5.Chemnitzer Textilmaschinentagung - Cetex Institut für Textil

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für behindertengerechte Sitze
6.5 Faserverbunde in ultraleichten ergonomischen
klimaaktiven Sitzmodulen für behindertengerechte
Sitze
Referent: Dr.-Ing. Dietrich Kresse,
Dipl.-Ing. Matthias Horn, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Bernhard Wielage,
Institut für Konstruktion und Verbundbauweisen, Chemnitz,
Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Heinrich, Dipl.-Ing. Bert Böhme,
Cetex Institut für Textil- und Verarbeitungsmaschinen
gemeinnützige GmbH, Chemnitz,
Dipl.-Ing. Henrik Dommes, Faserinstitut Bremen
1 Einleitung
Es ist bekannt, dass in einer Informations- und Dienstleistungsgesellschaft, in welcher
an vielen Stellen zusätzlich immer mehr individuelle Mobilität verlangt wird, das
relativ passive Sitzen eines Menschen in Fahrzeugen, Büros aber auch an Spezialarbeitsplätzen
wie zum Beispiel in Großraumbaggern oder Krananlagen gezwungenermaßen
immer mehr zur bevorzugten Körperhaltung wird.
Entsprechend entwickeln sich Ansprüche, Sitzfunktionen, Sitzkonzepte und die notwendigen
Technologien der Herstellung in den verschiedensten Anwendungsbereichen
immer weiter. Das fast grundsätzlich bei einer technischen Weiterentwicklung
auftretende Spannungsfeld zwischen Funktionsvielfalt, Funktionskomplexität und
dem dafür notwendigen Bauteilgewicht, gewinnt daher auch im Bereich moderner
Sitze immer mehr an Bedeutung. Dabei ist die konkrete Ausprägung dieses Spannungsfeldes
von Anwendung zu Anwendung verschieden. Die Aufgabe, optimale ergonomische
Eigenschaften und eine möglichst große Überlastsicherheit bei möglichst
geringem Strukturgewicht darzustellen, bleibt aber in allen Fällen im Wesentlichen
gleich.
Die Verfügbarkeit an Energieressourcen hält diesen wachsenden Ansprüchen heute
schon und in naher Zukunft erst recht nicht stand. Aus diesem Hauptgrund und auch
wegen der globalen Notwendigkeit, die beim Treibstoffverbrauch anfallenden Schadstoffemissionen
zu reduzieren, sind zum Beispiel neue Konzepte für ultraleichte, im
Einsatz energiesparende komfortable und individuell angepasste serientaugliche Sitze
in Fahrzeugen aller Arten von größtem Interesse. [1] [2] [3]
2 Stand der Technik
2.1 Fahrzeugsitze allgemein
Renommierte Sitzhersteller befassen sich infolge einer zu erwartenden Nachfrage
immer intensiver speziell mit der Entwicklung von sehr leichten aber festen und steifen
Fahrzeugsitzen. Bisherige Sitzkonzepte für Sitze allgemein sind abgesehen von
Ansätzen in der Flugzeugindustrie und der Raumfahrt zu schwer, zu teuer, nicht auf
individuelle Ansprüche angepasst, besitzen nur ungenügende klimaphysiologische
Eigenschaften und keine ausreichenden Komfortbedingungen. In den unterschiedlichsten
Bereichen der Fahrzeugindustrie besteht ein dringender Bedarf an innovativen
Sitzen, insbesondere hinsichtlich Leichtbaus, Ergonomie und ökonomischer
Herstellung. Faserverbundbauweisen bieten dazu viele Möglichkeiten. Bekannte
Technologien für komplexe Baugruppen aus faserverstärkten Kunststoffen, FVK, sind

