Alles im Kasten

Future

»Am liebsten erinnere ich mich an die Zukunft« behauptete einst Salvador Dali(1904 1989). Nun – was der kann … Deshalb erinnern wir uns wieder an das Jahr 2035 und den ICE 7, den fensterlosen ›Cellaro‹.

06. April 2011
Edelstahl- und Stahl-Sandwich- Bänder bilden die mittragende Außenund Innenhaut, dazwischen (hier nicht gezeigt) eine fi lgrane und dennoch steife, exakt an die Belastung angepasste Gitterstruktur.
Bild 1: Alles im Kasten (Edelstahl- und Stahl-Sandwich- Bänder bilden die mittragende Außenund Innenhaut, dazwischen (hier nicht gezeigt) eine fi lgrane und dennoch steife, exakt an die Belastung angepasste Gitterstruktur.)

Nachdem in den ersten Folgen der Leichtbauserie das allgemeine Umfeld, die politischen, gesellschaftlichen, wirtschaftlichen und technischen Annahmen und das Gesamtkonzept für das Szenario ›Hochgeschwindigkeitszüge im Jahr 2035‹ beschrieben wurden und die Auswirkungen auf Branche und Branchenprodukte wie Bänder, Bleche, Rohre, Bauteile und Komponenten, werden wir konkret und kümmern uns um die Wagenkästen für Fahrgast und Fracht.

Skelettbauweise für die Waggon-Konstruktion

Auf die Schiene gestellt werden alle Hochgeschwindigkeitszüge im Jahr 2035 im extremen Leichtbau, bei dem man, zugegeben, stark auf den erfahrenen Flugzeugbau geschielt hat. So hat an der Aerodynamik-Entwicklung des Hochgeschwindigkeitszuges ›Zefiro 380‹ von Bombardier Transportation, der im Herbst 2010 enthüllt worden war und seit 2012 in China eingesetzt ist, die eigene Flugzeugsparte mitgestaltet – und das Deutsche Luft- und Raumfahrtzentrum. Schön, wenn man im eigenen Unternehmen auf solche Ressourcen zurückgreifen kann. Das Ergebnis, der Super-Hochgeschwindigkeitszug Zefiro, erinnert optisch stark an ein Flugzeug – wie fast alle Hochgeschwindigkeitszüge bisher.

Schon damals, 2010, wurde die fortgeschrittenste Technik im Luftfahrzeugbau auf Schienenfahrzeuge übertragen. Die Doppelstockwagen (›Dostos‹) für Passagiere und die Waggons für Fracht erinnern an Flugzeugrümpfe, und die einschiebbaren Frachtmodule in Containerform ähneln denen der Luftfracht. Zwei Branchen sind hier zusammengewachsen, der ›Flug‹ auf der Schiene ist Realität. Mit 380 Kilometern pro Stunde abgeregelte Höchstgeschwindigkeit. Technisch möglich wäre weit mehr – und wird in Osteuropa und Asien auch seit 2020 realisiert. Aber wie schon Professor Kademann, seinerzeit Konstruktionsleiter bei Henschel in Kassel, schon Mitte der 70er-Jahre zu sagen pflegte: »Wenn die Deutsche Bundesbahn auch eine Fluglinie betriebe, hätte sie lauter Doppeldecker.«

Selbstverständlich ist für den Hochgeschwindigkeitszug von 2035 bester Leichtbau nötig. Leichtbau im Fahrzeugbau hält natürlich nicht nur die Masse klein, die beschleunigt und abgebremst werden muss, sondern auch den Energiebedarf gering. Das weiß man ja. Innenhochdruckgeformte Hohlprofile bilden die tragende Struktur: Spezifisch geformte Rohre, Profile und Tragwerke, leicht, dünn, hochfest. Hohlprofil-Modul-Bauteile, steckbar, dünn, steif, gefüllt mit Strukturschaum, lösbar verklebt. Der Zug der Zeit des Jahres 2035 besteht aus einem Basisgeflecht, einem langgezogene Netzgerüst aus solchen modularen Segmenten. Wie ein Schlauchstrumpf aus profiliertem Streckmetall, beplankt mit einem gewendelten Endlosband aus Edelstahl mit Nano-Dressing-Oberfläche.

Unfälle elektronisch ›verboten‹

Die Leichtbau-Waggons des Hochgeschwindigkeitszuges (HGZ) ›Cellaro‹ bestehen sozusagen nur aus ›Haut und Knochen‹: Ein Netzstrumpf mit wendelförmiger Beplankung aus endlosem, dünnstem Feinblech und Stahl-Sandwich-Blechen, natürlich auf das Profilgerüst lösbar aufgeklebt. Ein organisch anmutendes Design, per FEM-Methode optimiert, mit viel Festigkeit und wenig Material.

