Eine der Hauptentwicklungsziele der Automobil-, Luft- und Raumfahrtbranche ist die Reduzierung von Gewicht zum Zweck der Einsparung von Antriebsenergie und Emissionen. Über den Austausch von klassischen Glasprodukten wie Fensterscheiben oder Scheinwerferverglasung durch glasartige Kunststoffe, wie zum Beispiel Polymethylmethacrylat (PMMA, Plexiglas) entsteht durch die meist deutlich geringere Dichte ein hohes Gewichtseinsparungspotential.

Im Crashlastfall sind die Komponenten eines Fahr- oder Flugzeuges hohen dynamischen Lasten ausgesetzt.  Ähnlich wie gewöhnliches Mineralglas oder Einscheibensicherheitsglas (ESG), verhält sich konventionelles Plexiglas spröde unter dynamischen Belastungen und kann somit wenig Impaktenergie absorbieren.

Um diesem spröden Verhalten entgegenzuwirken, wurde nach dem Vorbild des Verbundsicherheitsglases ein mehrschichtiges Kunststofflaminat entwickelt [1] [2], um der Struktur eine deutliche Resttragfähigkeit zu gewährleisten.  Dieses Laminat besteht aus einer PMMA-TPU-PMMA Struktur.

laminate structureStruktur des PMMA Laminats.

Die TPU (Thermoplastisches Polyurethan)  Folie sorgt durch Verklebung der PMMA Scheiben für einen Verbund, der in der Lage ist auch nach Bruch der PMMA Scheiben Lasten zu tragen.

Kopfaufprall PMMA LaminatPMMA Laminat im Kopfaufprall bei 10 m/s.

Um prognosesicher das Verhalten dieser neuartigen Struktur vorhersagen zu können, wurde im Rahmen dieses Projektes verschiedene Modelle für die Finite Element Simulation entwickelt und mit dem Verhalten des realen Bauteil abgeglichen. Die so entstanden Modelle sind in der Lage, das temperatur- und zeitabhängige Verhalten der Laminatstruktur vorherzusagen.

Kopfaufrall PMMA Laminat simSimulation des Kopfaufpralls auf ein PMMA Laminat.

Literatur

[1]  W. Hoess et al., Transparent plastic composite, US Patent US20090226730 A1 (2009)

[2] W. Hoess, A. Schmidt, A. Manis, Elastomer PMMA layered composites having improved properties, US Patent 20160101607 (2016)

[3] A. Rühl: On the Time and Temperature Dependent Behaviour of Laminated Amorphous Polymers Subjeted to Low-Velocity Impact, Dissertation TU Darmstadt, 2017, doi:10.1007/978-3-662-54641-3

[4] A. Rühl, S. Kolling, J. Schneider: Characterization and modeling of poly(methyl methacrylate) and thermoplastic polyurethane for the application in laminated setups, Mechanics of Materials 2017, doi:10.1016/j.mechmat.2017.07.018

[5]  A. Rühl, S. Kolling, J. Schneider,  Laminated Amorphous Polymers Subjected to Low-Velocity Impact, 11th European LS-DYNA Users Conference, 2017

[6]  D. Lopez-Ruiz, A. Rühl, S. Kolling, U. Löffler, B. Kiesewetter, S. Ulzheimer, CAE Validation Study of a Side Window Impact using Plexiglas Materials, 10th European LS-DYNA Users Conference, Würzburg, Germany, 2015

Projektträger: Industrielle Auftragsforschung
Laufzeit: 2011 bis 2015
Projektleiter: Prof. Dr. Stefan Kolling
Partner: Evonik Industries, Tecosim GmbH, Deutsches Kunststoff-Institut Darmstadt (DKI)