Unter Zugzwang

Schienenfahrzeugbau: So stellte Siemens Duewag auf Aluminium-Vollintegral-Bauweise um

Auf Kundenwunsch stellte Siemens Duewag vor rund sechs Jahren bei Schienenfahrzeugen für den Fernverkehr die Weichen Richtung Aluminium-Vollintegralbauweise. Wie der Abschied vom konventionellen Stahl-Fachwerk gelang, recherchierte Bänder, Bleche, Rohre im Krefelder Werk.

17. Dezember 2001

„Wem gehört Duewag eigentlich jetzt, nicht mehr den Kapellmanns?“ Die Frage der Taxifahrerin auf dem Weg zur Reportage war typisch: Für einen echten Krefelder ist die Fabrik im Ortsteil Uerdingen nach wie vor ein Familienbetrieb. Kein Wunder, denn seit der Gründung vor rund 110 Jahren durch Albert und Hermann Schöndorf zählt die Waggonbaufabrik Uerdingen und spätere Duewag AG zu den Stammunternehmen der Textilstadt.

Siemens beteiligte sich an Duewag mehrheitlich 1989, seit kurzem handelt es sich um eine 100prozentige Siemens-Tochter. Die Siemens Duewag Schienenfahrzeug GmbH fertigte bis zum Ende des Jahres 2000 an den zwei Standorten Düsseldorf und Krefeld mit rund 2.200 Mitarbeitern Straßen- und Stadtbahnen, Lokomotiven und Schienenfahrzeuge für den Fern- und Regionalverkehr. Zu den Highlights zählen Hochgeschwindigkeitszüge wie ICE 3 oder ICT (Fahrzeuge mit Neigetechnik).

Den Grund für den Einstieg bei Duewag nennt Dipl.-Ing. Wolfgang Mathes, Leiter Komponenten und Zulieferteile: „Wie alle großen, globalen Hersteller dieser Branche wandelte sich auch Siemens zum Komplettanbieter. Dabei fehlte dem Geschäftsbereich Verkehrstechnik unter anderem noch die mechanische Fertigung.“

Siemens konzentriert zur Zeit die gesamte Fertigung am Standort Uerdingen und löst das Düsseldorfer Werk auf. Entwicklung und Produktion aller Schienenfahrzeuge übernimmt dann Krefeld, um den Vertrieb kümmert sich die Zentrale in Erlangen.

Bis es soweit war, gab es eine klare Trennung: Düsseldorf fertigte Produkte für den Nahverkehr, Krefeld-Uerdingen war für den Fern- und Regionalverkehr zuständig. Das Uerdinger Werk verfügt über drei wesentliche Bereiche: die Entwicklung der mechanischen Teile und zwei große Fertigungssegmente für Roh- beziehungsweise Innenausbau.

Lagerfertigung entfällt, meint der Diplomingenieur: „Die mechanische Fertigung muß die Teile just-in-time an die Rohbaulinie liefern. Im Grund ist der Zwang zur Just-in-time-Produktion noch größer als in der Automobilindustrie.“

Hinzu kommt: Der Schienenfahrzeugbau hat einen sehr hohen Zukaufanteil. Dazu zählen zum Beispiel Motoren oder Bremssysteme. Von außen erhält Krefeld den kompletten sogenannten E-Anteil, also alle elektrischen und elektronischen Komponenten. Der M-Anteil, also alle mechanischen Teile, entsteht zu etwad 50 Prozent in Krefeld.

Dabei kam es laut Mathes zu einem Werkstoff-Wechsel: „Vor rund sechs Jahren haben wir die Produkte für den Fernverkehr komplett von Stahl umgestellt auf Aluminium. Für die Substitution sprechen Recycling, Umweltfreundlichkeit und Leichtbau. Dank des Umstiegs auf Aluminium konnten wir das Gewicht um zehn bis zwanzig Prozent senken.“

Über das nötige Aluminium-Know-how verfügt Siemens Duewag schon seit Jahren, doch der totale Schwenk erforderte enorme Umstellungen in der Fertigung. Die Rede ist von der sogenannten Aluminium-Vollintegralbauweise, auf die sich Krefeld mit der Produktion des elektrischen Regionaltriebzuges (ET) umstellte. Bei dieser neuen Bauweise entstehen die gesamten Bauteile aus Halbzeugen.

