3D-gedruckte Fahrradhelme für besseren Schutz
Forscher entwickeln Helmfutter mit beidseitig kontrahierenden auxetischen Metastrukturen
Es hat sich gezeigt, dass das Tragen eines Fahrradhelms das Risiko von Kopfverletzungen bei Fahrradunfällen drastisch senkt. Eine bemerkenswerte Studie ergab eine 60-prozentige Verringerung schwerer Kopfverletzungen. Diese Zahl allein reicht aus, um jeden von der Wichtigkeit des Tragens eines Helms zu überzeugen, aber niemand würde leugnen, dass es Raum für Verbesserungen bei der Helmkonstruktion gibt, um diese Rate noch weiter zu erhöhen. Ein internationales Forschungsteam der Universität Göteborg in Schweden und der Universität Isfahan im Iran hat einen Fahrradhelm entwickelt, der dank einer 3D-gedruckten Geometrie eine optimale Stoßdämpfung bietet.
Der 3D-gedruckte Helm erhöht die Stoßdämpfung durch sein Design, das eine so genannte auxetische Metastruktur integriert. Diese geometrische Metastruktur, die als reentrant honeycomb bezeichnet wird, ist so konstruiert, dass sie sich bei einem Aufprall beidseitig zusammenzieht, so dass weniger Stöße auf den Kopf des Radfahrers treffen. Dies ist ein effektiverer Ansatz als bei herkömmlichen Schaumstoffhelmen, die sich beim Aufprall zusammenziehen, um Stöße abzufangen.
„Bei einem Aufprall zieht sich das Auskleidungsmaterial zusammen, was die Absorption der Aufprallenergie verbessert und damit das Risiko von Kopfverletzungen bei Unfällen verringert“, erklärt Mohsen Mirkhalaf, außerordentlicher Professor für Mechanik und Physik der Materialien an der Universität Göteborg. „Wir haben ein spezielles Verfahren zur Designoptimierung eingesetzt, um die bestmögliche geometrische Konfiguration zur Minimierung der Aufprallkräfte zu ermitteln. Die Geometrie der Materialstruktur ist ein Schlüsselfaktor.“
Die auxetischen Metastrukturen wurden mit Hilfe von digitalem Design entworfen und durchliefen Computersimulationen und Optimierungen, um die Leistung zu verbessern. Diese Geometrie wurde dann mithilfe des FDM-3D-Drucks physisch iteriert. Die 3D-gedruckte Helmauskleidung bestand aus TPU, einem Polymer, das für seine hyperelastischen Eigenschaften bekannt ist, und wurde von einer 3D-gedruckten PETG-Schale umhüllt.
Der 3D-gedruckte Helm wurde dann kontrollierten Aufprallszenarien, wie z. B. Falltests, unterzogen, und die Ergebnisse wurden mit bestehenden Sicherheitsstandards für Fahrradhelme verglichen. Diesem Vergleich zufolge hat der Helm mit der Auxetic-Metastruktur „das Potenzial, die Energieabsorption zu verbessern und das Risiko von Kopfverletzungen zu verringern“.
„Das Wissen über auxetische Metastrukturen, die sich bei Dehnung seitlich ausdehnen, gibt es seit fast 40 Jahren. Die Entwicklung verschiedener Metastrukturen ist jedoch aufgrund der Fortschritte in der 3D-Drucktechnologie explodiert“, fügte Mirkhalaf hinzu, dessen Forschungsarbeit kürzlich im International Journal of Solids and Structures veröffentlicht wurde.
Neben der besseren Stoßdämpfung hat die 3D-gedruckte Geometrie noch weitere Vorteile, darunter eine leichtere Struktur, die für Radfahrer bequemer ist. Auch wenn das Forschungsteam diesen Vorteil nicht ausdrücklich erwähnt, können wir uns vorstellen, dass eine bessere Belüftung ebenfalls ein Vorteil ist, wie dies auch bei anderen 3D-gedruckten Schaumstoff-Ersatzprodukten der Fall war.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, diese Fahrradhelme individuell zu gestalten, was den Schutz noch weiter verbessern und den Komfort erhöhen könnte. „Bei weiterer Entwicklung könnte diese Technologie zu einer neuen Generation von Fahrradhelmen führen, die sicherer, komfortabler und besser anpassbar sind“, fügte er hinzu. „Obwohl die 3D-Drucktechnologie derzeit teurer ist als massenproduzierte Schaumstoffauskleidungen, dürften die Kosten mit zunehmender Verbreitung der Technologie sinken. In Zukunft könnte es sogar möglich sein, personalisierte Helme auf Anfrage drucken zu lassen, um sicherzustellen, dass jeder Fahrer den bestmöglichen Schutz erhält.“
Helme für verschiedene Sportarten waren in den letzten Jahren eine wachsende Anwendung für den 3D-Druck. So integrieren beispielsweise einige Hersteller von American-Football-Helmen jetzt 3D-gedruckte Gitter, um den Schutz der Spieler zu verbessern. Auch im Radsport gibt es eine Handvoll 3D-gedruckter Helme, darunter der KAV-Portola-Helm aus einem speziellen kohlefaserverstärkten Nylonmaterial, der vom Time Magazine als eine der „besten Erfindungen des Jahres 2022“ bezeichnet wurde.
