ISTech - Gewichtseinsparung durch Integrierte Sandwich-Technologie für Schienenfahrzeuge

Auf einen Blick
- Projektleiter/in : Roland Fehr
- Projektteam : Markus Hartwig, Prof. Dr. Hanfried Hesselbarth, Cyril Huber, Simon Leutenegger
- Projektstatus : abgeschlossen
- Drittmittelgeber : KTI (KTI-Projekt / Projekt Nr. 17118.1 PFIW-IW)
- Projektpartner : 3A Composite
- Kontaktperson : Roland Fehr
Beschreibung
Leichtere Schienenfahrzeuge dank reibrührverschweisster
Sandwichstrukturen
Leichtbau – Voraussetzung zum Erfolg neuer
Schienenfahrzeuge
Das Gewicht von Schienenfahrzeugen ist einer der
Haupteinflussfaktoren auf den Energieverbrauch, die Abnützung der
Infrastruktur und die Einhaltung von Sicherheitsanforderungen.
Gleichzeitig sollen die Fahrzeuge hohe Passagierkapazität und
Komfortstandards wie Fahrgastinformationssysteme, Stromversorgung
für mobile Geräte, Klimageräte etc. aufweisen. Aus diesen Gründen
steht der Leichtbau von Schienenfahrzeugen stark im Fokus.
ISTech bietet grosses
Gewichtseinsparungspotenzial
Mit der entwickelten integrierten Sandwichtechnologie (ISTech)
ersetzen deckschichtverschweisste Sandwich-Paneele in dafür
geeigneten Bereichen die heute üblichen
Integral-Hohlprofil-Strukturen von Wagenkästen. Bei unverändert
hoher Struktursteifigkeit sind durch diese Technologie Reduktionen
bis 10% des Wagenkasten-Gewichtes realistisch, wenn Teile des
Bodens, des Daches und Bereiche der Seitenwände mit dieser Bauweise
ausgeführt werden. ISTech ermöglicht durch geschickten Einsatz von
Reibrührschweissen (Friction Stir Welding – FSW) dank niedriger
Prozess-Temperatur das Verbinden von grossformatigen, geklebten
Sandwichplatten mit Anschlussprofilen, welche dann mittels
konventioneller MIG-Verfahren (Metall Inert Gas Schweissen) mit der
Wagenkastenstruktur verbunden werden. Dieses Vorgehen führt zu
einer vollständig geschweissten Integration von Sandwich-Paneelen
mit Aluminium-Deckschichten in Alu-Integral-Strukturen. Das
Resultat ist eine steife, hoch belastbare, wasserdichte, zusätzlich
isolierende, ermüdungsgerechte und trotzdem leichte
Wagenkasten-Struktur.
Zusammen mit der ZHAW School of Engineering haben der
Sandwichelemente-Hersteller 3A Composites und das
Fertigungstechnologieunternehmen RAPID Technic das
Forschungsprojekt „Gewichtseinsparung durch Integrierte Sandwich
(IS-)Technologie für Schienenfahrzeuge“ bearbeitet.
ISTech – Eine Technologie die funktioniert
Der Einbau von ISTech-Sandwichpanels im Wagenkasten für
Schienenfahrzeuge ist möglich und sinnvoll. Die Machbarkeit wurde
bezüglich Herstellbarkeit, Berechnungsgrundlagen für den
Strukturnachweis und kommerziellen Aspekten untersucht und
bewertet.
Die Anschlussgeometrie zwischen Sandwich und integraler
Wagenkastenstruktur sowie die Sandwichstruktur ist im Detail
ausgearbeitet und der Fertigungsprozess definiert und durch den Bau
von Demo- und Testbauteilen verifiziert. Die Modellbildung für die
Berechnung der Sandwich Strukturen und Anschluss-Details ist
definiert und geprüft. ISTech-Sandwichstrukturen sind nach
geltenden Normen zulassbar und halten den normativ geforderten
Belastungen stand. Die Bauweise ist durch statische und dynamische
Belastungstest abgesichert. Folgende technischen Eigenschaften sind
anhand der gängigen Normen geprüft: Trittfestigkeit,
Hagelfestigkeit, akustische und thermische Isolation,
Brandverhalten und Verhalten bei Funkenschlag. Der Ersatz von
Hohlprofil-Platten durch wesentlich leichtere Sandwich-Paneele mit
metallischen Deckschichten hat keine Nachteile für die
Crashtauglichkeit. Die Haupt-Tragelemente Dach- und Untergurte
müssen deshalb nicht verstärkt werden.
Die Leichtbau-Mehrkosten für die neue ISTechnologie liegen unter 20
CHF pro kg an eingespartem Gewicht. Es gibt in allen Arten von
Schienenfahrzeugen grossflächige Bereiche, in denen die
norm-mässigen Belastungen sowohl statisch als auch betreffend
Ermüdung durch diese Bauweise aufgenommen werden können. Mittels
vollumfänglich geschweisst integrierter Sandwichbereiche wird das
Wagenkastengewicht im herkömmlichen geschweissten
Aluminium-Kastenbau signifikant gesenkt. Damit nähert man sich
wieder dem Gewicht der Differential-Bauweise an, dies jedoch bei
wesentlich tieferen Gesamtkosten. Die Gewichtsreduktion gegenüber
der aktuellen Integralbauweise beträgt ca. 10 kg/m2.