider Komponenten über die gesamte Lebensdauer und auch im Falle eines Crashs gesichert. Die gleiche Dimensionsbeständigkeit unter Last ist auch für den dauerhaft festen Sitz der Verschraubung des Airbag-Generators auf dem inneren Ring des Containers erforderlich und gegeben. Wenn der Airbag auslöst und sich dann innerhalb von ca. drei Hundertstelsekunden aufbläst, wirken hohe Impact-Belastungen auf diesen Container. Der dabei freigesetzte Rückstoß beaufschlagt ihn mit einer Kraftspitze von rund 3000 N. Diese Art der Beanspruchung erfordert den Einsatz eines Kunststoffs, der ausreichend steif und gleichzeitig schlagzäh ist. Beide Eigenschaften muß er unabhängig von den klimatischen Verhältnissen mitbringen. Mit dem Polyamid-66-Typ Zytel EFE8089 verfügt DuPont jetzt über ein speziell auf den Einsatz in Airbag-Containern abgestimmtes, steifes und dabei trocken- und Tieftemperaturschlagzähes, thermisch besonders beständiges PA 66 mit 33 Gew.-% Glasfasern. Die Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften dieses Spezialtyps in der Übersicht. Für besonders hohe Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit und die Steifigkeit stehen HTN - Typen (High Temperature Nylon) zu Verfügung. Steifer und zäher elastischer thermoplastischer Polyester Für die als Einkomponententeil ausgelegten Abdeckungen

5 Bild 5. Mitte: Zukunftsweisend sind die Kopfschutzairbags, bei denen der Gasgenerator die in Kartuschen aus hochfestem Zytel auf seinen Einsatz wartet. Oben: Airbag- Abdeckung aus Hytrel mit montiertem Luftsack, Gasgenerator und herkömmlicher Stahl- Grundplatte. Unten: Weitere Ausführungsformen von Containern aus Zytel, hier mit umspritzten Messing- Gewindebüchsen. kommt der für Anwendungen dieser Art entwickelte thermoplastische Polyester Hytrel DYM 350 zum Einsatz. Dieser Typ vereint alle Eigenschaften, um zur weitgehenden Unversehrtheit der Insassen bei einem Crash beizutragen unabhängig von der Umgebungstemperatur: Das Material reißt bei 35 C ebenso wie bei hohen Temperaturen bereits bei geringen Kräften glatt entlang der dafür vorgesehenen Naht auf, ohne daß dabei scharfe Kanten entstehen. Beim Aufreißen der Naht und dem anschließenden Aufklappen der Abdeckung lösen sich auch bei extrem hohen Verformungsgeschwindigkeiten keine Bruchstücke ab, die den Insassen gefährden könnten. Das Filmscharnier, dass das Aufklappen der Abdeckung ermöglicht, ist auch bei tiefen Temperaturen flexibel und gleichzeitig auch bei hohen Umgebungstemperaturen zugfest genug, um trotz der großen wirkenden Kräfte nicht abzureißen und keinen Balloneffekt zuzulassen. Anders als bei der Mehrzahl der sonst üblichen Ausführungen haben die Entwickler der beteiligten Unternehmen eine besonders ästhetische Lösung gefunden: Die Abdeckung reißt nicht, wie sonst üblich, entlang quer über die Lenkradnabe verlaufender, gerader Linien auf, die durch zusätzliche Designmaßnahmen kaschiert werden müssen. Die Sollbruchlinie in der Abdeckung des Lupo läuft rund um die Lenkradmitte, so dass sie quasi unsichtbar ist. Als Nachteil geht damit eine vergleichsweise große Masse der aufplatzenden Klappe einher. Das in diese Kappe integrierte VW-Logo aus Metall vergrößert die Masse noch zusätzlich. Die Kombination aus Zähigkeit und Festigkeit, die Hytrel DYM 350 unter allen Klimabedingungen