Durch das konsequente ›Verbot‹ von Unfällen für alle Hochgeschwindigkeitszüge ergaben sich wesentliche evolutionäre Veränderungen im Waggonbau, im Aufbau der Wagenkästen. Veränderungen in Konstruktion und Bau der Fahrgastzelle, die den Konstrukteuren vieles ›erleichterten‹: Knautschzonen und viele Sicherheitsverstärkungen konnten völlig wegfallen. Zu Beginn des zweiten Jahrzehnts unseres Jahrhunderts wäre das noch undenkbar gewesen.

Die Blechbahnen, die die Außenhaut und Innenverkleidung für die Waggon-Zellen bilden, sind natürlich nicht einfach glatte Blechbahnen aus Stahl. Es sind immer dünnste Mikro-Bleche, die Zwischenschichten aus Metall-, Kunststoff- oder Hybridschäumen und ähnlichen Strukturen einschließen. Manchmal aufgebaut aus mehreren Schichten. Im Inneren mit naturnahen organischen Strukturen, ähnlich wie Knochen, ein stärkendes Stütznetz und Gewebe. Und Verstrebungen wie im Knocheninneren. Stabil und leicht, mit natürlich optimierter Materialnutzung – wie vor etwa einem Vierteljahrhundert beim ›Bionic Car‹ von Mercedes angedacht. Optimale Material- und Raumausnutzung, wie sie heute für Straßenfahrzeuge selbstverständlich ist. Kofferfisch statt Flunder.

Aber auch Sandwich-Bleche mit wabenförmiger oder gewellter Struktur, die das trickreiche Festigkeitsprinzip von Bienenwaben und Wellpappe aufgegriffen haben, werden eingesetzt. Diese stählernen Bleche haben Aluminiumbleche aus den bekannten Gründen verdrängt: Aluminiumbleche waren einfach zu teuer, zu umweltschädlich und einfach – zu dick und zu schwer ...

Bei den edlen, unbeschichteten Oberflächen der eingesetzten Stahlbleche handelt es sich um ›strukturgeprägte‹, nano-dressierte Bleche, die zwar glatt aussehen, aber schon bei der Herstellung durch ›Dressieren‹ mit Spezialwalzen mit einer Nano-Struktur versehen werden. Strömungsgünstig, schmutz- und wasserabweisend, vandalensicher farbabstoßend. Nach dem Lotusblüten-Prinzip auch ohne jede Lackierung durch eine geprägte ›Haihaut‹ so windschlüpfrig und aalglatt, dass der ohnehin günstige Luftwiderstandsbeiwert des Hochgeschwindigkeitszugs um weitere fünf Prozent reduziert wird.

Fensterlos ist diese Waggonkonstruktion – und heute, 2035, kann sich niemand mehr vorstellen, die tragende Struktur und nachgiebige Steifigkeit der Leichtbau-Waggons durch riesige Löcher für Fenster zu unterbrechen. Auch nicht durch schwächende Löcher für Niete und Schrauben und ähnliche, archaische Maschinenelemente der Verbindungstechnik. Diese werden an anderer Stelle, wo Festigkeit andere Prioritäten hat, aber durchaus manchmal noch eingesetzt. Fenster werden nur noch simuliert: superdünne Folien-Displays, die ein kameraübertragenes Abbild der Außenwelt nach innen wiedergeben. Umschaltbar.

Ausschneiden und kleben

Kleben ist selbstverständlich die vorherrschende Verbindungstechnik: Geklebt wird, was das Zeug hält! Meist als lösbare Verbindung, um Wartung, Austausch und Reparaturen zu ermöglichen. Die Klebetechnik ist bestens berechenbar, besser als frühere Verbindungselemente. Die Klebetechnologie, als Wissenschaft von der Klebetechnik, hat gewaltige Entwicklungssprünge nach vorne gemacht – mitten in die Praxis und die Produktion. Seit sie gezielt gefördert wurde, ist sie die herrschende Verbindungstechnik.

Fast unnötig zu erwähnen, dass es sich bei Fahrgast- und Frachtwaggons des HGZ immer um Doppelstock-Großraum-Waggons handelt.

Sie bieten, mit einem um nur 15 Prozent größeren Querschnitt, etwa 40 Prozent mehr Sitzplätze. Und auch mehr Raum für Fracht, auf bis zu drei Etagen, wenn es sein muss. Solche Waggons sind es also, die im Sänftenprinzip als Fahrgast-Kabine oder Fracht-Modul auf die wartenden Aufleger gehoben werden. An modifizierten Jakobs-Drehgestellen hängen sie dann, an je zwei Gelenken zwischen den angetriebenen Jakobs-Drehgestellen.

