Een innovatief anisotropisch composietschuim concept voor verbeterde bescherming van het hoofd tijdens hoekimpact

Impact onder een hoek, is de meest voorkomende situatie tijdens ongelukken in het verkeer of bij professionele sporters. Tijdens impact onder een hoek wordt het menselijk hoofd blootgesteld aan een combinatie van lineaire en rotationele (hoek) versnellingen. Rotationele versnelling en snelheid zijn verantwoordelijk voor traumatische hersenschade en moeten geminimaliseerd worden.

Fietsers behoren tot de meest kwetsbare weggebruikers en helmen zijn het enige middel om hen bescherming van het hoofd te bieden. Conventionele helmen zijn bewezen goed in het opvangen van lineaire versnellingen van het hoofd. Ze hebben echter geen speciale mechanismen om rotationele versnellingen op te vangen, wat ook nog steeds geen vereiste is in testnormen voor helmen.

Binnen de fietshelmen groep van de KU Leuven (recentelijk genoemd IMPACT) was in 2008 voorgesteld dat door het gebruik van anisotroop schuim met de richting van anisotropie loodrecht op het oppervlak van het hoofd, de rotationele versnelling die op het hoofd wordt uitgeoefend kan worden verkleind. Eerste studies lieten zien dat een zeer anisotroop polyethersulfon (PES) schuim een betere reductie van lineaire  en rotationele versnellingen kon laten zien dan conventioneel isotroop ge-expandeerd polystyreen (EPS). Maar de verbetering in eigenschappen kon niet uitsluitend worden toegewezen aan anistropie, omdat de PES tegelijkertijd ook een verschillende densiteit en polymeereigenschappen liet zien t.o.v. EPS. Tenslotte, bleek ook verwerking van het zeer anisotrope PES schuim in complexe vormen zoals van een helm, zeer moeilijk, zodat de praktische uitvoerbaarheid op industriële schaal vooralsnog verhinderd is.

In deze thesis, wordt composietschuim met een kolom/matrix configuratie voorgesteld als een nieuw concept voor bescherming van het hoofd in applicaties zoals beschermende helmen of zogenaamde headliners in het interieur van crash-bestendige voertuigen. Dit concept creëert anisotropie in een schuim op macro-niveau en liet ook toe om uiteindelijk een duidelijke “proof of principle” studie te doen om aan te tonen dat anisotropie in het schuim kan leiden tot onderdrukking van rotationele versnelling en snelheid van het hoofd in een impactbelasting onder een hoek. Hierop verdergaand, met hulp van experimentele en numerieke parameter studies, wordt aangetoond dat met het concept van composietschuim, het niveau van anisotropie en hierdoor van onderdrukking van rotationele versnelling en snelheid kan worden ingesteld door het veranderen van parameters als de diameter van de schuimkolommen in de struktuur en de compliantie van het matrixschuim. De experimentele parameterstudie werd uitgevoerd door het doen van bi-axiale afschuif-en-compressie testen alsmede van impactexperimenten onder een hoek, op verschillende configuraties van composietschuim. De numerieke parameterstudie werd uitgevoerd door het simuleren van impact onder een hoek met een gesimplificeerd eindige elementen model van het hoofd. Resultaten laten een reductie zien in rotationele versnellingen tot 44% in vergelijking met standaard EPS 80 polystyreenschuim door het gebruik van composietschuim. Het model liet een goede overeenkomst zien met de experimentele resultaten en liet ook zien dat de vorm van de kolommen van hoge dichtheid schuim minder kritisch is.

Een andere focus van deze thesis was de verdere ontwikkeling en presentatie van testopstellingen die kunnen gebruikt worden voor de pre-liminaire en uiteindelijke beoordeling van schuimmaterialen voor helmen bij belasting onder een hoek, met name een bi-axiale testopstelling voor gecombineerde afschuiving en compressie en een opstelling voor impact onder een hoek. De bi-axiale afschuiving en compressie opstelling werd gebruikt voor de studie van het effect van schuimanisotropie op de energieabsorptie van schuimen belast onder verschillende hoeken. Ook werd de correlatie onderzocht en bevestigd tussen gecombineerde afschuif-compressie eigenschappen van de schuimen en hun gedrag tijdens impact onder een hoek. Verder werd in deze thesis verdere ontwikkeling gedaan van de KU Leuven opstelling voor impact onder een hoek. Hiertoe werd een kritische vergelijking gemaakt tussen de opstellingen van KU Leuven en de KTH in Stockholm. Een grondige analyse werd gedaan van de instrumentatie van de KU Leuven opstelling door het ontwerp van een opstelling voor de calibratie van de hoeksnelheidssensor in een breed werkingsgebied. Daarenboven werd de KU Leuven opstelling gesimplificeerd door het ontwerp en de implementatie van een vaste opstelling met een helling onder een hoek in plaats van een opstelling met een roterende band. De impactopstelling onder een hoek kan gebruikt worden voor het testen van vlakke schuimmonsters alsmede voor het testen van helmen.