1. Siegener Straßenbautag - Department … · Reaktionen des Menschen) ... zu mechanischen...

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1. Siegener Straßenbautag Entwicklung akustisch optimierter Straßendeckschichtsysteme auf Kunststoffbasis Dr.-Ing. Andreas Schacht Siegen, 12. Juli 2017

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1. Siegener Straßenbautag

Entwicklung akustisch optimierter

Straßendeckschichtsysteme auf

Kunststoffbasis

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Siegen, 12. Juli 2017

2 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Aufbau des Vortrages

1. Einleitung und Motivation

2. Ableitung der Entwicklungsziele

3. Entwicklung des Deckschichtsystems

4. Empirischer Wirkungsnachweis des Deckschichtsystems

5. Zusammenfassung und Ausblick

Einleitung und Motivation

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Einleitung und Motivation

„Mobilität ist elementarer Ausdruck unserer

Lebensweise, Ausdruck von Freiheit, von sozialer

und kultureller Teilhabe, Basis für unseren Wohlstand -

Mobilität ist Lebensqualität.“

Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Keitel

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Anteil des Verkehrsträgers „Straße“ (2010):

Personenverkehrsleistung: 87,8 %

Güterverkehrsleistung: 72,0 %

Derzeitige Prognose „Straße“ (2010 bis 2030):

Personenverkehrsleistung: + 16 %

Güterverkehrsleistung: + 39 %

Einleitung und Motivation

Bedeutung der Straßeninfrastruktur:

Der Verkehrsträgers „Straße“ nimmt eine herausragende Stellung in der

Verkehrsabwicklung ein - diese wird zukünftig weiter steigen

Hiermit sind aber auch negative Folgen bzw. Entwicklungen verbunden

[nach BMVI, 2016 und BMVI, 2014]

[nach SCHACHT, 2015]

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Einleitung und Motivation

Verkehrslärm rückt zunehmend in den Fokus

der Öffentlichkeit

16 % sind einem Niveau > 55 dB(A) ausgesetzt

(Bereich der physiologischen und psychischen

Reaktionen des Menschen)

Mehr als 50 % der Bevölkerung fühlen sich

dauerhaft durch Verkehrslärm belästigt

Berücksichtigung in der aktuellen

Gesetzgebung (z.B. BImSchG, etc.)

Vorrangige Förderung aktiver Lärm-

schutzmaßnahmen („leise Beläge“)

Folgen der Verkehrsbelastung:

[nach UBA, 2012]

[nach UBA, 2014]

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Einleitung und Motivation

[WWW.UMGEBUNGSLAERM-KARTIERUNG.NRW.DE]

Ableitung der Entwicklungsziele

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Ableitung der Entwicklungsziele

Ursachen von Verkehrsgeräuschen:

Fahrzeugseitiges Minderungspotenzial

nahezu ausgereizt (Motor, Reifen, etc.)

Nur eine weitere Einflussnahme auf die

Reifen-Fahrbahngeräusche ermöglicht

eine weitere Reduzierung (berücksichtigtes

Entwicklungsszenario: PKW, v = 120 km/h)

[nach BECKENBAUER, 2008]

[BECKENBAUER, 2008]

10 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht 10

minimale Anregung des Reifens / der Profilklötze zu mechanischen Schwingungen, hohe Ebenheit

verstärkte aerodynamische Geräusche (schlechte Luftdrainage), verstärkter Horneffekt, keine Absorption des Schalls auf dem Ausbreitungsweg

minimale aerodynamische Geräusche (gute Luftdrainage), ausgeprägte Absorption des Schalls auf dem Ausbreitungs-weg, verminderter Horneffekt

verstärkte Anregung des Reifens / der Profilklötze zu mechanischen Schwingungen, Verschmutzungs-anfälligkeit („Clogging-Effekt“)

Wirkweise bisheriger bautechnischer Lösungsansätze:

Ableitung der Entwicklungsziele

[nach SCHACHT, 2015]

11 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht 11

1. Eine weitere Pegelminderung ist durch die Verringerung der Makrotexturtiefe nicht zu realisieren

2. Eine dauerhafte Pegelminderung ist durch eine offenporige Schicht nur bedingt zu realisieren

3. Eine signifikante Pegelminderung ist nur durch eine Kopplung der beiden Ansätze zu realisieren

4. Die Materialeigenschaften sind bei der akustischen Bemessung zu berücksichtigen

Die Deckschicht ist so zu gestalten, dass diese eine geringe Anregung des Reifens zu

mechanischen Schwingungen, eine gute Luftdrainage unter dem Reifen in Verbindung

mit ausgeprägten Absorptionseigenschaften sowie eine mechanische Dämpfung vereint.