Leicht pendelnd, lagegeregelt im Wesentlichen durch natürliche Schwer- und Fliehkräfte. Eine mild eingreifende Zwangssteuerung, die die Massenträgheit kompensiert, macht die Fahrt auf Altbaustrecken mit Kurvenradien unter 5 km für Passagiere noch angenehmer und sogar etwas höhere Geschwindigkeiten möglich. Eine Lager-Konstruktion, die genial einfach ist und einfach genial, haben sich die Bahnkonstrukteure dafür einfallen lassen – nach schlechten Erfahrungen mit komplizierten, anfälligen Vorgängerkonstruktionen.

Die wenigen Haltepunkte (im Schnitt alle 200 km), die von den Hochgeschwindigkeitszügen heute noch bedient werden, sehen eher wie Container-Umschlagplätze aus. Die Bahnreisenden stört es nicht: Ohnehin ist der bahnreisende Passagier nicht die größte Herausforderung an die Schienenkapazitäten, sondern das hohe Frachtaufkommen, das die Bahn, wie vorausgesehen, seit einiger Zeit zu bewältigen hat.

Seit die drahtlosen Standleitungen des Internets ständige Kommunikation und 3D-TV-Konferenzen zum Standard – und persönliche Reisen weitgehend überflüssig gemacht haben – sind Passagiere fast schon zu einer Nebenerscheinung geworden.

Wolfgang G. Trapp, Freier Fachjournalist aus Swidwin (PL)

Die Realität hinter der Vision

Weit hergeholt? Schlimme Fantasien? Unhaltbare Theorien! Utopische Visionen? Verquere Ansichten? Alles über real existierende Visionen ...

Im Schienenfahrzeugbau stelle Edelstahl eine wichtige Komponente dar und spiele eine entscheidende Rolle, meint ThyssenKrupp. Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, gute Umformbarkeit und Nachhaltigkeit führten dazu, dass immer mehr Hersteller im Transportbereich auf Edelstähle zurückgreifen. Nicht rostende Stähle taugen auch für umweltfreundlichen Leichtbau, unter anderem durch ihre hohen Dehngrenzen und gute Korrosionsbeständigkeit. Die Bleche erreichen auch bei geringen Dicken eine hohe Festigkeit und Steifigkeit. Seit Jahren wird der Werkstoff in den verschiedensten Projekten verbaut, unter anderem in den Doppelstockwagen der Deutschen Bahn.

Schwerwiegende Argumente für Stahl im Leichtbau

Theoretisch ist es sinnvoll, möglichst viele Komponenten eines Fahrzeugs nicht aus Stahl, sondern aus spezifisch leichteren Werkstoffen, wie Aluminium, Magnesium oder Faserverbundkunststoffen, zu fertigen.

Praktisch aber lässt sich deren Gewichtsvorteil nicht vollständig auf das jeweilige Bauteil übertragen. Ihre geringe Festigkeit führt nämlich, neben einer geänderten Form der Bauteile, auch zu einer Erhöhung der Wanddicken, die den angestrebten Gewichtsvorteil verringert. Die Herstellung eines Karosserieblechs aus Aluminium erfordert gegenüber hochfestem Stahl etwa die vierfache Menge an Energie.

Das Stahl-Informations-Zentrum, Düsseldorf, führt ein Beispiel aus dem Automobilbau an: Der Vorderachsträger der Mercedes-C-Klasse (2010) wird wieder aus Stahl gefertigt: Auch mit einem Mehrgewicht von 1,5 kg war die Stahlvariante ökologisch vorteilhafter als die aus Aluminium. Die Baugruppe wird jetzt aus lufthärtenden Stählen mittels eines speziellen Umformverfahrens hergestellt und ist gegenüber der Aluminiumvariante 45 Prozent kostengünstiger.

Hybridschäume verbessern den Leichtbau

Mit einem speziellen Verfahren lassen sich zukünftig die mechanischen, thermischen und akustischen Eigenschaften von Schäumen verbessern. Davon profitiert vor allem der Leichtbau. Neuen Hybridschäume imitieren die Natur: Die Zellstruktur von Knochen und Bienenwaben zum Beispiel ist besonders belastbar und benötigt dafür extrem wenig Material.

Der Prozess, in dem diese leichtgewichtigen Konstruktionen entstehen, eignet sich genauso, um Metalle, Kunststoffe und Keramik zu schäumen. Diese Schäume für sich allein genommen besitzen ganz spezielle Eigenschaften: Kunststoffschäume etwa sind leicht und flexibel, halten aber keinen hohen Temperaturen stand; Metallschäume wiederum sind äußerst strapazierfähig, aber nur wenig flexibel und schwer; Keramikschäume sind recht starr und halten auch hohen Temperaturen stand, lassen sich leider nur sehr schwer formen.

