Die Zukunft steht uns unmittelbar bevor

Future/Leichtbau

Wir haben die Zukunft gesehen, die Zukunft im Schienenfahrzeugbau – zum Greifen nah auf der Bahnmesse Innotrans: Für die Branche der Bänder, Bleche, Rohre und Profile haben wir genau hingesehen, was da auf Schienenwegen in die Zukunft unterwegs ist.

19. März 2013

Die Zukunft gab es schon zu sehen, zumindest die Zukunft von Hochgeschwindigkeitsszügen und anderen Schienenfahrzeugen: auf der Innotrans – allerdings nicht fertig montiert und funktionsfähig auf die Schiene gesetzt, sondern noch in Einzelteilen und Komponenten, als Bänder, Bleche, Rohre, Profile und viele innovative Baugruppen aus Stahl, Leichtmetall, Hybridmaterial und Kunststoff. Mit Fantasie und Visionen konnte man sich dort die einzelnen Puzzle-Stücke zu einem hochinteressanten Gesamtbild zusammenfügen, was 2035 in Hightech mit High-Speed und hocheffizient auf den Schienen der Welt stehen wird. Und was auch die Welt der Zulieferer von Bändern, Blechen, Rohren und Profilen für den Schienenfahrzeugbau und die Bahntechnik verändern wird.

Sicher ist jedenfalls: Die ebenerdige Hochgeschwindigkeit auf den Gleisen hat Zukunft, der Trend geht zum ›Fliegen auf Rädern‹. Wer Zulieferer ist, werden oder bleiben will, muss sich rechtzeitig darauf einstellen.

Fangen wir mit dem Kopf an, genauer mit der strömungsgünstigen Nase der Schienenfahrzeuge, besonders der Hochgeschwindigkeitszüge (HGZ). Alle möglichen Formen wurden schon auf ihr Strömungsverhalten untersucht. Stellt man ästhetische Ansprüche und PR-Effekte zurück und die reine Zweckmäßigkeit in den Vordergrund, dürfte der spanische Hochgeschwindigkeitszug ›Talgo Avril‹ dem Optimum ziemlich nahe kommen: eine relativ kurze Nase, die den Großteil der verdrängten Luft nach oben leitet und wenig Baulänge verbraucht.

Natürlich sind im Schienenfahrzeugbau optimale Wirtschaftlichkeit und minimaler Energieverbrauch gefordert, und das setzt Leichtbau voraus. Mit gravierenden Auswirkungen auf die Branche der Bänder, Bleche, Rohre und Profile. So wurde die Euroblech 2012 konzeptionell um ›die Verarbeitung von hybriden Strukturen aus Blech/Kunststoff‹ erweitert.

Noch gibt es kein Produktionsverfahren, mit dem faserverstärkte Kunststoff-Bauteile so wirtschaftlich in Großserie hergestellt werden können, dass sie gegenüber Stahl und Alu konkurrieren könnten. Aber erste Schritte sind getan: In einem Tochterwerk von BMW, der SGL Automotive Carbon Fibers GmbH in Wackersdorf, produziert man ›CFK-Gelege‹ (geflochten und gewickelte Fasergewebe), die im BMW-Werk Landshut dann zu Leichtbau-CFK-Bauteilen verarbeitet werden. Sagenhafte Eigenschaften werden diesen Teilen zugesprochen: Leicht sind sie, fest auch – und teuer. Aber leicht wird vergessen, dass Kunststoff als Füllmasse unbedingt dazugehört – und Kunststoff ja bekanntlich aus dem endlichen Rohstoff Erdöl gewonnen wird. Was 2012 noch möglich ist, könnte 2035 eng werden

Leichtbau-Konstruktion fängt aber nicht erst beim Wagenkasten, seinen hybriden Sandwich-Blechen, Aluminium- und Magnesium-Komponenten an, sondern im Falle des HGZ bei der grundsätzlichen Konstruktion, beispielsweise dem Antrieb: Hier kann man neue Wege gehen, Hybridantriebe oder mehrere verteilte Dieselmotoren statt eines einzigen Antriebsaggregats. Ein Konzept, das den Zug leichter macht, aber auch universell einsetzbar, autark auch da, wo keine Stromversorgung besteht. MTU und die DB haben einen dieselelektrischen Triebwagen auf die Schiene gestellt, angetrieben von einem ›Powerpac‹, das auch noch Bremsenergie aufnimmt, speichert und wieder als Antriebskraft nutzbar macht.

