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.