Ableitung der Entwicklungsziele

Abgeleitete Entwicklungsgrundsätze:

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Dr.-Ing. Andreas Schacht

Draufsicht:

Ableitung der Entwicklungsziele

Lösungsansatz - Deckschichtentwurf:

Öffnungen zur Absorptionsschicht

Strukturmodule (Mosaik-Prinzip)

Fahrstruktur

Öffn

un

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bso

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t

Stru

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osa

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rinzip

)

Fa

hrs

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r

Absorptionsschicht

Fahrstruktur

Strukturmodul

Strukturschicht

textile Bewehrungsstruktur

Mikrotextur (Griffigkeit)

Interaktionsöffnungen

[nach SCHACHT, 2015]

13 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

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untere Absorptionsschicht(mindestens eine Schicht)

obere Strukturschicht

Luftströmungen

Asphalt- bzw. Betonunterbau mit Abdichtung nach oben

Ableitung der Entwicklungsziele

Wirkweise Deckschichtentwurf:

[nach SCHACHT, 2015]

Simulationsgestützte Entwicklung

der Strukturschicht

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Dr.-Ing. Andreas Schacht

Entwicklung der Strukturschicht

untere Absorptionsschicht(mindestens eine Schicht)

obere Strukturschicht

Asphalt- bzw. Betonunterbau mit Abdichtung nach oben

[nach SCHACHT, 2015]

16 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Wie kann eine gezielte Luftdrainage in der Kontaktzone Reifen-Fahrbahn

bei gleichzeitig nur geringfügiger Steigerung der Schwingungsanregung

des Reifens erfolgen?

Grundproblematik der Entwicklung:

Entwicklung der Strukturschicht

Systematische Variation der Strukturgeometrie

(Breite/Höhe/Form/Anordnung)

Prüfung der akustischen Eigenschaften künstlicher

Oberflächen mit geeigneten Simulationsmodellen

Die Strukturierung muss so ausgeprägt sein, dass eine

ausreichende Luftdrainage in der Kontaktzone erfolgt

Die Strukturierung darf in keiner signifikanten Erhöhung

der mechanischen Anregung resultieren

Op

tim

ieru

ng

s-

pro

ble

m

[nach SCHACHT, 2015]

17 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Entwicklung der Strukturschicht

Simulation der akustischen Eigenschaften künstlicher Oberflächenstrukturen

unter Variation der Oberflächengeometrie (~3500 Varianten)

Ableitung von Modellzusammenhängen zwischen

Oberflächengeometrie, Texturkenngrößen und akustischen Eigenschaften

Ableitung der optimalen Oberflächengeometrie und

Vorauswahl von Oberflächenstrukturen für den empirischen Wirkungsnachweis (12 Varianten)

Herstellung von Prototypen und empirischer Wirkungsnachweis

im Prüfstand Fahrzeug-Fahrbahn der BASt

Geometrie-Akustik-Modell

Datengrundlage

Überführung in die Empirie

[nach SCHACHT, 2015]

18 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Vorüberlegungen zu möglichen akustisch relevanten Texturgrößen:

Gestaltfaktor g

Ableitung des Gestaltfaktors g aus der

Tragflächenkurve („Abbot-Kurve“)

Für den Anwendungsfall nicht geeignet

Amplitudenspektrum

Überführung des Texturprofils mittels FFT

in Sinusschwingungen mit charakteristischer

Amplitude und Wellenlänge

Für den Anwendungsfall geeignet

Entwicklung der Strukturschicht

Amplitude [µm]

Wellenlänge [mm]λ2 = λ3λ1

Amax1 = Amax2

Amax3

1

2

3

Position x

Rautiefe [mm]

TFA [%]

R1/2

R1/2

R2/2

R2/2

1

2

1

2

Rautiefe [mm]

Position x [mm]

[nach SCHACHT, 2015]

[nach SCHACHT, 2015]

19 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Modellzusammenhang Textur-Akustik:

Entwicklung der Strukturschicht

▲ m

echanis

che A

nre

gung

▼ a

ero

dynam

ische E

ffekte

mechanis

che A

nre

gung

ae

rod

ynam

ische E

ffekte

[nach SCHACHT, 2015]

20 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Modellzusammenhang Geometrie-Textur:

Entwicklung der Strukturschicht

Modellzusammenhang:

Einflussgrößen auf die Wellenlänge:

Die Oberfläche ist geprägt durch eine

stochastische Abfolge von geometrischen

Formen/Strukturen

Stochastische Variation in definierten

Spannweiten:

SpannweiteStruktur = smax – smin

SpannweiteKanal = kmax – kmin

Smin Smax

kmax kmin

h = const.