Kers spart Energie

Die Bremsenergie-Rückgewinnung ist kein grundsätzliches Problem mehr: mechanisch, elektrisch, chemisch … – es gibt viele Möglichkeiten. Wenn man das System von Vinci Energies aus Lyon nutzt, können unter Umständen 30 Prozent des Energiebedarfs gespart werden: ›Supercaps‹ heißen die kapazitiven Energiespeicher, die im Umspannwerk oder entlang der Schiene die elektrische Bremsenergie aufnehmen und speichern – und in der Antriebsphase wieder abgeben. Nützliche Energiespeicher lassen sich aber auch im Fahrzeug unterbringen, als Kers. Im Automobilbau hat Mazda beispielsweise in den neuen Typ 6 ein Kers integriert. Schienenfahrzeuge und der Schienenbetrieb bieten dafür weit bessere Möglichkeiten.

Zum Leichtbau gehört und führt auch die dezentrale Antriebstechnik, die jedem Rad seinen Motor zuspricht: Radnabenmotoren, die keinen zusätzlichen Platz benötigen und auch das Gewicht nicht über das eines heutigen Laufachsensatzes heben müssen. Was im Stadtbus beispielsweise mit Antrieben von Ziehl-Abegg aus Künzelsau und sogar in neugierigen Robotern auf dem Mars jahrelang funktioniert, kann auch in Schienenfahrzeugen genutzt werden.

Die zugehörigen Räder jedenfalls können vom Laser generiert werden. Wer nicht glaubt, dass sich das realisieren lässt, den belehren Technologieführer wie Siemens, Rolls Royce und MTU, die sogar besonders sensible Turbinen mit neuen Auftragsverfahren wie LMD (Laser Metal Deposition) und SLM (Selective Laser Melting) endkonturnah fertigen oder zumindest reparieren (wollen), eines Besseren. Über Genauigkeiten von Zehntelmillimetern und Rautiefen von 30 µm wird berichtet. Wenn diese generativen Verfahren des ›Laser Additive Manufacturing‹ damit sogar in den Präzisionsbereich der Turbinen im Flugzeugbau und in der Energietechnik vordringen, warum dann nicht in die Herstellung von Eisenbahnrädern?

Schief gewickelt

Unser Szenario für 2035 sah schon 2010 für Wagenkästen eine Tragstruktur aus Hohlprofilen vor, mit Sandwich-Blechen beplankt. Die Beplankung sollte als endloses Blechband vom Coil kommen und schief aufgewickelt werden. Wer bei Sandwich-Blechen an die gute alte Wellpappe denkt, ist auf dem richtigen Weg. Denkbar sind auch Waben-Sandwich-Bleche, dünne Deckbleche mit einer Füllung aus Waben, die vertikal zwischen zwei Blechen stecken – eine Struktur, die, allerdings aus GFK, schon in den Rennwagen der späten 60er verwirklicht wurde. Die Biene machts vor: Solche Waben sind in jede Richtung stabil – Optimum aus der Natur. Noch besser ist allerdings die Voronoi-Methode, in der der Natur freien Lauf gelassen wird: Wie im Knocheninneren entsteht durch Aufschäumen zwischen Sandwich-Blechen – nicht nur mit Kunststoff-, sondern auch mit Metallschäumen – eine Struktur, die Leichtigkeit und Luftigkeit mit hoher Festigkeit verbindet.

Ein bekannter Hersteller von Sandwich-Blechen ist Metawell aus Neuburg an der Donau, der fast ausschließlich auf Sandwich-Bleche nach dem Wellpappe-Prinzip setzt. Vor allem, wenn das kostengünstigere und in der Energiebilanz und Umweltverträglichkeit günstigere Sekundär-Aluminium eingesetzt wird, wie Geschäftsführer Herbert Fährrolfes zum Systemstreit von Aluminium gegen Stahl argumentiert.

ThyssenKrupp setzt dagegen mit ›Litecor‹ auf die hybride Mischbauweise aus Kunststoff und Stahl, die für flächige Innen- und Außenteile gedacht ist: zwei dünne Deckbleche mit einer Füllung aus Polymeren. Auch die Euro-Shelter SA, Rennes, nahm sich dieser Technologie an und übertrug sie aus Aeronautik und Militärtechnik auf Schienenfahrzeuge: eine Waben-Struktur als Kern zwischen zwei Alu-Blechen als Außenhaut lässt sich nicht nur für flächige Abdeckungen, sondern auch Sitzkonstruktionen und andere geformte Bauteile einsetzen. Die Füllung kann auch aus Zellulose bestehen oder durch sie ergänzt werden, wie es die Moniflex-Isolierung von Isoflex aus Schweden zeigt: Zellulose sei das leichteste und umweltfreundlichste derzeit erhältliche Isoliermaterial (13 g/l).