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nur unzureichend für Serien oder Großserien geeignet. Dadurch leitet sich ein erheblicher
und weiter wachsender Kostendruck auf die Sitzhersteller ab, und es entstehen
bei der Produktion von Sitzen und deren Komponenten hohe Zielanforderungen.
Auf dem Gebiet der Sitzherstellung hat in den letzten 20 Jahren kein Entwicklungssprung
stattgefunden. Bisher nehmen insbesondere die Fortschritte in der Materialtechnik
und bei den Fertigungsverfahren von Faserverbundwerkstoffen und textilen
Halbzeugen als Grundmaterial für Verbundwerkstoffe und als Polsterungs- und Bezugsmaterial
einen sehr geringen Einfluss auf faserverstärkte Fahrzeugsitze, so dass
diese zu schwer, unbequem und in Fertigung und Montage zu kostenintensiv sind. [1]
[2] [3]
2.1.1 Behindertengerechte Sitze
Im Besonderen gilt das passive Sitzen eines Menschen für behinderte Kinder, die
sowohl auf fremde Hilfe als auch auf ein beschwerdefreies körpergerechtes und komfortables
Sitzen in einem behindertengerechten Kindersitz angewiesen sind.
Abb. 1: Sitzsystem EASyS - multifunktional und ergonomisch anpassbar [4]
Abb. 1 zeigt aus dem Stand der Technik zwei multifunktional und ergonomisch anpassbare
Kindersitze, das Sitzsystem EASyS der Firma Thomas GmbH, welche als
Ausgangsprodukte für die Projektarbeiten dienten.
Ein bisheriger Behindertensitz besteht in seiner Rahmenkonstruktion aus Metallprofilen
und Blechen für Sitzflächen, Lehne, Fuß- und Kopfstütze. Im Sitzbereich gibt es
vielfältige Einstellungsmöglichkeiten. Dazu gehören die Variation der Sitzlänge durch
zwei aufeinander liegende Bleche, die Variation der Sitzbreite über Verschieben der
Seitenführungs-Winkel und die Variation der Längslage der Seitenführung. Weiter
sind Länge und Winkel der Lehne, Höhe und Winkel der Fußstütze und Lage der
Kopfstütze einstellbar. Über einen Adapter mit mechanischem Klinkenverschluss wird
der Sitz auf einem fahrbaren Untersatz lösbar und fest verbunden.
2.1.2 Aufgabenstellung
Die Aufgabe war, optimale ergonomische Eigenschaften und eine möglichst große
Überlastsicherheit bei möglichst geringem Strukturgewicht für die wesentlichen Sitzmodule
zu entwickeln, herzustellen und in einem Funktionsmuster zu testen. Faserverbundkunststoffe
(FVK) bieten dazu viele Möglichkeiten. Bekannte Fertigungstechnologien
für komplexe Baugruppen aus FVK sind bedingt durch den hohen personellen
Einsatz unzureichend für Großserien geeignet. Der erhebliche Kostendruck erfordert
neue Fertigungstechnologien zur Erstellung von FVK.

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Ziel der Forschungsarbeit war damit, die Entwicklung ultraleichter ergonomischer
klimaaktiver Module für Sitze, die zunächst im Bereich der Pädiatrie eingesetzt werden
sollen. Die Sitzmodule sind unter Verwendung von technischen Textilien und
Verbundwerkstoffen herzustellen, da in diesem Bereich das größte Potential in Bezug
auf eine Gewichtseinsparung besteht.
3 Projektpartner
Für einen neuartigen Leichtbau-Sitz sind materialspezifisch unterschiedliche ultraleichte
Sitzmodule notwendig. Zwecks ergonomischer Optimierung und erheblicher
Komfortsteigerungen des Sitzes wurden in einem branchenübergreifenden Verbundprojekt
neue ultraleichte FVK-Sitzmodule von den Projektpartnern Faserinstitut Bremen,
Fibre, dem Institut für Konstruktion und Verbundbauweisen, KVB, in Chemnitz
als Projektkoordinator und leichte klimaaktive Platz sparende abgepasst herzustellende
textile Abstandsgewirke als Sitzpolster von dem Institut für Textil- und Verarbeitungsmaschinen
gemeinnützige GmbH, CETEX, in Chemnitz und der Firma Spitzen
und Gardinen, Spiga, in Falkenau entwickelt, hergestellt und lösbar befestigt.
Praktische Anwendung finden die neu zu entwickelnden Sitzmodule und Polsterelemente
in einem Funktionsmuster auf Basis der in Abb. 1 dargestellten Sitze des Sitzsystems
EASyS der Fa. Thomas Technik, ebenfalls Projektpartner und fachlicher
Koordinator für die durch den Markt bestimmten Festlegungen zur Anforderungsliste.
4 Präzisierung der Aufgaben / Entwicklungskonzept
Im Projekt wurde ein neues Sitzkonzept entwickelt, welches unter Einsatz von Faserverbundwerkstoffen
und neuartigen Textilien einen größtmöglichen Komfort, beste
klimaphysiologische Eigenschaften bei geringem Gewicht bietet und den Anforderungen
sowohl aus Sicht der Pädiatrie als auch der Herstellbarkeit des potentiellen
Sitzherstellers Thomas Technik entsprechen sollte.
Folgende Anforderungen gelten für die Faserverbundbauteile:
• ähnliche Steifigkeit und Festigkeit wie Referenz-Original-Bauteile,
• hohe Verschleißbeständigkeit,
• geringeres Strukturgewicht als bisherige Komponenten,
• geringere Montagezeit als Standard-Bauteile,
• keine Erhöhung der Fertigungskosten und
• nur geringfügige Geometrieänderungen der Bauteilstruktur.
FVK-Bauteile als ultraleichte Module des behindertengerechten Sitzes
Für das KVB wurden zur Entwicklung bestimmt:
• die verstellbare Sitzplatte als eigentliche Sitzfläche,
• eine linke und rechte Seitenführung,
• die Kopfstütze,
• die Fußstütze und
• die Rohrkonstruktion des Untergestelles.