[nach SCHACHT, 2015]

21 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Modellzusammenhang Geometrie-Akustik:

Entwicklung der Strukturschicht

[nach SCHACHT, 2015]

22 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Ableitung der optimalen Oberflächenstruktur:

Entwicklung der Strukturschicht

Ableitung der optimalen Geometrie

Optimale Wellenlänge

= 10,11 mm

Optimale Strukturlänge

= 3,5 bis 4,7 mm

Optimale Zwischenraumbreite

= 5,3 bis 6,3 mm

λ = 10,11 mm L = 78,7 dB(A)

Weitere Analyseschritte umfassten eine veränderte Strukturhöhe (optimal 5 mm),

Strukturform und Anordnung der Drainagekanäle (Winkel zur Fahrtrichtung)

[nach SCHACHT, 2015]

23 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Analyse von 12 vorausgewählten Oberflächenvarianten

mit einer Länge von jeweils etwa 10 m

Manuelle Herstellung mit einem Acrylat-basierten

Werkstoff in Verbindung mit einem Bewehrungstextil

Bewertungsgeschwindigkeiten: 60, 80, 100, 120 km/h

Reifen gemäß ISO 11819-3

Bewertung der akustischen Eigenschaften mit dem

Constant-Passed-By-Verfahren (CPB-Verfahren) und

dem Close-Proximity-Verfahren (CPX-Verfahren)

Empirischer Wirkungsnachweis im Prüfstand Fahrzeug-Fahrbahn:

Entwicklung der Strukturschicht

[nach SCHACHT, 2015]

24 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Untersuchungen im PFF

Prototypherstellung für Untersuchungen im PFF

[nach SCHACHT, 2015]

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Dr.-Ing. Andreas Schacht

Variante „70° mit Längskanälen” ist unabhängig von der

Geschwindigkeit am „leisesten” (CPB = ~78 dB(A) bei

120 km/h, ReferenzbelagRLS, SPB = 85,8 dB(A))

70° mit Längskanälen

70° ohne Längskanäle

Entwicklung der Strukturschicht

Exemplarische Ergebnisse:

Rechteckstruktur

[nach SCHACHT, 2015]

Entwicklung der Absorptionsschicht

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Dr.-Ing. Andreas Schacht

Entwicklung der Absorptionsschicht

untere Absorptionsschicht(mindestens eine Schicht)

obere Strukturschicht

Asphalt- bzw. Betonunterbau mit Abdichtung nach oben

[nach SCHACHT, 2015]

28 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

[BECKENBAUER, 2008]

Ausgeprägtes Schallabsorptionsvermögen

im Frequenzbereich von 800 bis 2000 Hz

Geringer Strömungswiderstand

(vertikale Luftdrainage)

Geringe mechanische Impedanz

(hohes Dämpfungsmaß)

Geringe Verschmutzungsanfälligkeit,

d.h. lange akustische Lebensdauer

(„Clogging-Effekte“)

Hohe Dauerhaftigkeit, d.h. lange

bautechnische Lebensdauer

Entwicklungsziele:

Entwicklung der Absorptionsschicht

Entwicklung der Absorptionsschicht in

Anlehnung an poro-elastische Beläge

Ergebnisse bisheriger Untersuchungen:

Geschwindigkeitsunabhängiges

Minderungspotenzial > 12 dB(A)

Ausgeprägtes Absorptionsvermögen, ein

geringer Strömungswiderstand und ein

hohes mechanisches Dämpfungsmaß

Gewählter Lösungsansatz:

[www.thermoplastic-

polyurethane.com]

[www.formtech.ch] [www.briloner-hartstein-werk.de]

Ausgeprägtes Schallabsorptionsvermögen

im Frequenzbereich von 800 bis 2000 Hz

Geringer Strömungswiderstand

(vertikale Luftdrainage)

Geringe mechanische Impedanz

(hohes Dämpfungsmaß)

Geringe Verschmutzungsanfälligkeit,

d.h. lange akustische Lebensdauer

(„Clogging-Effekte“)