Vorher entstanden die Schienenfahrzeuge als Stahlkonstruktion in klassischer Fachwerkbauweise mit Beplankung. Die Fahrzeuge ließen sich im wesentlichen nur mit komplexen, handwerklichen Verfahren herstellen. Die Arbeiten umfaßten:

· Längsnahtschweißen mit umrüstbaren Vorrichtungen

· konventionelles Fügen und Spannen der Profile

· Fräsen und Sägen von Hand

· konventioneller Aufbau

· manuelles beziehungsweise mechanisiertes Schweißen.

Der erste Schritt hin zur Vollintegralbauweise erfolgte beim ersten Intercity-Express (ICE 1). Dazu der Leiter der Komponentenfertigung: „Dort entstanden erstmals die Bodenplatten in Aluminium-Vollintegralbauweise. Zum Zuge kam eine Preßtechnik, welche die T-Schienen für die Befestigungselemente formte.“ Der weitere Aufbau geschah dann zwar auch in Aluminium, aber im Prinzip nach den konventionellen Stahlbau-Methoden mit Beblechung et cetera.

Im Prinzip fand also das gleiche wie im modernen Automobilbau statt: Anfangs wurde nur Stahl durch Aluminium ersetzt. Um die Mehrkosten für das wesentlich teurere Aluminium zu kompensieren, mußte Siemens Duewag eine werkstoffgerechtere Konstruktion einsetzen und sich ein völlig neues Fertigungskonzept ausdenken.

Der Wechsel hin zur werkstoffgerechten Konstruktion erfolgte Schritt für Schritt. Die Hauptrolle spielen Strangpreßprofile, die maßgeschneidert auf die Länge der Züge oder der Wagenkästen abgeschnitten und dann nach dem Nut- und Federprinzip miteinander verbunden werden. Pro Seitenwand, Dach und Boden kommen jeweils fünf derartiger Profile zum Einsatz, die dann verschweißt werden.

Der Einfluß dieser Bauweise auf die Fertigungsverfahren war enorm: Im Prinzip forcierte der Abschied vom Stahl den Wandel hin zur industriellen Produktion. „Wir überlegten intensiv, wie wir uns in der Produktion dem Kundenwunsch nach Vollintegralbauweise anpassen“, erinnert sich Mathes. „Unser Programm nannte sich RAN für Rohbau Neu. Am liebsten hätten wir einen Riesen-Aluminiumklotz genommen, um daraus einen kompletten Wagenkasten zu fräsen.“

Weil sich dieser Traum des Fertigungsexperten (noch) nicht verwirklichen läßt, mußte er die Produktion Schritt für Schritt umstellen: Beim Längsnahtschweißen lösten zum Beispiel universelle die bisher umrüstbaren Vorrichtungen ab. Das Fügen von Großbaugruppen und Profilen wurde automatisiert und vereinfacht. Außerdem führten die Krefelder neue Fügeverfahren ein: zunächst das MIG-Eindraht-Schweißen und dann das MIG-Tandem-Verfahren.

Auch das mechanische Bearbeiten wandelte sich laut Mathes im Kennzeichen von RAN: „An die Stelle von Einzelprofilen traten Großbaugruppen, die auf Großfräsen komplett gefräst werden. Damit machten wir einen enormen qualitativen Sprung nach vorne.“ Das Fertigungsprinzip: Ungenaue Schweißoperationen verlagerte Siemens Duewag nach vorne, um dann unpräzise Stellen - etwa die sogenannten Schweißstrümpfe - durch automatisiertes Fräsen zu beseitigen. Auf diese Weise entstehen komplette Seitenwände, Böden und Dächer nahezu vollautomatisch.