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Für das Fibre wurden zur Entwicklung bestimmt:
• der Rahmen für die Rückenlehne und
• der Sitzadapter.
Sitzpolstermodule als ultraleichte Module des behindertengerechten Sitzes
Für CETEX und Spiga wurden zur Entwicklung bestimmt:
• die ultraleichten klimaaktiven Sitzpolstermodule.
5 Konstruktion ultraleichter FVK-Sitzmodule
5.1 Sitzfläche mit Masseeinsparung von 443 g
Von der bisherigen Sitzflächenkonzeption ist in Abb. 2 das CAD-Modell gezeigt. Das
verwendete Blechmaterial ist Aluminium mit einer Wandstärke von ca. 2 bis 3 mm.
Damit sind die Teile steif und besitzen eine ungenügende Federwirkung. Diese ist
ausschließlich von der Polsterung zu erbringen. Subjektiv hinterlässt der Sitz einen
stabilen, aber auch schweren unbequemen Eindruck.
Abb. 2: Sitzkonstruktion des bisherigen Sitzes links, ein neuer Entwurf rechts
Die Blechteile sind eben, teilweise abgewinkelt ausgeführt und ermöglichen so das
Verschieben. Die Entwicklung von belastungsgerecht gestalteten Leichtbauteilen
führt über die Erfassung der zu ertragenden Belastungen, den Analysevergleich der
bisherigen Sitzmodule mit neuen Konstruktionsentwürfen, wie zum Beispiel für die
Sitzflächenkonstruktion in Abb. 2 links des bisherigen Sitzes mit einem neuen Entwurf
rechts im Bild, die Dimensionierung mit Entwurfsrechnungen, die Nachrechnung
mit einem schrittweise angenäherten Finite-Elemente-Modell, FEM, zur Konstruktion
des Werkzeuges und letztlich zur Herstellung des Bauteiles, zum Beispiel einer GFK-
Blattfeder, wie es Abb. 3 links, in der Mitte und rechts zeigt.
Abb. 3: CAD-Modell, FEM-Modell und Muster einer GFK-Blattfeder

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Das Muster einer mit GFK-Blattfedern konzipierten Sitzfläche wurde hergestellt und
vom Institut für Innovationen im Gesundheitswesen und angewandte Pflegeforschung,
IGAP, in Bremervörde getestet. Danach bewirkt die Zweiteilung der Sitzfläche
einen Kippeffekt. Dieser kann unerwünschte Fehlhaltungen des Körpers beim
Patienten verstärken. Im Ergebnis entsprachen die möglichen Bewegungen, welche
ein Proband beim Sitzen auf dieser mit GFK-Blattfedern gelagerten Sitzfläche ausführen
konnte, nicht der Bewegungsfreiheit, die für eine unbewusste mikrostimulierende
Wirkung auf die kleine Wirbelsäulenmuskulatur eines behinderten Kindes notwendig
ist, damit dieses Kind 12 Stunden und länger mit einem therapeutischen
Wohlfühl-Effekt sitzen kann. Behinderte Kinder sind zum Teil nicht in der Lage, ihren
Körper bewusst aufrecht zu halten.
Abb. 4: CAD-Modell der CFK-Sandwich-Sitzplatte mit Gummifederung
In Auswertung dieser Erfahrungen wurde das in Abb. 4 gezeigte räumlich beweglichere
Gummi-Feder-System gesucht und ausgewählt, welches mit jeweils einem
Gummifeder-Schwingelement an den Sitzflächenecken die gewünschte Beweglichkeit
erlaubt. Das in Abb.5 dargestellte Sitzplattenmuster wurde nach den genannten
Kriterien getestet, für ein mikrostimulierendes Sitzen positiv bewertet und in die
Konstruktion des Labormusters mit einer Masseeinsparung von 443 g integriert.
5.2 linke und rechte Seitenführung mit Masseeinsparung von 266 g
Die im Originalsitz als flache 3 mm dicke Aluminiumbleche ausgeführten Seitenführungen
wurden, wie Abb. 5 links zeigt, ersetzt durch CFK-Teile, 1 mm dicke 3D-
Schalen mit umlaufendem Rand und tiefer gelegten Langlöchern modelliert und hergestellt.
Diese sind bei notwendiger Steifigkeit ca. 266 g leichter. In Abb. 5 rechts
sind diese verschieb- und justierbar an dem Sitzmodul befestigt.
Abb. 5: CFK-Seitenführungen und CFK-Sandwich-Sitzplatte mit Gummifederung

