CFK-Leichtbau

Leichtbau für den Schienenverkehr

| Redakteur: Katharina Juschkat

Der Prototyp des weltweit ersten CFK-Leichtbauzuges, entwickelt vom chinesisch-deutschen Ingenieurteam der CG Rail GmbH Dresden, wurde auf der Innotrans ausgestellt.
Der Prototyp des weltweit ersten CFK-Leichtbauzuges, entwickelt vom chinesisch-deutschen Ingenieurteam der CG Rail GmbH Dresden, wurde auf der Innotrans ausgestellt. (Bild: CG Rail)

In Flugzeugen findet der CFK-Leichtbau schon lange Verwendung – die CG Rail GmbH hat jetzt erstmals einen Zug aus den Leichtbaumaterialien realisiert.

Einen Zug, der fast vollständig aus CFK-Komponenten besteht, hat das chinesisch-deutsche Ingenieursteam der CG Rail (Chinesisch-Deutsches Forschungs- und Entwicklungszentrum für Bahn- und Verkehrstechnik Dresden GmbH) mit internationalen Netzwerkpartnern verwirklicht.

Die Entwicklungsleistungen sind eingebunden in das Gesamtvorhaben „Next Generation Metro Train“ des weltgrößten Schienenfahrzeugherstellers CRRC aus der Volksrepublik China. CRRC will den öffentlichen Nahverkehr, insbesondere bei U-Bahnen, leistungsfähiger und umweltfreundlicher gestalten. CG Rail hat mit den Teilprojekten Frontkabine, Wagenkasten, Unterflurverkleidung und Drehgestellrahmen die wesentlichen Module für die neue Metro-Generation entwickelt.

Endlos lange CFK-Profile herstellen

Der Wagenkasten besteht zu 70 % aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) und erreicht gegenüber einer herkömmlichen Aluminium-Bauweise eine Massereduzierung um 30 %. Neben den Leichtbau-Strukturen durch werkstoffgerechte Simulation liegt das Know-how hier vor allem in den neuartigen Leichtbau-Technologien. Mit einer Weiterentwicklung des Pultrusions-Verfahrens ist es CG Rail gelungen, große CFK-Mehrkammer-Profile mit Wandstärken bis zu 25 mm sowie verschiedenen Faserarten und Faserorientierungen in einem Stück effizient zu fertigen.

Auf einer speziellen Anlage im „Rail Innovation Center“ (RIC) des Dresdner Unternehmens sind so die für das Projekt erforderlichen circa 22 m langen CFK-Profile entstanden. „Wir können im Prinzip endlos lange Bauteile herstellen, die momentane Begrenzung auf 77 m ist nur durch die räumlichen Gegebenheiten bedingt“, erklärt Andreas Ulbricht, der gemeinsam mit Sansan Ding Geschäftsführer der CG Rail GmbH ist. Ulbricht verweist darauf, dass auch die speziellen Vorrichtungen zum präzisen Fügen und zur toleranzgerechten Montage der großflächigen CFK-Wagenkasten-Strukturen vom CG-Rail-Team selbst entwickelt und von sächsischen Unternehmen gebaut worden sind.

Tipp: Anwendertreff Leichtbau Auf dem Anwendertreff Leichtbau, der vom 4. bis 5. Dezember 2018 in Würzburg stattfindet, können sich Teilnehmer über den Material-, Struktur- und Fertigungsleichtbau informieren. Im Mittelpunkt dieses Jahr steht unter anderem die Topologieoptimierung, die Additive Fertigung und Verbundwerkstoffe.
Mehr Informationen: Anwendertreff Leichtbau

Reprouzierbare und effiziente Fertigung möglich

Neue Prozesstechnologien kommen ebenso beim Drehgestellrahmen zum Einsatz, bei dem mit den Längs- und Querträgern die vier Hauptkomponenten aus CFK bestehen. Zunächst werden die textilen Verstärkungsstrukturen der Träger im Flecht- bzw. Wickelverfahren oder einer Kombination daraus hergestellt, anschließend im Injektionsverfahren (RTM) mit Harz infiltriert und ausgehärtet. Die Prozesse sind hochautomatisiert und erlauben eine reproduzierbare und sehr effiziente Fertigung. Sie beruhen ebenfalls auf Dresdner Leichtbau-Know-how mit Ursprung am Institut für Leichtbau- und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden.

Der gegenüber einem Stahl-Äquivalent um mehr als 40 % leichtere CFK-Drehgestellrahmen hält höchsten Belastungen stand und erfüllt alle fahrdynamischen Anforderungen. „Bei einem unserer einschlägig ausgewiesenen Dresdner Partner wurde der CFK-Drehgestellrahmen einem echten Härtetest unterzogen und hat in einer zyklischen Prüfung zwölf Millionen Lastwechsel bei einem Lastniveau bis zu 60 % über der normalen Betriebslast erfolgreich bestanden. Dies entspricht einer Lebensdauer von mehr als 33 Jahren“, sagt Ulbricht.

Funktionsgerechtes Konstruieren für die Additive Fertigung

Anwendertreff Leichtbau 2017

Funktionsgerechtes Konstruieren für die Additive Fertigung

Die Formgebung eines Produkts durch Additive Fertigungsverfahren erfordert ein Umdenken im Konstruktionsprozess. Dr. Christoph Klahn von der Inspire AG zeigt in seinem Vortrag die neuen Möglichkeiten dieser Verfahren für Bauteile und Baugruppen auf. weiter...

Qualität des öffentlichen Nahverkehrs verbessern

Einen neuen Benchmark setzen auch die Frontkabine und die Unterflurverkleidung, die dank eines bis zu 90-prozentigen CFK-Anteils ebenfalls um rund 30 % weniger wiegen als vergleichbare Metallausführungen und bei denen das CG-Rail-Team u. a. Themen wie die Reduzierung der Teilevielfalt durch höhere Funktionsintegration realisiert hat. Von den ersten Designentwürfen bis zur Fertigstellung von vier Frontkabinen, drei Wagenkästen, fünf Drehgestellen und sieben Unterflurverkleidungen vergingen weniger als zwei Jahre.

Für CRRC stellt die Entwicklung dieser neuen Metro-Generation ein Benchmark-Projekt dar, um in Anlehnung an den modernen Flugzeugbau den CFK-Leichtbau in der Bahntechnik zu forcieren und damit die Qualität des öffentlichen Personennahverkehrs in Ballungsräumen zu verbessern. Erstmals präsentiert wurde der Leichtbauzug auf der Innotrans.

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