Erprobung von Schutzkleidung mit aktuellsten virtuellen Menschmodellen

29.1.2020

Mit virtuellen Menschmodellen lässt sich die Reaktion des menschlichen Körpers in einer unvorhergesehenen gefährlichen Situation untersuchen. Damit können Menschen besser geschützt werden.

Nicht nur das strukturdynamische Verhalten technischer Materialien und Strukturen kann unter dynamischen Bedingungen numerisch untersucht werden, auch das Verhalten des menschlichen Körpers lässt sich mittlerweile mithilfe virtueller Menschmodelle sehr genau analysieren. Dabei werden nicht nur die äußere Körperform, sondern auch Knochen, Muskeln, Sehnen sowie innere Organe und das Weichgewebe direkt abgebildet. Motiviert durch die Erfordernisse der Automobilindustrie, ist die Entwicklung dieser Menschmodelle mittlerweile so weit vorangeschritten, dass diese zur Verbesserung und Weiterentwicklung von Sicherheitsmaßnahmen beitragen können. Fahrzeuginsassen wie auch Fußgänger und andere verletzungsgefährdete Verkehrsteilnehmer können im Ernstfall besser geschützt werden. Insbesondere dann, wenn die betrachteten Szenarien stark von den üblichen Crash-Test-Vorgaben abweichen, wenn von der Norm abweichende Körperhaltungen oder wenn der muskuläre Zustand kurz vor einem Verkehrsunfall von besonderer Bedeutung ist, ist die numerische Beschreibung ohne den Einsatz von Menschmodellen nicht möglich.

 

Anwendungsspektrum persönlicher Schutzausrüstung

Im Bereich der Verteidigung kann die bislang vorwiegend empirisch dominierte Auslegung und Erprobung persönlicher Schutzausrüstung mithilfe solcher Menschmodelle ebenfalls erheblich unterstützt werden. Der Baustein, der bis dato noch gefehlt hat, ist eine universell anwendbare Methode, die die komplex aufgebauten modularen textilen Komponenten aus einer zweidimensionalen ebenen Konfiguration in beliebige doppelt gekrümmte Körperkonturen überführen kann. Genau dieses bislang noch ungelöste Problem haben Forschende am Fraunhofer EMI nun erstmals adressiert. In einer vorgeschalteten Formgebungssimulation wird das in 2D modellierte Textil in die dreidimensionale Form gebracht, die durch den Träger in der jeweiligen Situation vorgegeben wird. Die Methode ist so ausgelegt, dass sie mit den Menschmodellen unterschiedlicher Anbieter funktioniert und vor allen Dingen unterschiedliche Körperhaltungen, Körpergrößen, Körperkonturen sowie auch Geschlechter berücksichtigen kann.

 

Ein Ausgangsmodell – viele Einsatzmöglichkeiten

Im vorliegenden Fall wurde eine Körperschutzweste auf den Oberkörper eines männlichen Trägers angepasst (GHBMC M50). Das generierte Modell eröffnet den Berechnungsingenieuren vielfältige Untersuchungsmöglichkeiten. Durch eine Vielzahl von Einzelberechnungen können existierende Schutzkonzepte auf ihre Vorzüge und mögliche Schwachstellen untersucht werden. Durch unterschiedliche Projektile, Aufprallgeschwindigkeiten, Aufprallwinkel, Aufprallorte, die räumliche Verteilung und die zeitliche Abfolge von Mehrfachtreffern, ob regulär oder statistisch verteilt, sind vielfältige Untersuchungsszenarien möglich, die helfen, Schutzwesten und andere Körperschutzartikel zukünftig noch besser auszulegen, damit die Männer und Frauen während ihres Einsatzes bestmöglich geschützt werden. Bei neuartigen Bedrohungen lassen sich über denselben Ansatz Belastungskennwerte identifizieren, um Aufschluss über die notwendigen Materialparameter zu erhalten, die erforderlich wären, um eine konkrete Gefahr abzuwehren. Materialhersteller können dadurch ihre Herstellungsprozesse anpassen, um die notwendigen Materialien produzieren zu können.

 

Experimenteller Nachweis – der Biofidel-Dummy

Experimentelle Unterstützung findet dieses Projekt durch den sogenannten Biofidel-Dummy der Firma crashtest-service.com. Von diesem Dummy stehen am Fraunhofer EMI seit kurzem mehrere Exemplare zur Verfügung. Kennzeichen dieses ursprünglich für die Unfallrekonstruktion konzipierten Fußgänger-Dummys sind sein äußerst flexibles Einsatzspektrum und seine an den Menschen angepasste Versagensgrenze. Wenn die auf ihn von außen einwirkenden strukturellen Belastungen die Grenzwerte überschreiten, an denen im Ernstfall auch mit schweren Verletzungen beim Menschen zu rechnen ist (z. B. Knochenbrüche, Ödeme, Schürfwunden, Bänderrisse), dann versagen auch die entsprechenden Bauteile des Hardware-Dummys. Eine sogenannte technische Obduktion beim Anbieter ermöglicht dann Einblick in das Innere des Dummys und einen umfassenden Schadensbericht. Darüber hinaus kann der Dummy nahezu beliebig mit konventioneller Messtechnik ausgerüstet werden, so dass eine Vergleichbarkeit mit Messergebnissen herkömmlicher Dummys gegeben ist und auch Datenmaterial zur Auswertung von Verletzungsrisikofunktionen geschaffen werden kann.