bietet, verhindert, dass die hohe Masseträgheit zu einem unkontrollierten Durch- oder Abreißen der Abdeckkappe führt. So bleibt das Emblem trotz der hohen Beschleunigung sicher an seinem Platz. Die speziell auf diese Anwendung abgestimmte Kombination aus Elastizität, Festigkeit und Steifigkeit des Typs DYM 350 ist auch erforderlich, um die Airbagabdeckung per Schnappverbindung sicher mit dem Container zu verbinden. Gleichzeitig ist die Kappe damit steif genug, um als Wippe für die Hupenbetätigung zu fungieren, und dies bei außergewöhnlich engen Spaltmaßen. Zum guten Gesamteindruck der Abdeckung tragen auch die gute Lackierfähigkeit und die hohe Abformgenauigkeit bei, die Hytrel bietet. Die stark genoppte Oberflächenstruktur kommt ebenso gut zur Geltung wie die erhaben integrierten Hinweissymbole für die Hupe und den Airbag. Neben dem Typ DYM 350 sind eine Reihe weiterer Typen von Hytrel mit spezifischen, je nach Anwendung vorteilhaften Eigenschaftskombinationen verfügbar. Dazu gehören neben den Standardprodukten DYM 100, 160, 350, 500 und 830 weitere Rezepturen mit kundenspezifischen Merkmalen. Tabelle 2 gibt eine Übersicht über die Charakteristika der genannten Werkstoffe. Sicherheit nicht nur im Lenkrad Sowohl die steifen und festen Typen von Zytel als auch die unterschiedlichen Typen von Hytrel tragen nicht nur in der hier vorgestellten Kombination aus Abdeckung und Container zur Sicherheit der Fahrzeuginsassen bei. Alternative Konstruktionen für das Lenkrad setzen auf Abdeckungen, die in Zweikomponenten- Spritzgußtechnik hergestellt

6 werden. Dabei stabilisiert ein Grundrahmen aus elastischem, aber besonders steifen Hytrel die Abdeckung für die Montage und beispielsweise die Hupenbetätigung. Diese Basis wird in einem Arbeitsgang mit einer anderen, weicheren Type des gleichen thermoplastischen Elastomers auf Polyesterbasis umspritzt, die auf ideales Verhalten beim Öffnen und gleichzeitig hervorragende optische und haptische Oberflächeneigenschaften optimiert ist (zum Beispiel Hytrel 4044). Typische Module mit dieser Technik werden unter anderem von DaimlerChrysler, BMW, GM und Audi eingesetzt. Beifahrer-Airbags gehören heute meist zur Standardausstattung. Auch für deren großflächige Abdeckungen kommt häufig Hytrel zum Einsatz, wobei aufgrund der erforderlichen Eigensteifigkeit der Bauteile meist die Typ DYM 350 oder 500 gewählt werden. Neu und zukunftsweisend sind die Kopfschutz- Airbags (Bild 5), die einem elastischen Vorhang gleich den Kopf des Insassen beim Seiten-Aufprall schützen. Um das beim Ausösen mit hoher Temperatur (über 500 C) aus dem Gasgenerator ausströmende Gas in die Airbags einzuleiten, werden Zylinder aus dem hochfestem Zytel 70G43 HSL benutzt. Als wärmestabilisiertes PA66 ist es mit seiner hohen Kristallinität und seinem hohen Schmelzpunkt in dieser Anwendung entsprechenden PA-6-Typen überlegen. Gleichzeitig dienen diese Zylinder auch zur Befestigung des Systems an der Karosserie. Ulrich Störchle ist Program Manager VW Account bei Autoliv, Dachau. Klaus Kellner ist Geschäftsführer bei Gentner, Veitsaurach. Nicole Peschke ist Gebietsberaterin Technische Kunststoffe bei Du Pont de Nemours, Bad Homburg. Alfred Stern ist bei Du Pont de Nemours, Bad Homburg, als Senior Market Development Representative beschäftigt.