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5.3 Kopfstütze mit Masseeinsparung von 483 g
Das Leichtbaukonzept für die Kopfstütze baut auf vereinfachten Verstell- und Halteelementen
auf, welche durch die höheren Festigkeiten faserverstärkter Leichtbauteile
sowohl größere Klemmkräfte als auch größere Stützbelastungen in einem Crashfall
sichern siehe Abb. 6. Die Trägerplatte des Schaumpolsters zur Abstützung des Kopfes
ist aus einer hochfesten ausgeformten CFK-Schaum-Sandwich-Struktur, wie es
Abb. 6 in der Mitte zeigt. Dabei tragen der CFK-Werkstoff, die Bauteilstruktur und die
spezifischen Festigkeiten mit geringer Dichte und hoher Festig- und Steifigkeit zum
ultraleichten Bauteilkonzept und einer Masseeinsparung von 483 g bei. Abb. 6 zeigt
rechts die komplette CFK-Kopfstütze am Sitzrahmen montiert.
Abb. 6: Kopfstütze als CAD-Modell links, CFK-Schaum-Kopfstütze Mitte und rechts
5.4 Fußstütze mit Masseeinsparung von 348 g
Besonders im Hinblick auf den Missbrauchslastfall, bei dem der Benutzer mit vollem
Körpergewicht auf der Vorderkante der Fußstütze steht, ist es erforderlich, dass die
Fußstütze eine stabile und zuverlässige Kraftaufnahme garantiert. Belastungsgerecht
ist die Fußstütze in Hybridbauweise entwickelt, wobei die Integration eines 2 mm dicken
abgewinkelten Aluminium-Einlegeteiles, in Abb. 7 links schwarz dargestellt, der
Krafteinleitung in die Faserverbundschale dient. Zwecks Massereduktion ist die
Schale in Sandwich-Bauweise ausgeführt. Die Deckschichten weisen eine Dicke von
jeweils 0,5 mm auf, der Schaumkern 2 mm. Im Bereich der Metallbügel wird das
Kernmaterial ausgespart. Auf diese Weise lässt sich eine gleichbleibende Wandstärke
erreichen. In Abb. 7 ist links das CAD-Modell und rechts eine hergestellte und bereits
im Sitzgestell montierte Fußstütze zu sehen. Die Möglichkeiten zur Optimierung
der Bauteilstruktur sind mit der realisierten Masseneinsparung von 348 g nicht vollständig
ausgeschöpft.
Abb. 7: Fußstütze in CFK-Alu-Hybridbauweise, links CAD-Modell, rechts als Bauteil montiert

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5.5 Rohrkonstruktion des Untergestelles mit Masseeinsparung von 324 g
Die aus Stahl bestehenden Verbindungsrohre des Original-Untergestells beinhalten
ein erhebliches Leichtbaupotential. Deshalb wurden sie in die Untersuchungen einbezogen.
Das Ergebnis ist die Substitution von Stahl durch CFK in Form von pultrudierten
CFK-Rohren mit identischen Abmessungen. Es konnten bei Einhaltung der
notwendigen Stabilität ca. 324 g eingespart werden. Das in Abb. 8 dargestellte Untergestell
des Sitzes besteht jetzt aus zwei spritzgegossenen Kunststoffteilen, welche
durch zwei pultrudierte CFK-Rohre verbunden sind und so die Stabilität des Untergestells
garantieren.
Abb. 8: Rohrkonstruktion des Untergestells mit CFK-Verbindungsrohren
5.6 Fazit für die FVK-Bauteile des KVB
Die durch konsequenten Strukturleichtbau erreichte Masseeinsparung der einzelnen
FVK-Sitzmodule des KVB sind in Tabelle 1 aufgelistet. In Summe konnten mit den in
Tabelle 1 vorgestellten Sitzmodulen 1.864 g Masse eingespart werden.
Tabelle 1: Masseeinsparung durch ultraleichte FVK-Sitzmodule
Sitzmodul Masse [g] - alt Masse [g] - neu Masseeinsparung [g]
Sitzplatten 664 221 443
Seitenführung 2mal 174 2mal 41 266
Kopfstütze 786 303 483
Fußstütze 1023 675 348
Verbindungsrohre 2mal 205 2mal 43 324
Gesamtmasse 3.231 1.367 1.864
5.6.1 Rohrrahmen für die Rückenlehne mit Masseeinsparung von 180 g = 50%
Zur Fertigung einer Sitzstruktur aus FVK ist besonders im Lehnenbereich die Schalenbauweise
optimal. Wegen der vom Sitzhersteller Thomas Technik gestellten Anforderungen
musste jedoch die Sitzstruktur der bisherigen Rahmenbauweise entsprechend
entwickelt und hergestellt werden. Bei Beachtung der hauptsächlichen
Bewertungskriterien Gewicht und Kosten kommen für den Rahmen vier Herstellmöglichkeiten
mit unterschiedlichen Faserhalbzeugen in Betracht:
• das Pultrusionsverfahren mit Triaxialgelege,
• das Schlauchblasverfahren mit Flechtschlauch,
• die Langfaserextrusion mit Rovings und
• das Spritzgießen von langfaserverstärktem Thermoplast (LFT) mit anschließender
Wasserinjektionstechnik (WIT)

