Crashtest-Dummy: Der Hightech-Menschennachbau, der Leben rettet

Hintergrund

Wie ein Schaufensterpuppe sieht der Dummy aus wie ein Mensch, aber seine mehr als nur oberflächlichen Schönheiten bestehen aus Hightech-Instrumentierung und einem state-of-the-art Körperbau. Und wie die Version des Bauchredners kann der Crashtest-Dummy nicht sprechen – außer in einer hocheffektiven Serie von TV-Spots für Gurt-Sicherheit.

Straßenverkehrssicherheitsbehörden weltweit verlassen sich auf den Crashtest, bei dem ein Automobil in eine Ziegelmauer gerammt wird, um Schäden zu beobachten und Daten über die Fahrzeugleistung zu generieren. Die Insassen des Testfahrzeugs sind Crashtest-Dummies (korrekt "Anthropomorphe Testgeräte" genannt), die so gefertigt sind, dass sie menschliche Körper ähneln und darauf reagieren und mit hochentwickelter Instrumentierung beladen sind. Die Instrumente zeichnen Informationen zu Beschleunigung, Geschwindigkeit, Verzögerung beim Aufprall, Aufprallkraft und den verschiedenen Bewegungen und Verformungen des Torsos und der Gliedmaßen jedes Dummys auf. Diese Daten werden von Sicherheitsingenieuren untersucht und mit dem Verhalten menschlicher Insassen und deren potenziellen Verletzungen in Beziehung gesetzt.

Die Crashtest-Methode hat trotz ihrer universellen Akzeptanz gravierende Mängel. Das Automobil (oder andere Fahrzeug) wird je nach Testziel teilweise oder vollständig beschädigt. Die Dummies können nachgerüstet und oft wiederverwendet werden, aber ihre Fähigkeit, mit all der Komplexität menschlicher Körper zu reagieren, wird ständig perfektioniert.

Geschichte

Vor den späten 1940er Jahren wurden Automobile mit Leichen getestet. Verletzungen konnten an echten Körpern beobachtet werden, aber Leichen reagierten nicht wie atmende, flexible Wesen. Crashtest-Dummies wurden 1949 unter Vertrag für die US Air Force zur Testung von Flugzeugschleudersitzen entwickelt, die auf raketengetriebenen Schlitten auf Schienen montiert waren. "Sierra Sam" war der erste Dummy. Die Automobilindustrie nutzte später denselben Dummytyp zur Entwicklung von Beckengurten und Schultergurten. Sierra Sam glich dem durchschnittlichen erwachsenen Mann mit statistisch korrektem Gewicht und gelenkigen Gliedmaßen; jedoch waren Sams Wirbelsäule und Nacken starr. Die Beschleunigung seines Kopfes, der den Auswurfpfad verfolgte, konnte gemessen werden, war aber weit davon entfernt, potenzielle Kopfverletzungen zu bewerten.

1952 wurde Mark 1 aus einem Gipsabdruck eines lebenden Mannes gefertigt, was einen enormen Fortschritt im Stand der Technik markierte. Sein Schädel beherbergte Sensoren zur Messung von Beschleunigung und Aufprallkraft und bestand aus zwei Aluminiumteilen. Mark 1s Wirbelsäule bestand aus einer Reihe von Kugelgelenken mit Distanzstücken, um die Bewegungsfreiheit einer echten Wirbelsäule zu simulieren. Der Dummy hatte auch ein Satz Stahlrohr-Rippen, Vinylhaut und Schaumstofffleisch, aber steife Gliedmaßen. Andere bis 1956 entwickelte Dummies wurden modifiziert und instrumentiert, um einen ausgewählten Bewegungsbereich zu messen. Dummies in anderen Größen und Gewichten als dem Durchschnitt wurden erstmals hergestellt, und diese post-Mark-1-Dummies wurden für Traktorsicherheit, Froschmänner-Anzüge für Unterwasserfluchten und Flug- und Sicherheitsaspekte der Weltraumforschung für die NASA eingesetzt.

