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19.09.2018

Leichtbau der Superlative

Chinesisch-deutsches Ingenieurteam stellt CFK-Zug vor

Der weltweit erste fast vollständig aus CFK-Komponenten bestehende Zug wurde am 18. September 2018 auf der Verkehrstechnikleitmesse InnoTrans in Berlin vorgestellt. Entwickelt wurde er von dem chinesisch-deutschen Ingenieurteam der CG Rail - Chinesisch-Deutsches Forschungs- und Entwicklungszentrum für Bahn- und Verkehrstechnik Dresden GmbH - gemeinsam mit nationalen und internationalen Netzwerkpartnern im Auftrag des Schienenfahrzeugherstellers CRRC aus der Volksrepublik China.

Der Prototyp des weltweit ersten CFK-Leichtbauzuges, entwickelt vom chinesisch-deutschen Ingenieurteam der CG Rail GmbH Dresden

Die Entwicklungsleistungen aus Sachsen sind eingebunden in das Gesamtvorhaben „Next Generation Metro Train“, mit dem CRRC den öffentlichen Nahverkehr, insbesondere bei U-Bahnen, leistungsfähiger und umweltfreundlicher gestalten will. CG Rail hat mit den Teilprojekten Frontkabine, Wagenkasten, Unterflurverkleidung und Drehgestellrahmen die wesentlichen Module für die neue Metro-Generation entwickelt und dabei Leichtbaumethoden für Schienenfahrzeuge erprobt.

Endlos lange CFK-Bauteile

Beispiel Wagenkasten: Er 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 der Verarbeitung. Mit einer Weiterentwicklung des Pultrusions-Verfahrens konnten große CFK-Mehrkammer-Profile mit Wandstärken bis zu 25mm sowie verschiedenen Faserarten und Faserorientierungen in einem Stück effizient gefertigt werden. Auf einer speziellen Anlage im „Rail Innovation Center“ (RIC) des Dresdner Unternehmens sind so die für das Projekt erforderlichen circa 22m langen CFK-Profile entstanden. „Wir können im Prinzip endlos lange Bauteile herstellen, die momentane Begrenzung auf 77m ist nur durch die räumlichen Gegebenheiten bedingt.“, informiert Dr.-Ing. Andreas Ulbricht, der gemeinsam mit Herrn Sansan Ding Geschäftsführer der CG Rail GmbH ist. Dr. 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.

Mehr als ein Dutzend Patentanmeldungen


Fortschrittliche Produktionsverfahren 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 sehr hohen 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.“, verweist Dr. Ulbricht auf den weltweit ersten Festigkeitstest dieser Art.

Einen neuen Benchmark setzen auch die Frontkabine und die Unterflurverkleidung, die aufgrund eines bis zu 90%-igen 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. Für den Innovationsgrad aller Entwicklungen sprechen bisher 16 angemeldete Patente. Von den ersten Designentwürfen bis zur Fertigstellung von vier Frontkabinen, drei Wagenkästen, fünf Drehgestellen und sieben Unterflurverkleidungen vergingen weniger als zwei Jahre.

Prof. Hufenbachs lange Beziehungen zu China

Eine besondere Rolle kommt dabei der hohen internationalen Reputation von Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr. h.c. Werner A. Hufenbach zu. Er hat Anfang der 1990er Jahre das Dresdner Modell eines „Funktionsintegrativen Systemleichtbaus in Multi-Material-Design“ begründet. Mit seinem Team hat er durch Gründung und Aufbau des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden den Leichtbau intensiv vorangetrieben. Zudem pflegt er bereits seit 1981 durch Symposien, Lehraufträge und Forschungsprojekte mit China einen intensiven Wissenschafts- und Forschungsaustausch. Diese langjährige Zusammenarbeit führte nicht zuletzt auch zur Gründung der CG Rail GmbH. Für dieses Engagement auf dem Gebiet des modernen Systemleichtbaus erhielt er im Januar 2017 die höchste chinesische Auszeichnung für Wissenschaft und Technologie, den „International Scientific and Technological Cooperation Award”, aus der Hand des chinesischen Staatspräsidenten Xi Jinping.

Für den Hersteller von Schienenfahrzeugen 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 weiter zu verbessern. „Eine höchstmögliche Massereduzierung durch den ressourceneffizienten Einsatz von Leichtbau-Strukturen ist bei limitierter Achslast eine wesentliche Grundlage zur Erhöhung der Nutzlast. So können mehr Fahrgäste auf gleichem Raum transportiert, die Taktzeiten verkürzt und der Interieur-Komfort erhöht werden – und dies bei weniger Energieeinsatz. Darüber hinaus strahlen die hier erstmals erzielten Erkenntnisse synergetisch auch in andere Branchen aus.“, betont Sansan Ding, chinesischer Geschäftsführer der CG Rail GmbH. (fg)

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