Wer leichter bauen will, muss auf leichte Baugruppen achten. Kaum etwas ist leichter als Luft. Auch sie trägt ihren Teil zum Leichtbau bei: Luftfederungen unterstützen den Leichtbau im doppelten Sinne: Wie ein quergelegter Autoschlauch sieht ein High-Tech-Teil von Contitech aus: Leichter kann ein Federungssystem fast nicht sein. Es macht aus dem Zug ein bequemes ›Luftkissen-Fahrzeug‹. Contitech entwickelte ein System weiter, das es schon lange gibt. Vor allem jahrzehntelanger Umgang und reiche Erfahrung machten aus dem flexiblen Naturwerkstoff Gummi ein definiertes Hightech-Material, erklärt Friedrich Hoppmann von Contitech Railway Engineering.

Lösbare Klebelösungen

Die Klebetechnik als Verbindungsmethode hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht und ist noch lange nicht am Ende der Entwicklung angelangt. Vor allem wird sie immer berechenbarer und verlässlicher. Zerstörungsfrei, unter der richtigen Spannung und Temperatur, können heute manche Klebeverbindungen wieder gelöst werden. Keine Nietlöcher schwächen die Verbindungsstellen. Nieten an Schwachstellen wird es bald nur noch im personellen Bereich geben.

Geklebte Treppen, wie die Mustertreppe für Doppelstockzüge von KWM Weisshaar, zertifizierter Klebespezialist aus Mosbach, sind beispielsweise eine Baugruppe, bei der auf Nieten und Schrauben verzichtet und die Klebetechnik als vollwertige, berechenbare Verbindungstechnik vorbehaltlos eingesetzt wird.

Große Einigkeit besteht darin, dass Doppelstöckern die Zukunft gehört. Einen Beweis für die Zukunftsfähigkeit dieses Konzeptes liefert die Stadler Rail AG aus der Schweiz: ›Kiss‹ heißt der Doppelstock-Triebzug, in Berlin-Brandenburg sollen 16 davon als Stadtbahn eingesetzt werden.

Schwere Löcher

Unsere gewagteste Prognose für 2035 ist es, den Fenstern im Zug jeden Nutzen abzusprechen – und Schaden von der Zugstruktur dadurch abzuwenden, dass wir keine strukturschwächenden Fensterdurchbrüche mehr erlauben, sondern Fenster durch Innendisplays mit Außenkameras ersetzen. Angedacht und nachgedacht haben darüber auch schon ernsthafte Wissenschaftler.

Wir wollten die dünnen Displays neben dem simulierten Ausblick auch für Video und als Computer-Bildschirm nutzen, nur auf Wunsch für den simulierten Durchblick. In jedem Fall aber den stabilitätsmindernden Lochfraß am Zug ausschließen. Sehr gewagt – und sicher gewöhnungsbedürftig. Fast naturgemäß eilen unsere Vorstellungen und unsere Vorstellungskraft hier der Entwicklung weit voraus.

Ein bisschen in die Nähe unser Fantasien kommt bisher nur das Fahrgast-Informations- und Entertainment-System von Vianova Technologie aus Dresden, das sich wohl noch zum Entertainment-System hochrüsten und nachrüsten lässt: In HDTV-Qualität, also hochauflösend, bieten die Displays in Bus und Bahn die übliche Fahrgast-Information auf modularen 16:9-Bildschirmen. Dazu sind aber auch noch (kostenpflichtige) Werbe-Einblendungen möglich. Mit ein bisschen Mut und Kreativität ist es sicher vorstellbar, die Displays an die Stelle von Fenstern zu setzen, und so unserer Vision vom geschlossenen, fensterlosen Zug näher zu kommen.

Wir hatten auch fantasiert, dass solche Wagenkästen als Fahrgast- oder Cargo-Zellen schwingend aufgehängt in die Fahrgestelle leicht ein- und ausgewechselt werden. Utopisch? Ein Logistik-Spezialist aus Genua hat allerdings ein ähnliches System als ?etacargo auf der Innotrans vorgestellt: Parallel zum Gleis aufgebaut braucht dieses System nur drei Minuten, um einen Container vollautomatisch aus dem verkuppelten Zug horizontal zu verladen, auch unter einer Oberleitung.

Aller reden vom Wetter

Die Bahn kommt – bei jedem Wetter? Wie das Wetter werden wird, weiß – die Meteo-Group aus Berlin: Sie bietet Wetter-Vorhersagen, die genau auf den Schienenbetrieb zugeschnitten sind. Ob Laubfall oder Schneefall, ob Adhäsions-Prognosen oder Vereisungswarnungen – die Daten können über ein Online-Portal abgerufen und in ein Informationssystem integriert werden.

Ein weiteres Sicherungssystem ist ein wachsames Auge: RDS-International hat ›VIPS‹ entwickelt, eine CCTV-Dualsensor-Kamera, die Tag und Nacht funktioniert: Per Video und in Echtzeit wird die Zugposition kontinuierlich immer eindeutig ermittelt, auch wenn kein GPS-Signal empfangen wird, wie in Tunnels. Ein zusätzliches Sicherheitssystem, wie wir es für unsere HGZ-Visions-Version zum Einbau in die Sensor-Beule vor dem Fischkopf-Profil unserer Zugspitze vorgesehen haben.

