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Metallschaum könnte Auto bei Frontalunfällen sicherer machen
Frontträger sollen bei einem Unfall möglichst viel Bewegungsenergie aufnehmen, bevor hohe Kräfte den Innenraum erreichen. Simulationen zeigen nun, dass Frontträger mit einem Kern aus Verbundmetallschaum bei gleichem Gewicht deutlich günstigere Belastungswerte erreichen könnten als zwei verbreitete Rohrkonstruktionen. Die Ergebnisse beruhen bislang auf Computermodellen und müssen noch in realen Fahrzeugtests bestätigt werden.
Raleigh (U.S.A.). Bei einem Frontalaufprall sollen die Frontträger zwischen Stoßfänger und Fahrgastzelle möglichst viel Bewegungsenergie aufnehmen. Sie verformen sich gezielt, damit die Verzögerung des Fahrzeugs nicht zu abrupt ansteigt und möglichst wenig Belastung auf die Insassen übertragen wird. Gerade bei hohen Geschwindigkeiten stoßen herkömmliche dünnwandige Metallprofile dabei an Grenzen.
Forscher der North Carolina State University (NC State) um Dr. Afsaneh Rabiei haben nun untersucht, ob Verbundmetallschaum diese Aufgabe besser erfüllen könnte. Das Team verglich in Finite-Elemente-Simulationen einen Frontträger aus einem Aluminium-Doppelrohr mit einem Kern aus Stahl-Verbundmetallschaum mit zwei verbreiteten Bauformen gleicher Länge und Masse. Als Vergleich dienten rechteckige Träger aus hochfestem Stahl und doppeloktagonale Träger aus Aluminium.
Verbundmetallschaum, kurz CMF, besteht aus metallischen Hohlkugeln, die in eine feste Metallmatrix eingebettet sind. Im untersuchten Stahl-CMF ist zusätzlich Luft in den Hohlräumen eingeschlossen. Die Simulation bildete diese Luft als Gas in Hohlräumen ab und kombinierte dafür experimentell ermittelte Materialdaten des Schaums mit öffentlich verfügbaren Material- und Konstruktionsdaten der konventionellen Frontträger.
Nach dem Modell verändert der CMF-Kern das Verformungsverhalten deutlich. Während reine Rohrstrukturen beim Falten zu pulsierenden Verzögerungsspitzen neigen, entsteht beim CMF-Träger ein gleichmäßigeres Verzögerungsplateau. Die eingeschlossene Luft und die Wechselwirkung zwischen Schaumkern und Aluminiumrohr erhöhen den Widerstand gegen lokales Einknicken und verteilen die Energieaufnahme über den Träger.
„CMF ist leichter als herkömmliche Metalle, ohne an Festigkeit einzubüßen, und unsere Arbeit zeigt uns, dass seine einzigartige Struktur bei Hochgeschwindigkeitsaufprallen Energie besser aufnehmen kann. Das ist wichtig, weil dadurch die Geschwindigkeit verringert wird, mit der ein Fahrzeug bei einem Unfall abbremst, und eine langsamere Verzögerung verbessert die Sicherheit von Fahrer und Passagieren“, erklärt Afsaneh Rabiei.
Die größten Unterschiede zeigten sich bei den Geschwindigkeiten, bei denen kritische Sicherheitskennwerte überschritten wurden. Gegenüber dem doppeloktagonalen Aluminiumträger lag die berechnete Schwelle für den kritischen Unfallschwere-Kennwert um 33,73 Prozent höher. Die Schwelle für das Head Injury Criterion (HIC), einen Kennwert für das Risiko schwerer Kopfverletzungen, stieg um 39,50 Prozent. Gegenüber dem rechteckigen Stahlträger betrugen die Zuwächse 31,93 beziehungsweise 48,24 Prozent.
Bei einem simulierten Frontalaufprall mit 55 mph, rund 89 km/h, wurden die Unterschiede noch anschaulicher. Im Vergleich zum doppeloktagonalen Träger sank die maximale Verzögerung mit CMF um etwa 38 Prozent, der Unfallschwere-Kennwert um rund 45 Prozent und der HIC ebenfalls um rund 45 Prozent. Gegenüber dem rechteckigen Träger lagen die entsprechenden Minderungen bei etwa 84, 94 und 83 Prozent. Alle verglichenen Frontträger hatten dabei dieselbe Länge und Masse.
„CMF schnitt im Vergleich zu den konventionellen Trägern auf ganzer Linie besser ab. Und je höher die Geschwindigkeit war, desto besser schnitt CMF im Vergleich zu den konventionellen Frontträgern ab. Ein Vergleich der Frontträger bei einem Unfall mit 55 mph gibt einen guten Überblick über die Unterschiede zwischen den Konstruktionen“, erklärt Afsaneh Rabiei.
Die hohen Unterschiede sind bislang ein Ergebnis der Computersimulation. Die Forscher stützten ihr Model