Für die Automobilindustrie oder die Luft- und Raumfahrt ist es effizienter und ressourcenschonender, die Flexibilität von Kunststoff mit der Ausdauer des Metalls zu verbinden und zu einem Stoff mit ganz neuen Eigenschaften zu machen. Genau dies wird mit der Entwicklung der Hybridschäume von Entwicklern der Fraunhofer-Institute angestrebt. Der Werkstoff hat das Potenzial, über völlig neue Eigenschaften zu verfügen, wobei gleichzeitig die spezifischen Schwächen des einzelnen Bestandteils, beispielsweise das hohe Gewicht der Metallschäume, eliminiert werden können. Das ist die Besonderheit der neuen Hybridschäume.

Die Herausforderung der Entwicklung multifunktionaler Hybridschäume hat ein Forschungsverbund angenommen: die Fraunhofer-Institute für Chemische Technologien ICT, Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM), für Keramische Technologien und Systeme (IKTS), Silicatforschung (ISC) und Werkstoffmechanik (IWM).

Auf der ›Hybridica‹, der internationalen Fachmesse zur Entwicklung und Herstellung hybrider Bauteile, stellten die Fraunhofer-Forscher vom ICT schon 2008 erste Hybridschäume vor.

Sandwich-Bleche mit wabenförmiger oder gewellter Struktur

Multilayer-Sandwich-Platten aus Bio-Kunststoff, wie sie bisher hauptsächlich im Verpackungsbereich eingesetzt werden, sind leicht und schützen bestens. Es wird erwartet, dass sie auch in technische Bereiche vordringen. Ihre Struktur erinnert an die geniale Erfindung der Wellpappe.

Aalglatte Haihaut mit Lotus-Effekt

Texturierte Strukturwalzen für definierte Oberflächen von Feinblechen lassen sich mit einer neuen Walzentechnik erzeugen. Die Oberflächenstruktur von Feinblechen wird üblicherweise beim Nachwalzen im Dressiergerüst erzeugt. Dort wird die Oberflächenstruktur der texturierten Arbeitswalze durch ihre strukturierte Hartchromschicht auf die Oberfläche des Feinbleches übertragen.

Die von Topocrom Systems zusammen mit dem Stuttgarter Fraunhofer-Institut IPA entwickelte Hartchrom-Beschichtung ›Topocrom‹ erlaubt das prozesssichere Dressieren von Feinblechen für den Fahrzeugbau: Bei der Topocrom-Texturierung handelt es sich um eine galvanische Abscheidung strukturierter Chromschichten auf der Stahloberfläche der Arbeitswalze.

Es entstehen Strukturchromschichten mit einer halbkugelförmigen Oberflächenstruktur mit absolut stochastischer Verteilung, deren Rautiefe, Spitzenzahl und Strukturgestaltung variabel sind. Schichtaufbau und Härte der Topocrom-Schicht beim Texturieren, selbst hochfester Stähle, erlauben extrem hohe Walzenstandzeiten. Mit einem einzigen Topocrom-texturierten Walzenpaar können 40000 Tonnen Feinbleche ohne Walzenwechsel strukturiert werden.

Das Verfahren wurde von Topocrom Systems, Weinfelden (Schweiz), in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart, entwickelt.

Kleben, was das Zeug hält!

High-Tech-Klebeverbindungen ersetzen Nieten, Schrauben und Schweißnähte. Immer bessere Klebstoffe werden entwickelt und der Bedarf an Klebstoffen wächst ungebremst. Ein Mitteklasseautomobil aus dem Jahr 2010 enthält etwa 18 Kilogramm Klebstoff.

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM ) in Bremen haben einen lösbaren Schmelzklebstoff mit hoher Zugfestigkeit aus Polyamid entwickelt, der sich wieder lösen lässt, wenn die Verbindung gleichzeitig einer bestimmte Spannung (48 V) und Temperatur (65° Celsius) ausgesetzt wird. Stimmt die Spannung nicht, bleibt die Verbindung fest; stimmt die Temperatur nicht, bleibt die Klebeverbindung ebenfalls bestehen.

Stimmen beide, wird die Verbindung gelöst – aber nur dann! Ein Traum für alle Konstrukteure, die Klebeverbindung bisher unter ›nicht lösbare Verbindungen‹ eingeordnet haben. Ebenfalls an einem ›schaltbaren‹ Klebstoff wird an der Universität von Brooklyn gearbeitet: US-Forscher experimentieren dort mit Hydro-Polymer-Gelen, deren Klebekraft sich durch elektrische Felder fast vollständig aufheben lässt.

Auch der bekannte ›Sekundenkleber‹, der aus Cyanacrylat besteht und dadurch klebt, dass seine kurzen Molekülketten sich unter Feuchtigkeit – schon normale Luftfeuchtigkeit genügt – zu Polymeren vernetzen, ist ›lösbar‹. Anhaltende Wärme und Feuchtigkeit (Sauna, Gewächshaus, Spülmaschine) genügen, um die Klebeverbindung zu lösen.

Erschienen in Ausgabe: 02/2011