Mit Hilfe von Laminaten aus CFK (Carbonfaser-Kunststoffverbund) und Stahl ist es gelungen, ein sehr effizientes Material mit einer einstellbaren Versagenscharakteristik zu entwickeln. Durch die Nutzung der Vorteile beider Materialien in sogenannten Faser-Metall-Laminaten (FML) kann eine deutliche Crash-Effizienzsteigerung sowie eine Erhöhung der spezifischen Energieaufnahme erzielt werden.
Bedeutung effizienter Crasheigenschaften
Zur Veranschaulichung dient ein Crash-Test-Dummie – im Folgenden kurz Brad genannt. Bewegt sich Brad in Richtung einer Wand, so wirkt durch die Verzögerung während des Bremsvorgangs oder im Falle eines Aufpralls eine bestimmte Kraft F auf Brad, die beispielsweise seine Halswirbelsäule stark beansprucht. Idealerweise bremst Brad so gleichmäßig, dass sich ein für ihn tolerierbares Kraftniveau einstellt und er vor der Wand zum Stehen kommt (Abbildung 1 unten (a)). Die Fläche unter dem Graphen entspricht der Energie, in diesem Fall der gesamten Bewegungsenergie von Brad und seinem Fahrzeug, die dabei in thermische Energie umgewandelt wird. Doch Brad wäre kein Crash-Test-Dummie, wenn er rechtzeitig vor der Wand bremsen würde. Für den Fall, dass Brad ungebremst mit der Wand zusammenstößt, müsste dieselbe Energie auf geringstem Weg umgewandelt werden. Die Kraft würde ins Unermessliche steigen. Jedes Fahrzeug besitzt daher einen Crash-Bereich, der sich aus der Fahrzeuggeometrie definiert.
Das Ziel ist es, im Crash-Fall die vorhandene Bewegungsenergie innerhalb des verfügbaren Bauraums weitestgehend in Verformungsenergie umzuwandeln, sodass keine zu hohen Kräfte auf Brad wirken (Abbildung 1 oben (b)). Der Kraft-Weg-Verlauf hängt von der Geometrie und dem Material der Crash-Struktur ab. Strukturen aus metallischen Werkstoffen können so eingestellt werden, dass ein gleichmäßiges Lastniveau erreicht werden kann. Um die Fahreigenschaften und Emissionen positiv zu beeinflussen, sollte das Gewicht der Struktur zusätzlich möglichst gering sein. Diese Anforderung lässt sich in einem Kennwert zusammenfassen: dem spezifischen Energieabsorptionsvermögen (SEA). Ein effizientes Crash-Verhalten ist demzufolge gekennzeichnet durch einen hohen SEA-Wert und ein möglichst gleichbleibendes Kraftniveau.
Effizienzsteigerung durch Symbiose von CFK und Stahl
Faserkunststoffverbunde, insbesondere CFK, verfügen über exzellente SEA-Kennwerte, weisen jedoch, wie im schematischen Kraft-Weg-Verlauf eines Crash-Szenarios in Abbildung 1 gezeigt, eine vergleichsweise ausgeprägte Maximalkraft auf. Die erforschten Laminate aus CFK und Stahl bieten hingegen die Möglichkeit, das Versagensverhalten hinsichtlich des Kraft-Peaks und des Kraftmittelwertes einzustellen. Sehr dünne Stahlfolien (0,12 mm), die vorzugsweise außen im Laminat positioniert werden, können die Crash-Effizienz deutlich steigern. Versuche zeigen eine um bis zu 60% erhöhte spezifische Energieaufnahme gegenüber einer CFK-Referenzstruktur (Abbildung 2), wodurch das Gewicht der Crash-Struktur gegenüber metallischen oder CFK-Strukturen weiter reduziert werden kann.
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