Herstellung der Halterung für Airbag-Systeme mit Hilfe des professionellen 3D-Drucks und Verbundmaterial

Das von Joyson Safety Systems, entwickelte Projekt ist das erste passive Sicherheitssystem für Nutzfahrzeuge, das mit der additiven Fertigung realisiert wurde. Es wurde von CRP Technology mittels selektiver Lasersintertechnologie und unter Verwendung des kohlefaserverstärkten Materials Windform^® SP hergestellt.

Einleitung

Joyson Safety Systems (mit Hauptsitz in Auburn Hills, Michigan, USA) ist das führende Unternehmen im Bereich der Verkehrssicherheit, das fortschrittliche aktive und passive Sicherheitssysteme/-vorrichtungen (darunter Sicherheitsgurte, Airbags, Kindersitze) herstellt und an die wichtigsten Erstausrüster auf dem Markt vertreibt.

Joyson Safety Systems ist auch der weltweit erste Hersteller von Lenkrädern mit HOD-Funktion („Handerkennung“) für autonomes Fahren.

Die Herausforderung

Das Innovationszentrum von Joyson Safety Systems hat vor kurzem ein Projekt zur Untersuchung und eingehenden Analyse des Bereichs der additiven Fertigung gestartet, um neue Verfahren und Materialien für die Herstellung von Airbag-Gehäusen (airbag housing container) zu entdecken.

Das Expertenteam führte eine Marktanalyse durch, um einen Verbundwerkstoff zu finden, der jenem Material entspricht, das bei der Herstellung des Teils mit dem herkömmlichen Verfahren (d.h. Spritzguss; und als Material zu 40 % glasfaserverstärktes Polyamid) verwendet wird.

Die Halterung des Fahrer-Frontairbags (Driver Airbag – DAB-  housing) besteht in der Regel aus einem Polymer (Nylon 6), das zu 40 % glasfaserverstärkt ist (PA6-GF40).

Das Airbagsystem besteht aus dem Gasgenerator (Inflator), dem aufblasbaren Kissen, der Abdeckung und der Halterung mit den Befestigungspunkten am Lenkrad. Das Kissen befindet sich zwischen der Halterung und der Abdeckung.

Die korrekte Funktion der Halterung des Fahrer-Airbags ist von wesentlicher Bedeutung, da es sich um eine Sicherheitsvorrichtung im Fahrzeug handelt. Ihre Funktion besteht darin, zu verhindern, dass bestimmte Körperteile wie Kopf und Gesicht bei einem Unfall mit dem Lenkrad oder dem Armaturenbrett in Berührung kommen. Bei einem Aufprall bläst sich das Airbagkissen mit einer Geschwindigkeit von ca. 30-50 ms (Millisekunden) auf, um Verletzungen des Fahrers zu verhindern.

Die Halterung des Fahrerairbags hält die gesamte passive Sicherheitseinrichtung an ihrem Platz, wodurch sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil des gesamten Systems wird.

Samer Ziadeh und Daniel Alt vom Joyson Safety Systems Innovation Center liefern weitere Details und erklären, dass die Funktion der Halterung des Airbagsystems darin besteht, „einer großen Menge an dynamischen Belastungen standzuhalten und zusätzlich den Gasgenerator und das aufblasbare Kissen während und nach der Entfaltung des Airbagmoduls 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 Airbagsystem und insbesondere auf die Airbaghalterung ausgeübt werden.

„Außerdem“, fahren Ziadeh und Alt fort, „werden die Tests normalerweise in einem Temperaturbereich zwischen -35 °C und 85 °C durchgeführt.“

Daher muss das für die Herstellung der Halterung des Airbagsystems verwendete Material eine angemessene Belastbarkeit, Stoßfestigkeit und thermische Stabilität aufweisen, um unter verschiedenen Prüfbedingungen ordnungsgemäß zu funktionieren.

Die Lösung

Im Hinblick auf das Projekt zur Untersuchung und eingehenden Analyse des Bereichs der additiven Fertigung hat das Team des Innovationszentrums von Joyson Safety Systems ein sehr strenges Programm festgelegt, das auf die Erreichung spezifischer Ziele ausgerichtet ist, wie z.B.: Herstellung eines funktionalen Prototypen durch additive Fertigung in wenigen Tagen statt in Monaten, wodurch Zeit- und Geldverluste vermieden werden; Verwendung von Verbundwerkstoffen mit mechanischen, thermischen und Leistungseigenschaften, die jenen der Materialien, die bei dem „herkömmlichen“ Produktionsprozess eingesetzt werden, ähnlich sind; Überprüfung der Leistung des Bauteils mit echten Testsystemen, wobei das Bauteil Temperaturänderungen und hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt wird.

Die Ingenieure des Innovationszentrums von Joyson Safety Systems wandten sich an CRP Technology und ihre firmeninterne Abteilung für 3D-Druck mit Windform® TOP-LINE Verbundwerkstoffen.

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“,so Ziadeh und Alt weiter, „hat unsere Aufmerksamkeit erregt und hat uns überrascht: Es handelt sich nicht nur um einen mit Kohlefaser verstärkten Verbundwerkstoff auf Polyamidbasis, sondern seine Leistungen liegen sogar über den Anforderungen für unsere Anwendung!   Sein Datenblatt zeigt ein sehr hohes Potenzial, das für die Herstellung der Halterung für den Fahrer-Airbag durch das selektive Lasersinterverfahren geeignet ist.“

Nach einer Analyse der Dateien der Anwendung hat die Abteilung für 3D-Druck von CRP Technology den funktionalen Prototyp der Airbag-Halterung hergestellt.

Dank der verwendeten Technologie (selektives Lasersintern) und des kohlefaserverstärkten Verbundmaterials Windform® SP erhielt Joyson Safety Systems in kurzer Zeit das benötigte Teil und konnte so die Studie abschließen. Die Halterung aus Windform® wurde in einem kompletten Airbagmodul getestet.

Die Ergebnisse

Joyson Safety Systems berichtet, dass die Tests sehr gute Ergebnisse gezeigt haben: In der Tat „zeigte das Material, das für die Herstellung des funktionalen Prototypen verwendet wurde, ausgezeichnete mechanische Leistungen in Bezug auf hohe Belastbarkeit und Stoßfestigkeit sowie eine gute thermische Stabilität in verschiedenen Temperaturbereichen:  23 °C, -35 °C und 85 °C.“

„Diese hervorragenden Ergebnisse haben uns positiv überrascht und den Weg für zukünftige neue Kooperationen mit CRP Technology geebnet“, sagt Samer Ziadeh und fügt hinzu: „Der Prototyp wurde verschiedenen Tests unterzogen, auf die er stets mit ausgezeichneten Leistungen reagiert hat.  Dank seiner nachgewiesenen Funktionstüchtigkeit ziehen wir die Entwicklung eines neuen Produkts in Betracht.

Ziadeh und Alt sprachen auch über die Vorteile des professionellen 3D-Drucks: „Der größte Vorteil“, erklären sie, „besteht in der Möglichkeit, verstärkte Polymere mit hohen mechanischen Leistungen einzusetzen. Die Kombination von selektivem Lasersintern und verstärkten Polymeren ermöglicht die Herstellung komplexer Werkstücke mit einer guten Toleranz.

Windform® SP verfügt über ausgezeichnete mechanische Eigenschaften in Bezug auf die Zugfestigkeit, gute thermische Eigenschaften und eine hohe Temperaturbeständigkeit. Diese Eigenschaften entsprechen voll und ganz den Anforderungen an Halterungssysteme für Fahrerairbags.“