Weltraumprogramme motivierten die nächsten Fortschritte im Dummy-Design. Um die Auswirkungen von Raketenschub auf Astronauten zu bewerten, die in die Sitze von Raumkapseln geschnallt waren, finanzierten die amerikanischen und europäischen Weltraumprogramme die Erfindung des Grumman-Alderson Research Dummy (GARD). Der sitzende Astronaut musste perfekt mit der Schubrichtung ausgerichtet sein, sonst würden sowohl Mensch als auch Sitz verdrehen. GARD war ein wichtiger technologischer Schritt, da die Prozesse der Bestimmung des Schwerpunkts und der Bewertung des Trägheitsmoments (der Neigung, sich bei Beschleunigung zu drehen) in diesem langlebigen Dummy gut instrumentiert waren. GARD wird bis heute für Schleudersitztests verwendet, da die Sitze die Bewegungsbereiche in diesem Mannequin einschränken und sie einfach genug für Ingenieure halten, um Rotationen, Beschleunigungsverläufe und Belastungen zwischen Mensch und Sitz zu messen.

Bis 1966 führten die Luftfahrtindustrie, militärische Luftfahrt und das Weltraumprogramm die Entwicklung von Testdummies an. Die Automobilindustrie wurde 1966 zur treibenden Kraft in der Entwicklung von Crashtest-Dummies, da Automobiltote die Notwendigkeit von Verbesserungen am Rippenkorb, der Wirbelsäule, dem Becken und der Bauchhöhle des Dummys betonten, um Rückhaltesysteme zu bewerten. Mathematische Modelle und Experimente mit separaten Körperbereichen zeigten, dass Bewegungen mit Federverbindungen simuliert werden konnten. Die Federn bewegen sich beim Aufprall und federn auch zurück, sodass Effekte wie Schleudertrauma untersucht werden können. Tests von Beckengurten konzentrierten sich auf Beckenverletzungen, aber die Entwicklung des Schultergurts erforderte, dass der Dummy ein Brustbein (Sternum), Schlüsselbeine und Schulterblätter hatte. Der gegurtete Dummy war mit einem instrumentierten Viszeralsack ausgestattet, der die Bewegungen innerer Organe nachahmte. Instrumentierung wurde auch in Höhlen in Oberschenkeln, Brust und Kopf installiert, damit komplexere Bewegungen und Kraftablenkungen untersucht werden konnten.

1970 wurde deutlich, dass der erwachsene, männliche Dummy die kleineren Proportionen von Kindern und Frauen nicht genau repräsentierte. Tatsächlich wurden einige Verletzungen an kleineren Körpern durch Gurte und Gurtsysteme verursacht, die vom durchschnittlichen Dummy als sicher erwiesen worden waren. Ein größeres Männermodell und der erste weibliche Dummy wurden 1970 produziert und Sierra Stan und Sierra Susie genannt. Im selben Jahr erweiterten sie ihre Familie um Sierra Sammy (sechsjährig) und Sierra Toddler (dreijährig). Keines der Kinder war in der Gewichtsverteilung korrekt, aber zumindest wurden sie erstmals repräsentiert und untersucht.

Das Problem der Bewertung von Kinderverletzungen wurde dadurch verkompliziert, dass viele Kinder bei Autounfällen verletzt werden, weil sie stehen oder nicht konventionell sitzen. Der Bewegungsbereich und potenzielle Aufpralle sind daher für ungesicherte Kinder weit variabler. Neugestaltung der Kinderdummies folgte sofort, und Modifikationen an Kinderdummies blieben von den 1970ern bis 1990ern der am intensivsten verfolgte Bereich des Crashtest-Designs. In den 1970ern gaben verbesserte Daten den Kindern flexiblere Skelette und geschmeidigere Gelenke als Erwachsene, machten sie an verschiedene Positionen im Auto anpassbar und verbesserten die Instrumentierung, damit der breitere Variablenbereich gemessen oder interpretiert werden konnte. Entwicklung und Test von Kindersitzen, Sitzerhöhungen und Airbags erforderten besondere Aufmerksamkeit für Säuglings-, Kleinkind- und Kinderdummies.

Verbesserungen in der Computeranalyse revolutionierten Crashtests Mitte der 1970er Jahre ebenfalls. Computermethoden ermöglichten die Messung von fast vierzig verschiedenen Parametern im Verhalten von Testdummies. Baumaterialien wurden ähnlich verbessert, um realistische, voll gelenkige Dummies möglich zu machen. Um das Verhalten menschlicher Knochen zu replizieren, wurden die Knochen des Dummys aus Glasfaser mit höherer Bruchfestigkeit gefertigt, sodass der Dummy wiederverwendet werden konnte. Diese vielen Anpassungen führten zu immer mehr spezialisierten Dummies, sodass Modelle wie der Supermorphe Dummy exklusiv für Autocrashtests gebaut wurden – sie waren zu zerbrechlich für Auswurftests.