Hohe Dauerhaftigkeit, d.h. lange

bautechnische Lebensdauer

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Dr.-Ing. Andreas Schacht

Entwicklung der Absorptionsschicht

Verschmutzungsanfälligkeit:

Nachbildung der natürlichen Verschmutzungs-

vorgänge im Zeitraffer:

Partikelbeaufschlagung mit einem definiert

zusammengestellten „Straßenschmutz“

Zweifache definierte Verschmutzung

(2 Stufen: 480 g/m² und 960 g/m²)

Definierte Beregnungs- und Trocknungszyklen

(8 Zyklen, Regenmenge = 1 l/min für 20 min,

Trockenphase 10 bis 12 h)

Analyse der durchgespülten und abgespülten

Schmutzpartikel (Korngrößenverteilung)

2,5° NeigungPartikelbeaufschlagung

Definierte Beregnung

Filterpapier

[nach SCHACHT, 2015]

30 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Verschmutzungsanfälligkeit:

Entwicklung der Absorptionsschicht

Geringere Verschmutzungsanfälligkeit

der Untersuchungsvarianten

Sättigungseffekte sind festzustellen,

Abnahme der Verschmutzungszunahme

nach der 1. Verschmutzungsstufe

Vornehmlich Partikel < 0,063 mm

verbleiben in der Schicht

Etwa 25 % der Partikel > 0,063 mm werden

durch die Schicht hindurch gespült, an der

Oberfläche verbleiben etwa 50 %

Eine deutlich höhere akustische

Lebensdauer ist im Vergleich zu einem

Offenporigen Asphalt zu erwarten [nach SCHACHT, 2015]

Empirischer Wirkungsnachweis

des Gesamt-Deckschichtsystems

32 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Fräsen der Einbauspur

(50 x 5 cm)

Manueller Einbau der unteren

Absorptionsschicht Applikation der Strukturschicht

Nachträgliches Einbringen der

Interaktionsöffnungen Fertiggestellte Teststrecke

Empirischer Wirkungsnachweis „Gesamtsystem“

[nach SCHACHT, 2015]

33 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Prüfung der akustischen Eigenschaften mit dem

CPX-Verfahren nach ISO 11819-2

o nur Bewertung der Reifen-Fahrbahngeräusche

o keine Berücksichtigung einer möglichen Schallabsorption

auf dem Ausbreitungsweg

o Bewertungsgeschwindigkeiten: 60, 80 und 100 km/h

o Reifen gemäß ISO 11819-3

Als Vergleichswert bei der Bewertung wurde der vorhandene

Gussasphalt 0/11 herangezogen

Empirischer Wirkungsnachweis „Gesamtsystem“

Bewertung der akustischen Eigenschaften in-situ:

[nach SCHACHT, 2015]

34 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Empirischer Wirkungsnachweis „Gesamtsystem“

Gesamtpegel: Spektrale Geräuschanalyse:

Lärmpegelminderung von 6 dB(A)

gegenüber der Referenzoberfläche

Pegelminderung erscheint nahezu

unabhängig von der Geschwindigkeit

Pegelminderung > 8 dB(A) bei 500 – 1500 Hz,

unabhängig von der Geschwindigkeit

< 500 Hz nahezu keine Minderung,

> 1500 Hz geringfügige Minderung

- 8,2 dB(A)

- 8,4 dB(A)

Die lärmreduzierende Wirkung des Deckschichtsystems

konnte damit empirisch nachgewiesen werden.

[nach SCHACHT, 2015]

Zusammenfassung und Ausblick

36 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Aus den bisherigen bautechnischen Lösungskonzepten wurde ein neuartiges

Deckschichtsystem bestehend aus zwei funktionsgetrennten Schichten abgeleitet

Der Entwurf der oberen Strukturschicht erfolgte mit Simulationsmodellen unter

systematischer Variation der Oberflächengeometrie

Modellzusammenhänge zwischen der Geometrie der Oberflächenstrukturen und den

akustischen Eigenschaften wurden abgeleitet

Entwicklung einer Absorptionsschicht in Anlehnung an poro-elastische Fahrbahnbeläge

(ausgeprägte akustische Wirkung und lange akustische Lebensdauer)

Die geräuschreduzierende Wirkung des Deckschichtkonzeptes wurde im Rahmen empirischer

Untersuchungen bestätigt

Zusammenfassung

Der vorgestellte Lösungsansatz stellt einen entscheidenden Entwicklungsschritt

für eine weitere signifikante Reduzierung der Reifen-Fahrbahngeräusche dar.

