Forschung zum Einsatz von Plexiglas für Automobilverglasungen

Gemeinsam mit Partnern aus Hochschulen und Industrie hat TECOSIM jetzt das von der Hessenagentur geförderte Forschungsprojekt SimPlex erfolgreich beendet. Ziel des Vorhabens war es, eine neue Simulationsmethode zur Berechnung des Crashverhaltens von Automobilverglasungen aus Plexiglas zu entwickeln. Bei der Abschlusspräsentation am 12. November in der ETA-Fabrik der Technischen Universität Darmstadt erhielt das Team für seine Arbeit die Bestnote.

Das 2017 gestartete und nun abgeschlossene Forschungsprojekt in Zusammenarbeit mit dem Institut für Mechanik und Materialforschung (IMM) der Technischen Hochschule Mittelhessen, der TU Darmstadt und Industriepartnern zeigt auf, ob ein Einsatz von Kunststoffverglasungen aus Polymethylmethacrylat (PMMA) hinsichtlich der Crashtauglichkeit machbar ist. „Der Werkstoff verspricht eine Gewichtsreduktion von bis zu 50 Prozent im direkten Vergleich zu konventionellen Fahrzeugscheiben. Und dies bei deutlich verbesserter Bruchdehnung und Akustik“, erläutert Prof. Dr. Stefan Kolling von der Technischen Hochschule Mittelhessen die Motivation des Vorhabens.

Gemeinsam entwickelten die Wissenschaftler der beteiligten Institute und die Ingenieure von TECOSIM eine Methode, um den Werkstoff im digitalen Fahrzeugentwicklungsprozess einzusetzen und ihn mit herkömmlichem Mineralglas zu vergleichen. „Mit Hilfe einer praxistauglichen Simulationsmethode können wir nun einen virtuellen Prototyp erstellen und verschiedene Crashszenarien prognosesicher simulieren. Damit sind wichtige Weichen für einen Einsatz von Plexiglas im Automobilbau gestellt“, sagt Damaso Lopez Ruiz, CAE-Manager bei TECOSIM. „Gemeinsam mit Industriepartnern werden wir nun in einem nächsten Schritt die Gespräche mit Kunden über eine Anwendung in der Praxis intensivieren“, ergänzt Martin Westerwald, Geschäftsführer der TECOSIM GmbH.

Statistische Auswertung des Bruchverhaltens
Innerhalb des Forschungsprojektes entwickelten die Partner ein Materialmodell für PMMA und bestimmten experimentell die erforderlichen Werkstoffparameter. Kern der Werkstoffuntersuchung war eine statistische Auswertung des Bruchverhaltens, da dieses das Verletzungsrisiko insbesondere bei einem Kopfaufprall (Bild 1) maßgeblich bestimmt. Anhand eines Validierungsmodells wurde so die Verletzungswahrscheinlichkeit erstmals quantifiziert. Abschließend wurden die Materialmodelle in Gesamtfahrzeugsimulationen in den Lastfällen Seitencrash und Pfahlaufprall eingesetzt (Bild 2).

Bild 1: Simulationsmodell des Kopfaufpralls und der Einfluss einer streuenden Bruchdehnung auf die Verletzungswahrscheinlichkeit. (Links: TEC|BENCH-Teilmodell Mercedes ML)

Bild 2: Vergleich Seitenscheibenmaterial ESG versus PMMA bzw. AG100. Der Einfluss der Seitenscheibe im Gesamtfahrzeugcrash für Pfahlaufprall. (Bild rechts oben: TEC|BENCH-Modell Golf VI)

Eine Auswertung von Simulationen mit herkömmlichem Glas und PMMA wies dabei vergleichbare Ergebnisse auf. Darüber hinaus wurde im abgeschlossenen Projekt ein Verbund aus PMMA und TPU-Folie entwickelt. Dies versetzt das Konsortium in die Lage, auch Verbundglasscheiben (Windschutz- und Seitenscheiben) zu bewerten.

Im Rahmen des Projektes stellten die Wissenschaftler zudem an einer PMMA-Seitenscheibe die Bedeutung des stochastischen Materialverhaltens für die Fahrzeugauslegung dar. Das Maß für die Verletzungswahrscheinlichkeit (in der passiven Sicherheit als Head Injury Criterion [HIC] bezeichnet) reagiert sehr sensitiv auf eine streuende Bruchdehnung. Der stochastischen Simulation und der Festlegung geeigneter Zielgrößen (zum Beispiel die 95-Prozent-Grenze in Bild 1) kommt daher zukünftig eine große Bedeutung zu.

Bei der Umsetzung des Forschungsprojektes konnte das Team auf Simulationsdaten aus dem von TECOSIM eigenentwickelten Reverse-Engineering-Prozess TEC|BENCH zurückgreifen. Dabei werden auf dem Markt verfügbare Fahrzeuge gescannt und die gewonnenen Geometriedaten in CAE-Modelle zur Crashsimulation aufbereitet.

Nachfrage nach Leichtbaulösungen ungebrochen

In der Automobilbranche ist die Nachfrage nach Leichtbaulösungen ungebrochen. Insbesondere auch mit Blick auf Elektromobilität, höhere Reichweiten und weitere CO2-Einsparungen suchen die Experten kontinuierlich nach Maßnahmen zur weiteren Gewichtsreduzierung. Bei einem Anteil der Verglasung am Gesamtfahrzeuggewicht von bis zu fünf Prozent bieten Scheiben aus transparenten Kunststoffen hohes Potenzial. Dabei gilt es nicht nur, den direkten Massenvergleich zu betrachten. Das Gesamtgewicht wird am Fahrzeug auf einem einheitlichen Höhenniveau, etwa bei Seitenfenstern oder Schiebedächern, eingespart. Dadurch kann der Fahrzeugschwerpunkt für eine bessere Fahrdynamik abgesenkt werden. Darüber hinaus sind Plexiglasscheiben durch ihre höhere Bruchdehnung besser als Mineralglasscheiben gegen Steinschlag geschützt. Aufgrund seiner Dämpfungseigenschaft liefert Plexiglas zudem eine bessere Akustik und kann somit den Fahrkomfort erhöhen.