Spezialisierungen bei Flugzeugtestdummies umfassten den Limb Restraint Evaluator (LRE) Anthropomorphen Mannequin, der speziell für die Testung von Rückhaltesystemen zur Verhinderung von Verletzungen durch Herumschlagen beim Auswurf aus Militärjets entwickelt wurde. Andere spezialisierte Dummies testeten experimentelle Fallschirme, Hubschraabstürze und Rennwagen. Zum Beispiel zeigten Tests von Unfällen mit Rennwagen (Typ Indianapolis 500 oder CART-Serie), dass die schweren Rennhelme der Fahrer deren Köpfe vor Aufprallschäden schützen, aber das Helmgewicht das Risiko von Nackenverletzungen erhöht Die ersten Crashtest-Dummies, die in den 1950ern und 1960ern hergestellt wurden, adressierten nicht die Unterschiede zwischen Körperbauformen. Diese ersten Dummies waren statistisch korrekte erwachsene Männer und repräsentierten daher kaum typische Säuglings-, Kinder- und Frauenkörpertypen. 1970 wurden die Mängel der Dummies offensichtlich und verschiedene Körperbauformen hergestellt. weil es den Hals streckt. Der Aufprall eines Indy-Cars in eine Betonwand reduziert die Geschwindigkeit des Autos um 64 km/h in 70 Millisekunden, und der Fahrer spürt einen Aufprall von 60-facher Erdbeschleunigung. Der Sensor-"Black Box" im Dummy wertet alle wirkenden Kräfte 2.000 Mal pro Sekunde aus, während der Crash fortschreitet.

Die Testdummy-Technologie beschleunigte sich erneut mit Design und Test des Airbags. Die Dummy-Familie wurde weiter diversifiziert, um noch mehr Körpertypen einzuschließen. Todesfälle durch Airbag-Auslösung traten am häufigsten bei Personen außerhalb der statistischen Dimensionen auf. Diese "kleinen Insassen außer Position" (OOP) stimulierten weitere evolutionäre Veränderungen in den Mannequins. Airbag-Auslösung unterwarf die Dummies Kräften, die ihre Designfähigkeiten überstiegen. Signifikante Upgrades der Dummy-Familie hatten bis 1997 dank Airbag-Tests und Entwicklung von Seitenaufprall-Airbags stattgefunden.

Rohstoffe

Der Körper des Crashtest-Dummys besteht aus Metallteilen aus Aluminium, Bronze oder Stahl (je nach Design, Zweck und Körperteilen) sowie Metallbeschichtungsmaterialien. Eine Vielzahl von Kunststoffen ist in den meisten Designs ebenfalls integriert, darunter Delrin (ein langlebiger Acetat-Harz), Urethan- und Polyurethanschaum und Vinyl. Die meisten Dummies sind bekleidet, um Realität zu simulieren, und spezifische Lieferanten liefern Kleidung, Farbe und Klebstoffe für die Markierung kritischer Ziel- oder Messpunkte auf den Dummies. Tatsächlich werden nicht nur externe Lieferanten für viele Dummy-Bestandteile genutzt, sondern die bundesstaatlichen Prüfbehörden, die Dummy-Designs genehmigen, schreiben spezifische Lieferanten vor, die für einige Materialien verwendet werden müssen.

Dummy-Hersteller liefern wenig oder keine Instrumentierung. Designs bieten Platz für Instrumentierung, aber diese ist so spezifisch für tatsächliche Testbedingungen, dass die Kunden der Dummy-Bauer ihre eigene installieren. Manche kleine Potentiometer werden manchmal in die Fertigungslinien des Herstellers eingebaut, aber anspruchsvollere Instrumente wie Beschleunigungsmesser und Lastmesssensoren werden vom Kunden aus ihren eigenen Instrumentenpaketen oder spezialisierten Lieferanten ausgewählt.