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Aufgrund fehlender Belastungsdaten bei einer Unfallsituation konnte kein Lastszenario
der einzelnen Sitzelemente und im Besonderen des Rahmens mit FEM-Analyse
erstellt und ebenso keine Aussage über Potenziale und Sicherheiten getroffen werden.
Der Standard-Sitz wird in einem Crash-Test geprüft, siehe Abb. 9. Die Geschwindigkeit
beträgt hierbei 14 m/s und die negative Beschleunigung 235 m/s². Es
werden die Belastungen auf einen Dummy und nicht die wirkenden Kräfte auf den
Sitz gemessen. Der Sitz hat den Test bestanden, wenn der Dummy keine schweren
Schäden aufweist und sich keine Teile schwerer als 100 g vom Sitz lösen.
Abb. 9: Sitz mit Dummy vor dem Crash-Test links und danach rechts
Abb. 10 zeigt links den Entwurf und rechts das fertige CFK-Bauteil des Rahmens im
Schlauchblasverfahren. Die eingezeichneten Gelenkwinkel werden im Werkzeug positioniert
und über bei der Harzinjektion mit dem Rahmen verklebt. Eine zusätzliche
Vernietung ist nicht erforderlich. Die Masseeinsparung beträgt mit 180 g = 50 % des
Originalgewichtes von 360 g.
Gelenkwinkel Gelenkwinkel
Abb. 10: Prototypenrahmen für den Ultra-Sitz, CAD-Entwurf links, CFK-Bauteil rechts

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5.6.2 Sitzadapter mit Masseeinsparung von 610 g = 63 %
Der fasergerecht konstruierte Sitzadapter aus Organoblechen in Abb. 11 rechts hat
ein gegenüber dem Originalteil links im Bild ein geändertes Design. Die Kontaktflächen
zur Montage der Winkel und Laschen zur Kraftaufnahme mussten wesentlich
vergrößert werden. Der neue Sitzadapter besteht aus einer Grundplatte, die zur Erhöhung
der Biegesteifigkeit mit äußeren Kanten versehen ist. Die Kanten bilden mit
der Grundplatte einen Winkel von 105°, so dass beim Thermoformen der Pressdruck
auch an den Kantenflächen wirken kann. Die Lasteinleitungselemente sind großflächig
mit der Grundplatte verschweißt. Es sind keine zusätzlichen Niete erforderlich.
Abb. 11: Standard-Sitzadapter, links und CAD-Modell des Organoblech-Sitzadapter, rechts
Die Rohre aus PA können sehr gut mit den Organoblechen über Ultraschall verschweißt
werden. Durch die Faserorientierung in ±45° und die umlaufenden Kanten
hat der Sitzadapter eine vergleichbare Torsionssteifigkeit wie die bisherige Konstruktion.
Abb. 12 zeigt links den Standard-Sitzadapter im Original und rechts den neuen
CFK-Sitzadapter mit Organoblechen. Das Gewicht beträgt statt 970 nur 360g. Somit
wurde das Bauteilgewicht um 63% also um 610 g reduziert.
Abb. 12: Standard-Sitzadapter, links und neuer CFK-Sitzadapter mit Organoblechen, rechts

