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Leichtere Waggons dank integrierter Sandwichbauweise

Das Rollmaterial auf den Schienen ist in der Regel enorm schwer. Leichtere Waggons verringern nicht nur den Verschleiss von Radsätzen und Schienen, sondern benötigen auch weniger Traktionsenergie. Der Einsatz der modernen Sandwichbauweise ebnet den Weg hin zu diesen leichteren Schienenfahrzeugen.

Hersteller im Eisenbahnbereich müssen beim Bau des Rollmaterials streng auf das Gewicht achten: In Reisezugwagen werden heute sehr viel Komfort- und Informationseinrichtungen gefordert; gleichzeitig bleibt aber die zulässige Last pro Achse beschränkt. In Zukunft wird zudem die Trassenbenutzung gewichtsabhängig verrechnet. All dies fordert innovative Leichtbaumassnahmen. Zusammen mit der ZHAW School of Engineering haben der Sandwichelemente-Hersteller 3A Composites und das Fertigungstechnologieunternehmen Rapid Technic AG ein Forschungsprojekt lanciert, um die Integrierte Sandwichtechnologie (ISTech) so weit zu entwickeln, dass sie die Strukturanforderungen für eine Zulassung im Eisenbahnbereich erfüllt. Das Projekt wird durch Innosuisse (ehemals KTI) gefördert.

«Als Sandwich bezeichnet man eine Struktur, bei der zwei Deckschichten mit einem leichten Kernmaterial verklebt werden.»

Prof. Dr. Hanfried Hesselbarth, Leiter Leichtbautechnik, Institut für Mechanische Systeme (IMES)

Enormes Einsparpotenzial beim Gewicht

«Als Sandwich bezeichnet man eine Struktur, bei der zwei Deckschichten mit einem leichten Kernmaterial verklebt werden», erklärt Prof. Dr. Hanfried Hesselbarth vom Institut für Mechanische Systeme (IMES). «Dadurch ergeben sich hohe Biegesteifigkeiten bei gleichzeitig geringem Gewicht.» Sandwichbauteile werden heute bereits erfolgreich im Bus- und Trambau sowie bei Lastwagenaufbauten eingesetzt. Bei diesen Konstruktionen werden die Sandwichbauteile in eine Rahmengrundstruktur eingeklebt. Im Eisenbahnbereich ist diese Technologie bisher aber erst in wenigen Einzelfällen wirtschaftlich umgesetzt. Exemplarisch hat die Projektgruppe die Sandwichtechnologie für ein bestehendes Schienenfahrzeug überprüft: Bei gleichbleibenden Festigkeitseigenschaften liessen sich durch den Einsatz einer Bodenstruktur in Sandwichbauweise pro Wagen mehrere hundert Kilogramm an Gewicht einsparen. «Bei konsequentem Einsatz der Integrierten Sandwichtechnologie würde ein Intercity-Reisezugwagen sogar über eine halbe Tonne leichter», so Hesselbarth. «Hochgerechnet auf eine Zugkomposition würde das bedeuten, dass etliche Tonnen weniger Belastung auf Räder und Schienen wirken.» Diese Entlastung würde sich auch im Verschleiss und somit in den Instandhaltungskosten der Infrastruktur positiv bemerkbar machen.

Waggons wie dieser könnten eine halbe Tonne leichter gebaut werden.
Waggons wie dieser könnten eine halbe Tonne leichter gebaut werden.
Der Einsatz von Sandwichbaugruppen, hier am Beispiel des Bodens einer U-Bahn, verspricht grosses Gewichteinsparungspotenzial.
Der Einsatz von Sandwichbaugruppen, hier am Beispiel des Bodens einer U-Bahn, verspricht grosses Gewichteinsparungspotenzial.
Der Rührreibschweissprozess erzeugt einen geringen Wärmeeintrag.
Der Rührreibschweissprozess erzeugt einen geringen Wärmeeintrag.
Die Simulation zeigt den Wärmeeintrag beim Rührreibschweissprozess (rote Fläche = FSW-Werkzeug im Eingriff).
Die Simulation zeigt den Wärmeeintrag beim Rührreibschweissprozess (rote Fläche = FSW-Werkzeug im Eingriff).