Design

Das Design von Crashtest-Dummies ist ein komplexer und isolierter Prozess, der auf Regierungsbehörden, Dummy-Hersteller und Kunden wie Automobilhersteller beschränkt ist. Die Dummy-Hersteller sind nicht für die Erstellung eigener Designs verantwortlich. Stattdessen erhalten sie Zeichnungspakete, Sätze von Bauspezifikationen und Spezifikationen für erforderliche Tests von der National Traffic Safety Administration (NTSA). Europäische Agenturen liefern ähnliche Dokumentensätze an Dummy-Hersteller. Basierend auf ihren Erfahrungen im Bau, der Reparatur oder Nachrüstung von Dummies und der Beobachtung ihrer Nach-Unfall-Traumata haben Dummy-Hersteller sowie Nutzer Einfluss auf Designänderungen. Die NTSA basiert ihre Designs auf einer Vielzahl von Daten einschließlich Unfallberichten, Position im Fahrzeug, Variationen in Körperbau und körperlicher Entwicklung, Obduktionen und Simulationen. Biomechanik-Experten analysieren alle verfügbaren Daten und erstellen die Spezifikationen, die an die Hersteller gesendet werden.

Der Herstellungsprozess

Die Herstellung von Crashtest-Dummies ist aufgrund der Designkomplexität und der geringen Anzahl qualifizierter Hersteller weltweit hochgradig proprietär. Alle Design und Konstruktion erfüllen extrem hohe Standards – es gibt keine "B-Grade" Crashtest-Dummies.

1. Wenn das Zeichnungs- und Spezifikationspaket für einen neuen Crashtest-Dummy eingeht, beginnt der Hersteller damit, zu bestimmen, welche Teile und Materialien von spezifischen Lieferanten gekauft werden müssen, welche von einem Kreis zugelassener Lieferanten bezogen werden und welche intern gefertigt werden. Als Beispiele wird Kleidung für die Dummies von einem spezifischen Lieferanten geliefert; für den Schaum, der die Vinylhaut stützt, wird die Benennung spezifischer Lieferanten vermieden, und der Hersteller muss nur bestimmte Äquivalenzwerte erfüllen.
2. Modelle und Formen für zu schneidende oder zu gießende Metallteile werden aus den Konstruktionszeichnungen erstellt, und notwendiges Werkzeug wird vorbereitet, um die Metallteile herzustellen. Sie werden gegossen, geschnitten, bis zu dreimal wärmebehandelt, beschichtet und bearbeitet, um die fertigen Teile zu trimmen, zu glätten und zu verfeinern. Schließlich werden die Metallteile mit den ebenfalls spezifizierten Befestigungselementen montiert.
3. Kunststoffe werden ähnlich designed, gewerkzeugt und durch Spritzguss oder andere dem Teil und Material geeignete Methoden geformt. Kunststoffe werden auch bearbeitet und an die Metallteile montiert oder angepasst.
4. Nachdem der metallische und kunststoffliche Körper des Dummys montiert wurde, wird die Haut an den Dummy angepasst. Einige Hautausführungen bestehen aus Vinyl, das auf den Dummy gegossen wird, wobei Schaum unter das Vinyl injiziert wird, um eine Festigkeit und Geschmeidigkeit zu erzeugen, die dem echten ähnelt. Andere Hautausführungen bestehen aus Vinylstücken, die mit Schaumschichten unterlegt sind. Diese Stücke können wie Kleidung an- und ausgezogen werden. Die den Kopf bedeckende Haut ist ein Einzelteil, das über den Aluminiumschädel passt. Farben sind auch sehr wichtig für die Dummy-Haut. Viele Kunden wünschen Hauttöne, aber Haut mit rötlichen oder gelblichen Farbtönen wird manchmal bevorzugt, wenn der Dummy in gefilmten Tests eingesetzt wird. Die gelben und roten Töne erleichtern die präzise Messung von Bewegungen auf Film.
5. Der Dummy ist mit Öffnungen für Instrumentierung und Verkabelung gestaltet. Diese befinden sich in den größeren Körperteilen einschließlich Schädel, Brust, Bauchhöhle und Oberschenkel. Kleidung wird manchmal im Werk an die Dummies angepasst oder dem Kunden bereitgestellt, damit der Dummy nach Einbau der Instrumentierung angezogen werden kann.