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5.7 Fazit für die FVK-Bauteile des FIBRE
Der Rohrrahmen für die Rückenlehne mit umflochtenen Carbonfasern hat zwar nicht
die gleiche Biegesteifigkeit wie der Aluminium-Rohr-Rahmen, wiegt aber nur 180 g.
Dies entspricht einer Gewichtsreduzierung von 50%. Für die gleiche Biegesteifigkeit
wäre ein größerer Rohrdurchmesser erforderlich gewesen, jedoch ließen sich dann
die für den Demonstrator 2 notwendigen Gelenkwinkel nicht mehr einsetzen.
Der Sitzadapter besteht aus Organoblechwinkeln und aus der handlaminierten
Grundplatte. Das Handlaminieren ist sehr zeitaufwendig, gestattet es nicht, die gewünschten
Faservolumengehalte zu erreichen und macht die Qualität des Bauteils
stark vom Geschick des Mitarbeiters abhängig. Das Fertigungsverfahren ist ebenfalls
nicht für eine Serienproduktion geeignet.
Die Massereduzierungen der Sitzmodule Rohrrahmen und Sitzadapter sind in
Tabelle 2 zusammengefasst und betragen in Summe:
Tabelle 2: Masseeinsparung durch ultraleichte FVK-Sitzmodule
Sitzmodul Masse [g] - alt Masse [g] - neu Masseeinsparung [g]
Rohrrahmen für Rückenlehne 360 180 180
Sitzadapter 970 360 610
Gesamtmasse 1.330 540 790
6 Entwicklung ultraleichter klimaaktiver Sitzpolstermodule
Die vom Cetex Institut für Textil- und Verarbeitungsmaschinen gemeinnützige GmbH
und der Firma Spitzen und Gardinen, Spiga, entwickelten Abstandsgewirke erfüllen
aufgrund ihrer druckelastischen und klimaphysiologischen Eigenschaften die hohen
Anforderungen an ein im Rehabilitationsbereich eingesetztes Sitzpolster.
Für einen neuartigen Leichtbau-Sitz werden spezielle ultraleichte Sitzmodule eingesetzt.
Zwecks ergonomischer Optimierung und erheblicher Komfortsteigerungen des
Sitzes wurden neue klimaaktive, Platz sparende und abgepasst herzustellende textile
Abstandsgewirke als Polster entwickelt, hergestellt und geeignet befestigt.
Praktische Anwendung finden diese Polsterelemente als Sitzpolster für das Sitzsystem
EASyS der Firma Thomas Technik.
Die Firma Thomas- Technik besitzt ein umfangreiches Fachwissen speziell auf dem
Gebiet der Kinderrehabilitation. Thomashilfen entwickelt und vermarktet unter anderem
spezielle Produkte für den Kinder- Reha- und Pflegebereich, wie das bereits erwähnte
EASyS, ein hochergonomisches Sicherheits- Sitzsystem.
6.1 Abstandsgewirke als Hilfsmittel zur Therapie
Hauptsächlich wird das oben genannte Sitzsystem EASyS (Kinderrollstuhl) als Hilfsmittel
für an Cerebralparese (CP) erkrankte Kinder angewendet. CP ist eine vom Gehirn
ausgelöste Lähmung oder Bewegungseinschränkung.
Ziel des Systems ist die Rehabilitation sowie die stete Verbesserung des körperlichen
Wohlbefindens dieser Kinder.
Ein endkonturnahes Polster aus 3D-Gewirke bringt entscheidende Vorteile für das
Sitzsystem. Wegen der speziellen Eigenschaften des 3D-Gewirkes ist eine optimale
Thermoregulation durch Druckverminderung, Feuchteabtransport und Wärmeab-
bzw. –zufuhr gewährleistet. Die individuelle Sitz- bzw. Liegeposition sowie die Größenanpassung
sind durch textile Gelenke einstellbar. Spezielle Funktionssektoren

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gewährleisten eine optimale Stütz- bzw. Entlastungsfunktion. Ein hygienisch einwandfreier
Wiedereinsatz durch Wasch- und Desinfizierbarkeit ist garantiert. Die
Polsterelemente kommen meist ohne zusätzliche Bezugsstoffe aus.
Therapeutisch notwendige Elemente wie Tuberkante im Sitzbereich und Abduktionsführungen
im Beinbereich werden direkt in das Sitzpolster eingearbeitet. Der Sitzbereich
teilt sich somit in zwei Zonen mit unterschiedlichen Eindruckhärten. Die Tuberkante
wird härter gestaltet als die für die Sitzhöcker vorgesehenen Polsterteilelemente.
Die Beine werden über eine mit höherer Eindruckhärte gestaltete Abduktionsführung
in einer weicheren Zone gehalten.
Trotz der vielen in das Sitzpolster integrierten Funktionselemente wird das Ausgangsteil
in einem Arbeitsgang hergestellt. Eine anschließende Konfektionierung ist
allerdings zusätzlich notwendig.
6.2 Herstellung des Sitzpolsters
Polster aus Abstandsgewirke werden immer für einen konkreten Einsatz entwickelt.
Sie müssen folglich konkrete geometrische und polsterelastische Eigenschaften aufweisen.
Um diese Eigenschaften realisieren zu können, werden entsprechende maschinentechnische
und textiltechnologische Parameter ermittelt und festgelegt.
Abb. 13: Musterfertigung
Die Umsetzung des Polsters sowie der oben beschriebenen Funktionselemente erfolgte
mit den Mitteln der 3D-Wirktechnik. Die Fertigung erster Muster (Abb. 13) erfolgte
auf einer Kettenwirkmaschine Typ HighDistance der Firma Karl Mayer Textilmaschinenfabrik
GmbH, Obertshausen.
Auf der Suche nach der optimalen Deckfläche wurden verschiedene Bindungen getestet.
Die bisherige Gestaltung der textilen Oberflächen in Franse-Schuss-Bindung ergibt
eine relativ offene Oberflächenstruktur. Um die im Rollstuhl sitzenden Kinder besser
vor Umwelteinflüssen (beispielsweise Wind) schützen zu können, wurden auf Hin-

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weis der Firma Thomas Technik die Sitzpolster variiert. Es entstanden Varianten für
geschlossene und offene Oberflächen.
6.2.1 Kombibindung
Die Grundlegeschienen L2 und L5 arbeiten eine Maschebindung, die in Abb. 14
schwarz dargestellt ist.
Abb. 14: Legungsmuster für Grundlegeschienen
Die grüne Darstellung zeigt die von den Grundlegeschienen L1 und L6 ausgeführte
Schussbindung.
6.2.2 Trikotbindung
Beide Grundlegeschienen je Maschinenseite (L1 und L2 sowie L6 und L5) arbeiten
gegenlegig eine Maschebindung (Trikotbindung) mit gleichem Fadenverbrauch.
Abb. 15: Legungsmuster für Grundlegeschienen

