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Kunststoff Ein Stück Airbag aus dem 3D-Drucker

| Redakteur: Simone Käfer

Per Rapid Prototyping wird ein Material und die Additive Fertigung auf ihre Tauglichkeit für Sicherheitssystem im Auto geprüft. Doch zuerst muss das passende Material gefunden werden.

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Ein Teil dieses Airbags wurde per Additiver Fertigung hergestellt.
Ein Teil dieses Airbags wurde per Additiver Fertigung hergestellt.
(Bild: Joyson Safety Systems)
  • Eine Halterung für Airbags muss viel aushalten.
  • Ein Ersatzwerkstoff für das glasfaserverstärkte PA6 wird gesucht.
  • Ein Prototyp entsteht per selektivem Lasersintern (SLS).

Die Halterung eines Fahrerairbags verhindert, dass Kopf und Gesicht bei einem Unfall auf Lenkrad oder Armaturenbrett aufprallen. Bei einem Zusammenstoß bläst sich das Airbag-Kissen mit 30 bis 50 ms auf, die Halterung hält die gesamte Sicherheitseinrichtung an ihrem Platz. Sie ist ein unverzichtbarer Bestandteil des Airbag-s. Zum Airbag-System gehören auch ein Gasgenerator (Inflator), der das Kissen aufbläst, und die Abdeckung. Das Kissen befindet sich zwischen der Halterung und der Abdeckung.

Samer Ziadeh und Daniel Alt arbeiten im Innovation Center des US-amerikanischen Airbag-Herstellers Joyson Safety Systems. Sie erklären, dass die Funktion der Halterung des Airbag-Systems darin besteht, „einer großen Menge an dynamischen Belastungen standzuhalten und zusätzlich den Gasgenerator und das aufblasbare Kissen während und nach der Entfaltung des Airbag-Moduls an Ort und Stelle zu halten.” Diese Belastung entsteht durch den Druck, der zum Aufblasen des Airbags erforderlich ist, weshalb bei den Tests hohe Spannungen direkt auf das Airbag-System und insbesondere auf die Airbag-Halterung ausgeübt werden. „Außerdem“, fahren Ziadeh und Alt fort, „werden die Systeme in einem Temperaturbereich zwischen –35 °C und 85 °C getestet.“ Daher muss das für die Herstellung der Halterung verwendete Material eine angemessene Belastbarkeit, Stoßfestigkeit und thermische Stabilität aufweisen. Zumeist besteht die Halterung aus dem Polymer PA6, das zu 40 % glasfaserverstärkt ist (PA6-GF40).

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Die Anforderungen

Im Innovation Center sieht man sich seit kurzem die Verfahren und Materialien der Additiven Fertigung als Alternative für die Herstellung von Airbag-Gehäusen an. Unter anderem wurde eine Marktanalyse durchgeführt, um einen additiv verarbeitbaren Verbundwerkstoff zu finden, der dem PA6-GF40 entspricht, das derzeit spritzgegossen wird. Die Kriterien für den Einsatz der Additiven Fertigung waren:

  • Herstellung eines funktionalen Prototyps in wenigen Tagen statt in Monaten, was Zeit- und Geldverluste vermeiden soll,
  • Verbundwerkstoffe mit mechanischen, thermischen und Leistungseigenschaften, die jenen der Materialien, die bei dem bisher angewendeten Produktionsprozess eingesetzt werden, ähneln,
  • Überprüfung der Leistung des Bauteils mit echten Testsystemen, wobei das Bauteil Temperaturänderungen und hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt wird.

Das Material

Die Ingenieure des Innovationszentrums von Joyson Safety Systems wandten sich an den italienischen Auftragsfertiger CRP Technology, der mit seinen eigenen Verbundwerkstoffen arbeitet. Ziadeh und Alt erklären: „Die verschiedenen Marktanalysen, die wir durchgeführt haben, um das am besten geeignete Material und das am besten geeignete additive Verfahren für unsere Anforderungen zu finden, haben uns zu den Verbundwerkstoffen Windform-Top-Line von CRP Technology und insbesondere zu Windform SP geführt.“

Windform SP ist ein mit Kohlefaser verstärkter Werkstoff auf Polyamidbasis, das laut CRP Technology seine maximale mechanische Festigkeit beibehält. Außerdem soll es wasserdicht sein mit ausgezeichneten Dichtungseigenschaften gegenüber Flüssigkeiten wie Wasser, Öl oder Benzin und gegenüber Gas. Auch hohen Spannungsermüdung bei Vibrationen oder Stößen wären für Windform SP kein Problem. Zudem wurde es gemäß dem Entflammbarkeitstest nach UL 94 als HB eingestuft, was der DIN EN 60695-11-10 und -20 entspricht. „Seine Leistungen liegen sogar über den Anforderungen für unsere Anwendung!” so die Joyson-Mitarbeiter. Verarbeitet wird der Werkstoff per selektivem Lasersintern (SLS).

Der Test und seine Auswirkungen

Als Material und Verfahren fest standen, wurden die Daten für das Rapid Prototyping aufbereitet und CRP Technology hat einen funktionalen Prototyp der Airbag-Halterung hergestellt. Dieser wurde in einem kompletten Airbag-System getestet. Joyson Safety Systems berichtet, dass „das Material ausgezeichnete mechanische Leistungen in Bezug auf hohe Belastbarkeit und Stoßfestigkeit sowie eine gute thermische Stabilität in den Temperaturbereichen 23, –35 und 85 °C zeigte.“ Nicht nur das Material, der gesamte Prototyp bestand die Testphase. „Der Prototyp wurde verschiedenen Tests unterzogen auf die er stets mit ausgezeichneten Leistungen reagiert hat”, sagt Ziadeh. Das führte sogar dazu, dass an neuen Produkten entwickelt wird.

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