Qualitätskontrolle

Qualitätskontrolle wird von der NTSA (oder anderen Agenturen) strikt vorgegeben, bevor die Fertigung überhaupt in Betracht gezogen wird. Dummy-Monteure sind sich bewusst, dass ihre "Familie" für die Sicherheit tausender Mitglieder der Öffentlichkeit geopfert wird, weshalb sie ein intensives Verantwortungsgefühl für Qualitätsfragen empfinden. Wenn Körperteile fertiggestellt sind und wenn der gesamte Körper und Kopf montiert sind, durchläuft der Dummy eine strenge Testreihe im Kalibrierlabor, wo erforderliche Tests durchgeführt und Messungen vorgenommen werden, um zu bestätigen, dass das Produkt jedem Detail der Konstruktionszeichnungen und Spezifikationen entspricht. Tests umfassen einen Kopffalltest, Thorax (Brust)-Aufprall Der Crashtest-Dummy besteht aus Metallteilen aus Aluminium, Bronze oder Stahl sowie Metallbeschichtungsmaterialien. Eine Vielzahl von Kunststoffen ist in den meisten Designs integriert, darunter Delrin (ein langlebiger Acetat-Harz), Urethan- und Polyurethanschaum und Vinyl. Die meisten Dummies sind bekleidet, um Realität zu simulieren, und spezifische Lieferanten liefern Kleidung, Farbe und Klebstoffe für die Markierung kritischer Ziel- oder Messpunkte auf den Dummies. Tatsächlich werden nicht nur externe Lieferanten für viele Dummy-Bestandteile genutzt, sondern die bundesstaatlichen Prüfbehörden, die Dummy-Designs genehmigen, schreiben spezifische Lieferanten vor, die für einige Materialien verwendet werden müssen. test, und Kalibrierung von Schädel, Nacken, Knien, anderen Hauptgelenken und manchmal anderen Gliedmaßenteilen je nach Verwendungszweck des Dummys. Je nach dem Körpertyp, den der Dummy darstellen soll, variieren die Testergebnisse. Die Kopfmasse eines Kindes ist beispielsweise dramatisch kleiner als die eines Erwachsenen, daher wird der Kopffalltest ganz anders ausfallen. Ein Satz Zertifizierungen – eine Art Geburtsurkunde – bleibt während der gesamten Nutzungsdauer beim Dummy, um seine Kalibrierungstests zu belegen und für Wiederaufbau, Nachrüstung und Neukalibrierung zu dienen.

Nebenprodukte/Abfall

Es gibt keine Nebenprodukte aus der Dummy-Herstellung. Abfall beschränkt sich auf Metall und Kunststoff, die recycelt werden können.

Die Zukunft

Computertechnologien haben den Crashtest-Dummy durch Designverbesserungen, Testmethoden, Miniaturisierung von Instrumenten und Datenanalyse an die Extreme menschlicher Aktivität angepasst. Letztlich könnte sich der Computer jedoch als fatal für die Dummy-Familie erweisen. Computersimulationen werden so raffiniert, dass sie Autounfälle, Fahrzeugschäden und Insassenverletzungen darstellen können. Simulationen sind für Autohersteller attraktiv, da sie einen Teil, wenn nicht alle, zerstörerischen Tests eliminieren, die ca. 750.000 $ pro Test kosten. Fahrzeuginsassen können nach simuliertem Aufprall untersucht werden, und Details von Kopf- und Wirbelsäulenverletzungen besonders können analysiert werden. Bis zu drei Monate Designzeit können aus dem Design-Produktionsplan für ein neues Automodell entfernt werden, und neue Designs können für eine breitere Palette unterschiedlich großer Fahrer und Passagiere sicherer sein.

Dummy-Hersteller hingegen bestehen darauf, dass ihre Familien bleiben. Weitere Modifikationen und Komplexitäten sowie technologische Anwendungen haben Crashtest-Dummies zu verlässlichen Barometern für Fahrzeugleistung gemacht. Regierungsbehörden erkennen dies an und fordern Hersteller auf, Dummies und Sensoren zu produzieren, die sich auf sehr spezifische Verletzungen konzentrieren. 1995 richtete sich der Fokus auf Unterschenkel, Fußbewegungen und Achillessehnenverletzungen durch Frontalaufpralle. Neue Sensoren ließen die Beine des Hybrid 350 (1997 zertifiziert) denen eines bionischen Menschen ähneln. 1999 verlagerte sich der Schwerpunkt auf Heckaufprallkollisionen und die Entwicklung modernster Wirbel durch kooperative Forschung zwischen Behörden, Universitäten und Herstellern. Das Interesse wächst auch an Hautsimulanten, die bei Unfällen blaue Flecken und Abschürfungen erleiden; Daten aus diesen Entwicklungen werden auch Ärzten helfen, Behandlungen für Hautverletzungen zu verbessern. Wie seine menschlichen Pendants entwickelt sich der Crashtest-Dummy weiter zum Zweck, unser Leben und unsere Glieder zu retten.