Zu unserer Vorstellung von Gel-Teppichen, die wir für die Innenausstattung vorhergesehen haben, gibt es realisiertes Material: Forbo-Flooring Systems aus Großbritannien, die besondere Bodenbeläge mit senkrechten Fasern und Velours-ähnlicher Oberfläche anbietet, die das Gehen bequem und die Reinigung leicht machen. Durch digitale Bedruckung ist nicht nur eine besondere optische Gestaltung möglich, sondern entsteht eine dreidimensionale Tiefenwirkung. Ein schönes Gestaltungselement, das unserer Vorstellung von einem Gel-Teppich schon nahekommt.

Nichts Aufregendes in Sachen Leichtbau zeigten die Sitzhersteller: Immer noch sind die Fauteuils bis 24 kg schwer, scheinen sich die Innovationen auf Bepolsterung und Design der Bezüge zu beschränken. Auch hier geht die Automobilindustrie voran – und das, obwohl ein Autositz wesentlich mehr aushalten muss als einer im Zug.

Dünnblech-Sessel mit Fauteuil-Gefühl

Für die automobilen Rücksitze haben die Ingenieure von Johnson Controls einen Teil des Rahmens aus Aluminium und eine Rückwand aus 0,4 mm dünnem Stahlblech ergedacht. Die modulare Rücksitz-Konstruktion wird durch eine Multi-Material-Struktur in hochentwickelter Klebetechnik um über ein Drittel (34 Prozent) leichter. Die Klebetechnik verbindet dabei aber nicht nur Alu und Stahl, sondern bezieht auch Kunststoffe, Naturfasern und anderen Materialien mit ein.

Diese Technik der verklebten modularen Multi-Material-Bauweise erfüllt auch noch alle Forderungen an Stabilität, Dauerhaltbarkeit und Strukturfestigkeit und besteht jeden Crash-Test. Deswegen sieht Dr. Andreas Eppinger vom Technologie-Management der Johnson Controls Automotive auch weitere Anwendungen »in zahlreichen Produktgruppen des Automobilbaus« als durchaus möglich an.

Wir sind nicht allein in Raum und Zeit

Nicht nur unsere Redaktion und Autoren, nein, weltweit wird mit Hochdruck an der Hochgeschwindigkeit auf der Schiene gearbeitet: am konsequentesten wohl am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Dort arbeiten die Ingenieure am Zug der Zukunft und nennen ihn ›Next Generation Train‹ (NGT). Die Projekt-Ergebnisse wollen sie dem Schienenfahrzeugbau zur Verfügung stellen.

Für ihren Zug der Zukunft bringen die Ingenieure des DLR das Beste aus Flugzeug und Bahn zusammen, wie wir dies in unserer Artikelserie prognostiziert haben. Hier wächst zusammen, was zusammengehört. Ziel des Projekts unter Projektleiter Dr.-Ing. Joachim Winter: die virtuelle Entwicklung eines doppelstöckigen Hochgeschwindigkeitszuges, 400 Stundenkilometer schnell, der pro Passagier etwa 50 Prozent weniger Energie verbraucht als heute der ICE 3 und dabei möglichst leise und sicher unterwegs ist. Die Ingenieure verpassen dem Zug der Zukunft dafür die Leichtbauweise eines Jumbo-Jets, bedienen sich bei den Verbundwerkstoffen aus der Flugzeugindustrie und arbeiten mit den gleichen aerodynamischen Konzepten wie die Kollegen aus der Luftfahrttechnik. Eine absehbare Form der Zusammenarbeit. Hier wächst zusammen, was zusammengehört. Voraussehbar.

Wolfgang G. Trapp

Freier Fachjournalist aus Swidwin (Polen)

Die Bahn im Jahre 2035

2035 sind Unfälle mit Schienenfahrzeugen verboten, was deren Masse erheblich senkt. Lok- und Wagenkästen bestehen aus einem Grundgeflecht mehreckiger Hohlprofile und mit Stahl-Sandwich-Blechen mit nano-dressierter Außenhaut endlos umwickelt. Die Passagierzellen sind fensterlose Doppelstockwagen. Innendisplays simulieren Fenster und Aussicht perfekt durch Außenkameras. Die Bestuhlung ist filigran und flexibel in ihrer Anordnung. Die Wagenkästen sind pendelnd in die autonomen Drehgestelle eingehängt und einfach ein- und auswechselbar. Diese ruhen auf lasergenerierten Einzelrädern mit Radnabenantrieben. Die Höchstgeschwindigkeit wurde auf 400 km/h festgesetzt.

Erschienen in Ausgabe: 02/2013