[nach SCHACHT, 2015]

37 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Materialentwicklung für die Struktur- und Absorptionsschicht

des Deckschichtsystems sowie für die Fügematerialien

Technologieentwicklung im Hinblick auf Herstellungs- und

Einbauverfahren sowie Applikationsverfahren

Funktionalisierung der Deckschicht, wie z.B. haptische oder

visuelle Signale, Integration von Sensoren oder Photovoltaik usw.

Ausblick

Ableitung weiterer Forschungsschritte:

[WWW.ADM-ISOBLOC.DE]

[WWW.SPIEGEL-ONLINE.DE]

[WWW.ECONITOR.DE]

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

39 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Quellenangaben

[AUTOBILD, 2014] AutoBild, Internetpräsenz www.autobild.de, Artikel: „Bunt bedruckte Pneus“, Internet-Link zum Artikel:

http://www.autobild.de/artikel/reifen-neues-druckverfahren-von-bridgestone-2824219.html, Axel-Springer

SE (Hrsg.), Hamburg, veröffentlicht am 09.02.2012, Abrufdatum: 05.09.2014, 2014

[BECKENBAUER, 2008] Beckenbauer, T.: „Physik der Reifen-Fahrbahngeräusche – Geräuschentstehung,

Wirkungsmechanismen und akustische Wirkung unter dem Einfluss von Bautechnik und Straßenbetrieb“,

4. Informationstage Geräuschmindernde Fahrbahnbeläge in der Praxis – Lärmaktionsplanung, unter der

Schirmherrschaft des Landesbetrieb Straßenbau Nordrhein-Westfalen, Gelsenkirchen, 2008

[BMVI, 2014] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur: „Verkehrsverflechtungsprognose 2030“,

Abschlussbericht zum FE-Projekt 96.0981/2011, Freiburg, München, Aachen, Essen, 2014

[BMVI, 2016] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur: „Bundesverkehrswegeplan 2030“,

Berlin, 2016

[SANDBERG, EJSMONT, 2002] Sandberg, U., Ejsmont, J. A.: „Tyre/Road Noise Refernce Handbook“, INFORMEX Ejsmont & Sandberg

Handelsbolag (Hrsg.), Kisa, Schweden, 2002

[SCHACHT, 2015] Schacht, A.: „Entwicklung künstlicher Straßendeckschichtsysteme auf Kunststoffbasis zur

Geräuschreduzierung mit numerischen und empirischen Verfahren“, Dissertation an der RWTH Aachen

University, Fakultät für Bauingenieurwesen, Lehrstuhl für Straßenwesen, Aachen, 2015

[UBA, 2012] Umweltbundesamt: „Umweltbewusstsein in Deutschland 2010: Ergebnisse einer repräsentativen

Bevölkerungsumfrage“, Forschungsprojekt 3711 17 11“, Berlin, Marburg, 2013

[UBA, 2014] Umweltbundesamt: „Zusammenstellung des Umweltbundesamtes der Mitteilungen der Bundesländer

entsprechend § 47c BImSchG“, www.umweltbundesamt.de, Abrufdatum: 18.12.2014, 2014

40 1.Siegener Straßenbautag | Siegen | 12. Juli 2017

Dr.-Ing. Andreas Schacht

Internetquellen

[WWW.ADM-ISOBLOC.DE] Internetauftritt der ADM-Isobloc GmbH, Brüggen,

Abrufdatum: 18.12.2014

[WWW.BRILONER-HARTSTEIN-WERKE.DE] Internetauftritt der Briloner Hartstein Werk GmbH &Co. KG, Brilon,

Abrufdatum: 18.12.2014

[WWW.ECONITOR.DE] Internetauftritt der Econitor GmbH, Berlin,

Abrufdatum: 18.12.2014

[WWW.FORMTECH.CH] Internetauftritt der Formtech AG, Wila, Schweiz,

Abrufdatum: 18.12.2014

[WWW.SPIEGEL-ONLINE.DE] Internetauftritt Spiegel-Online, Artikel: „Autonomes Fahren bei Lexus: Freihändig durch

Tokio“, Artikel vom 25.11.2013, Abrufdatum: 18.12.2014

[WWW.THERMOPLASTIC-POLYURETHANE.COM] Internetauftritt Thermoplastic-Polyurethan,

Abrufdatum: 18.12.2014