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Damit wäre es möglich, jeweils beide Legeschienen von einem Kettbaum aus arbeiten
zu lassen. Abb. 15 zeigt das Legungsmuster für die Grundlegeschienen L1 und
L2 sowie L6 und L5.
6.2.3 Atlasfilet
Mit Atlasfilet-Bindung wird eine offene Oberflächenstruktur, siehe Abb. 16 links und
eine geschlossene Oberflächenstruktur in Abb. 16 rechts erzielt.
Atlasfilet, zweireihig, offen Atlasfilet, zweireihig, geschlossen
Abb. 16: Mustervarianten für Grundlegeschienen
In weiteren Arbeitschritten wurde das vorhandene Sitzpolster unter therapeutischen
und optischen Aspekten verbessert.
Therapeutisch notwendige Elemente wie Tuberkante (im Sitzbereich) und Abduktionsführungen
(im Beinbereich) wurden eingearbeitet (Abb. 21).
Die endgültige Sitzpolstervariante ließ sich mit dem Grundwarenmuster Atlasfilet,
zweireihig geschlossen herstellen.
Die Fertigung erfolgte auf einem älteren Maschinentyp. Umfangreiche Maschinenumbauten
waren deshalb notwendig. Für die Realisierung einer Masche-Masche-
Bindung ist die verwendete Wirkmaschine nicht ausgelegt. Zur Realisierung der geforderten
Masche-Masche-Bindung musste die Zungennadelbewegung durch Verdrehen
der Antriebskurvenscheiben auf der Antriebswelle verschoben werden. Der
erforderliche Verdrehwinkel wurde mit einem CAD-Getriebeprogramm ermittelt. Abb.
17 zeigt die alte und neue Lage der Kurve für die Hubbewegung der Zungennadel.
Die neue Nadelhubbewegung ermöglicht ein Fangen der Überlegung durch das längere
Verweilen in der oberen Lage. Die Koppelkurve wird insgesamt enger, d. h. Auf-
und Abbewegung der Nadel nähern sich an.

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Abb. 17: Lage der Zungennadelhubbewegung
A - Kurve Zungennadelhub alt, B - Kurve Zungennadelhub neu
Wegen der veränderten Nadelhubbewegung müssen alle Legeschienen neu in ihrer
Lage zu den Zungennadeln und zueinander mit einem Abstand von 0,3 mm eingestellt
werden. In Abb. 18 sind die Legeschienen in ihrer neuen Lage dargestellt.
Abb. 18: Einstellung der Legeschienen auf 0,3 mm Abstand
Die unterschiedlichen Härtezonen im Sitzbereich, wie in Abb. 21 dargestellt, werden
über die Voreinstellung verschiedener Werte der Polfadendichte realisiert. Im Beinbereich
ist es möglich, zur Erzeugung der Abduktionsführungen ebenfalls mit unterschiedlichem
Einzug der Pollegeschienen zu arbeiten.
Im Anschluss an die Gewirkeherstellung folgen, wie in Abb. 19 dargestellt, der Prozess
der Thermofixierung, welcher für die Einstellung der endgültigen Gebrauchseigenschaften
des textilen Werkstückes unbedingt notwendig ist und die Konfektionierung.

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Abb. 19: Thermofixierung
Optisch lässt sich das Sitzpolster durch eine kindgerechte Farbgestaltung, in einer
ersten Ausführungsvariante blau-schwarz, siehe Abb. 20, aufwerten.
Abb. 20: Sitzpolster, thermofixiert und konfektioniert
Die gewünschten und eingestellten druckelastischen Eigenschaften sind mittels einer
Materialprüfmaschine nach DIN EN ISO 3386-1 und DIN EN ISO 2439 zu prüfen und
im laufenden Produktionsprozess zu überwachen.
Abb. 21 zeigt die Lage der Nähte und der Funktionselemente Tuberkanten- und Sitzbereich.
Zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften dient die in Abb. 22 dargestellte
Kurve der Druckspannungs-Verformungseigenschaften. Die Druckspannung im Sitzpolster
in kPa und die Stauchung des Polsters in % werden durch Aufsetzen und Absenken
eines Prüfstempels messtechnisch erfasst und aufgezeichnet.
Für den Bereich der Abduktionsführungen im Vergleich zum übrigen Beinbereich liegen
keine Messungen vor. Für diese relativ schmalen Bereiche ist noch kein entsprechender
Prüfstempel in der angewendeten Messeinrichtung verfügbar. Bei manueller
Prüfung wird jedoch der Unterschied in der Eindruckhärte deutlich.

