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Chemie ist ... Sicherheit durch Designfreiheit

23.01.2021 - Football-Helme mit Polymerdämpfung aus dem 3D-Drucker: American Football ist ein faszinierender Sport, der auch hierzulande immer mehr Anhänger findet.

Rasenschach mit maximalem Körpereinsatz: so könnte man American Football ohne Übertreibung auch beschreiben. Wer einmal die Grundregeln und taktischen Finessen dieses Spiels verstanden hat, wird die Begeisterung der Fans verstehen. Durch hunderte einstudierte Spielzüge versucht ein Team das andere zu überlisten und so den Ball in die gegnerische Endzone zu bringen. Der Gegner versucht dies durch Blocken zu verhindern. Im Spiel Mann gegen Mann sind Zusammenstöße vorprogrammiert, daher tragen die Spieler eine Schutzausrüstung.

Denn American Football ist auch ein riskanter Sport, bei dem Verletzungen der Gelenke, aber auch Gehirnerschütterungen an der Tagesordnung sind – zuletzt gesehen beim Divisional Playoff Game des amtierenden Super Bowl Champions Kansas City Chiefs, bei dem Star-Quarterback Patrick Mahomes nach einem Aufprall benommen vom Feld geführt werden musste. Chemiewerkstoffe spielen für die Ausrüstung zum Schutz der Sportler eine zentrale Rolle, ohne Polymere wären bspw. moderne Schutzhelme nicht machbar. In der Regel bestehen Footballhelme aus einer harten Polycarbonat-(PC)-Außenschale mit elastischer Innenauskleidung und sind optional auch mit Visier (ebenfalls aus PC) ausgestattet. Im Zusammenspiel mit modernsten Fertigungstechniken wie 3D-Druck entfalten die Werkstoffe neue, ungeahnte Möglichkeiten.

Keine Sportart verzeichnet mehr Gehirnverletzungen wie American Football. Lange Zeit wurde das Problem von der National Football League (NFL) ausgeblendet, doch inzwischen geht es die Liga aktiv an und hat sich eine Reform des Spiels auf die Fahne geschrieben. Regeländerungen sollen das Verletzungsrisiko reduzieren, ohne dem Sport die Dynamik zu nehmen. Ein zweiter wichtiger und offensichtlicher Schutzfaktor ist die Ausrüstung der Spieler. So entwickeln Helmhersteller – von der NFL mitfinanziert – immer ausgefeiltere Konzepte, um, die Wirkung von Kopftreffern zu minimieren.

Ein Beispiel ist das aktuell in der NFL verwendete Helmmodell der Marke Riddell, dessen 3D-gedruckte Dämpfungselemente aus EPU nach vorangehendem 3D-Scan individuell an den Kopf des Athleten angepasst werden. Der US-Sportartikelhersteller hat sich Unterstützung vom 3D-Spezialisten Carbon geholt und eine Helmauskleidung entwickelt, die aus einzelnen Pads zusammengesetzt ist und aus mehr als 140.000 einzelnen, zu einem Netzwerk 3D-gedruckten Verstrebungen besteht. Als Material wird ein elastisches Polyurethan (EPU) verwendet. Nach 3D-Scans des Kopfes wird so für jeden Spieler eine maßgeschneiderte Helmauskleidung erstellt.

Sensoren machen den Helm zudem intelligent und erfassen bei einem Aufprall Daten, die in Echtzeit zur Analyse an das Betreuerteam gesendet werden. Diese Aufpralldaten werden zudem zur Weiterentwicklung des Helmdesigns und zur Optimierung der Gitterstruktur verwendet.

Schutt, ein anderer Hersteller, verwendet in seinem Helmmodell äußere "tektonische Platten", die sich unabhängig vom Rest des Helms bewegen, um Rotationskräfte beim Aufprall zu abzumildern.

Und Vicis, ein Newcomer auf dem Helmmarkt, stellt mit seiner Entwicklung das traditionelle Helmdesign einer harten Polycarbonat-Außenschale mit elastischer Innenauskleidung buchstäblich auf den Kopf. Eine steife, gepolsterte Kunststoffschale im Inneren schützt beim Zero-1-Helm immer noch vor Schädelbrüchen, aber es ist die Außenfläche aus einem flexiblen Polymer, die sich beim Aufprall lokal verformt und diesen abdämpft - ähnlich eines Stoßfängers an einem Auto. Die äußeren und inneren Schichten des Helms sind durch eine Matrix von Säulen verbunden, die sich in alle Richtungen biegen, um lineare und vor allem rotatorische Kräfte zu absorbieren. (mr)

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