Bei Eisenbahnen noch nicht etabliert

Eisenbahnwagen sind Schweisskonstruktionen aus Stahl oder Aluminium. Besonders bewährt hat sich dabei die Bauweise aus Aluminium-Strangpressprofilen, die zu Seitenwänden, Dach und Bodengruppe zusammengeschweisst und dann zu einem Wagenkasten zusammengefügt werden. Laut Hesselbarth beträgt die Wandstärke in der Regel mindestens 2,5 Millimeter: «Dies bedeutet, dass teilweise deutlich mehr Material verbaut wird, als dies unter Aspekten der Festigkeit erforderlich wäre. In diesen Fällen bieten Sandwichkonstruktionen mit Deckschichtdicken von rund einem Millimeter ein erhebliches Potenzial, Gewicht einzusparen.» Zudem könnten diese Sandwich-Baugruppen deutlich erhöhte Lasten aufnehmen und den Wagenkasten wesentlich aussteifen, wenn sie in die umgebende Tragstruktur eingeschweisst statt eingeklebt würden. Eine Technologie zur Integration von Sandwichpanelen in eine geschweisste Wagenkastenstruktur zu entwickeln, ist Gegenstand des Forschungsprojekts.

Grosse technische Herausforderungen

Die Klebungen eines Sandwichs können durch den klassischen Schweissprozess so warm werden, dass sie zerstört werden; umgekehrt wird die Festigkeit der Schweissnaht durch Kleberbestandteile stark vermindert. Um gleichwohl die Gewichtsvorteile von Sandwichbauteilen in hochbelasteten Schweisskonstruktionen nutzen zu können, muss der Klebebereich vom Schweissbereich getrennt und ein Schweissverfahren mit möglichst geringem Wärmeeintrag verwendet werden. «Dazu eignet sich besonders das Rührreibschweissen, bei dem die Wärme durch Reibkräfte eines Werkzeugs auf die zu fügenden Teile erzeugt wird», erklärt Hesselbarth. «Dabei werden die Materialien nur knapp bis zum Schmelzpunkt erwärmt und dann durch eine Rührbewegung sozusagen miteinander verknetet.» Die in Killwangen beheimatete Rapid Technic AG bringt hier ihren grossen Erfahrungsschatz mit Rührreibschweissen (Friction Stir Welding, FSW) ein, während an der ZHAW School of Engineering in mehreren Vorstudien mögliche Konstruktionen entwickelt sowie hinsichtlich des Wärmeeintrags- und der Festigkeitseigenschaften untersucht wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kombination der Sandwichbauweise und der FSW-Technologie zielführend ist.

«Alle Ergebnisse sind positiv, so dass Versuchsmuster der Integrierten Sandwichtechnologie hergestellt und dann statisch und dynamisch getestet werden können»

Prof. Dr. Hanfried Hesselbarth, Leiter Leichtbautechnik, Institut für Mechanische Systeme (IMES)

Testergebnisse sind positiv

Im ersten Projektabschnitt wurden die Geometrie des Übergangs vom Sandwichelement zur Wagenkastenschweisskonstruktion entwickelt und durch Finite Elemente Berechnungen hinsichtlich Spannungen und Deformationen untersucht. Parallel dazu bestimmte die Rapid Technic AG in Vorversuchen das Rührreibschweiss-Werkzeug und die Schweissparameter. Temperaturmessungen bei den Schweisstests bestätigten die Berechnungen: «Alle Ergebnisse sind positiv, so dass Versuchsmuster der Integrierten Sandwichtechnologie hergestellt und dann statisch und dynamisch getestet werden können», so Hesselbarth. Ebenfalls wird der Einfluss von Fertigungstoleranzen auf die Festigkeit der Baugruppe untersucht. Gleichzeitig wird die Fertigungstechnologie so optimiert, dass sich die Integrierten Sandwichelemente mit möglichst wenigen Arbeitsschritten herstellen lassen.

Auf einen Blick

Beteiligte Institute und Zentren:

Projektpartner:

Finanzierung: 

Projektstatus: laufend