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Abb. 21: Sitzkissen mit Funktionselementen
1 – Tuberkantenbereich, 2- Sitzbereich
Abb. 22: Ausschnitt aus Messprotokoll Sitzpolster
Messkurve 1 in Abb. 22 zeigt den Druckspannungsverlauf im Tuberkantenbereich,
Messkurve 2 den des Sitzhöckerbereiches. Der Tuberkantenbereich weist deutlich
höhere Werte für die Eindruckhärte auf. Somit ist das angestrebte therapeutische
Ziel erreicht.
6.3 Fazit für die Sitzpolsterelemente von CETEX und Spiga
Das gefertigte Funktionsmuster des Sitzpolsters für einen Kinderrollstuhl erfüllt alle
gestellten Anforderungen hinsichtlich Klimakomfort sowie Wohlbefinden und kann
gemeinsam mit einem neuen Kinderrollstuhl oder als Zubehör für derzeitig im Markt
befindliche Kinderrollstühle vermarktet werden. Durch Variationen des Sitzpolsters,
wie Änderung der geometrischen Abmessungen, der Eindruckhärte sowie der Ausführung
der Deckflächen ergeben sich neue Einsatzfelder. So lässt sich die bisher relativ
offene Struktur der textilen Oberfläche durch geeignete Bindungsauswahl geschlossener
gestalten, um beispielsweise die im Rollstuhl sitzenden Kinder besser

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vor Umwelteinflüssen wie Wind zu schützen. Anwendungen sind im gesamten häuslichen
oder klinischen Pflege- und Therapiebereich denkbar.
7 Zusammenfassung
Im Ergebnis des branchenübergreifenden Projektes wurden die entwickelten und
hergestellten ultraleichten Sitzmodule in einem Demonstrator 2 vom Sitzhersteller
Thomas Technik montiert und auf der REHACARE-Messe in Düsseldorf vom 15.-18.
Oktober 2008 dem Fachpublikum präsentiert. Nach Aussage von Thomas Technik
wird der hohe Innovationsgrad des Ultra-Sitzes ein großes Interesse und Nachfrage
erzeugen. Jedoch gibt es im bundesdeutschen Gesundheitssystem eine Obergrenze
für die Kostenübernahme eines Sitzes seitens der Krankenkassen. Noch liegen die
Fertigungskosten für Faserverbundbauteile wesentlich über denen für metallische
Bauteile, so dass es nur durch konsequente Automatisierung und Bauteilreduzierung
mit Funktionsintegration möglich sein wird, den Sitz zu marktfähigen Preisen anzubieten.
Abb. 23: Prototyp eines ultraleichten behindertengerechten Kindersitzes
In Abb. 23 ist ein Prototyp des ultraleichten behindertengerechten Kindersitzes abgebildet.
Von den insgesamt 4.560 g konnten etwa 58%, das sind 2.650 g, Masse reduziert,
die klimaphysiologischen und Sitz-Komfortbedingungen durch atmungsaktives
Sitzpolster mit körpergerechten Funktionsbereichen entwickelt und hergestellt
werden.

Faserverbunde in ultraleichten ergonomischen klimaaktiven Sitzmodulen Seite 301
für behindertengerechte Sitze
Literatur
[1] Klaus Jansen, Projektskizze-Sitzmodule-22-09.2005, Konstruktionsentwürfe,
Thomas GmbH + Co. Technik + Innovation KG, noch unveröffentlicht
[2] D. Kresse, G. Thielemann, M. Horn, KVB, Abschlussbericht zum Forschungsthema
„Ultra-Sitz“, Teilthema KVB: „Entwicklung von Verfahren und Vorrichtungen
zur Herstellung ultraleichter hochfester Sitzmodule, Armlehne und
Sitzschale aus Faserverbunden“; PRO INNO II, AiF-Reg.-Nr.: KF-0037604
UK6, noch unveröffentlicht
[3] B. Böhme, C. Köhler, H.-J. Heinrich, CETEX, Abschlussbericht zum Forschungsthema
„Ultra-Sitz“, Teilthema CETEX: „Entwicklung und Musterfertigung
abgepasster Abstandsgewirke mit speziellen Funktionssektoren sowie
der dazu notwendigen maschinenbautechnischen Entwicklungen“; PRO INNO
II, AiF-Reg. - Nr.: KF 0087103 UK6, noch unveröffentlicht
[4] Impressum Thomas GmbH + Co. Technik + Innovation KG, Bremervörde,
http://www.thomas-technik.de/paediatrie.htm
[5] H. Dommes, Abschlußbericht zum Forschungsthema „Ultra-Sitz“, Teilthema
FIBRE „Auslegung, Konstruktion und Fertigung der Module Sitzfuß und Rückenlehne
aus Hochleistungsfaserverbundwerkstoffen PRO INNO II, AiF-Reg. -
Nr.: KF 0348201 UK6, noch unveröffentlicht