Anders gestaltet hat Krefeld auch den Zusammenbau der gesamten Wagenkästen. Handelte es sich vorher um eine Vielzahl von individuellen Bauteilen, die manuell beziehungsweise teilweise mechanisiert miteinander verschweißt wurden, kommen nun nur noch vier beziehungsweise sechs standardisierte Module zum Einsatz: Zwei Seitenteile, Dach, Boden und zwei Stirnwände, die in einer Zusammenbau-Einrichtung teilweise automatisch geschweißt werden.

Das I-Tüpfelchen in dieser „sehr sauberen“ Prozeßkette setzte Krefeld im Jahr 2000: Ein optisches Meßsystem ersetzte das bisherige konventionelle Vermessen des fertigen Rohbaus.

RAN krempelte aber auch den Fertigungsfluß um. Die 58 mal 160 Meter große Halle wurde aufgeteilt in die Technologiezellen „Schweißen“, „mechanische Bearbeitung“ und „Aufbau des Wagenkasten“. Der Chef der mechanischen Fertigung: „Früher entwickelten wir für jedes Produkt eine eigene Produktlinie mit Einzweck-Vorrichtungskonzept. Daher war schon der Platzbedarf enorm. Unsere neues Fertigungskonzept gestalteten wir dagegen so universell, daß sich jedes Aluminium-Schienenfahrzeug in Losgröße eins in die Linie einsteuern läßt. Alle Vorrichtungen lassen sich an dieses Produkt anpassen.“ Im direkten Wechsel lassen sich also hintereinander ohne jegliche Umstellung ein Seitenteil für einen ICE oder ein Dach für einen elektrischen Regionaltriebzug fertigen.

Zum Fertigungsfluß: Die Strangpreßprofile erhält die Fabrik von großen Alu-Preßwerken in der jeweils definierten Länge. Weltweit gibt es übrigens nur zwei Hersteller, nämlich Corus, Koblenz, und Alusuisse, Singen, welche die Profile in der gewünschten Breite und Länge, je nach den Produktanforderungen, liefern können. Diese Unternehmen integriert Krefeld teilweise sogar in die Konstruktion der Halbzeuge.

Die Profile wandern in ein Kommissions-Wareneingangslager, welches die Halbzeuge produktspezifisch zuordnet und in die Fertigung als Fünfer-Pakete - sogenannte Kits - einschleust. Dort gelangen sie in die 62 Meter lange Schweißzelle von Cloos, Haiger, die mit Hilfe eines Universal-Schweißportals, das vier Spannvorrichtungen abdeckt und die für eine Fahrzeuglänge von maximal 26 Metern ausgelegt sind. Die MIG-Schweißzelle fügt jeweils fünf Profile vollautomatisch zu einem Komplettbauteil.

Manchmal bestehen Komponenten aus sechs oder sieben Profilen. Weil aber das Vorrichtungskonzept beim Schweißen auf fünf Profile ausgerichtet ist, läßt sich Siemens Duewag Alu-Pärchen herstellen. Rechenexempel: Dreimal ein Halbzeug plus zweimal Halbzeugpärchen gleich sieben. Mathes& pos; Wunsch an die Branche: „Es wäre schön, wenn sie die Profil schweißgerechter anliefern könnte.“

Das Anpassen an unterschiedliche Profile beziehungsweise Baugruppen geschieht über Vorrichtungen, die nach dem Schachbrett-Prinzip aufgebaut sind, die sich den verschiedenen Baugruppenkonturen flexibel anpassen. Alles in allem reduziert diese Schweißzelle die Nebenzeiten um mehr als 50 Prozent.

Die Qualitätssicherung übernehmen beim MIG-Tandemschweißen am Schweißkopf ein Lasersensor und eine Videokamera mit integrierter Beleuchtung. Trotz der vollautomatischen Schweißnahtverfolgung muß immer noch manuell eingegriffen werden. Begründung des Experten: „Es gibt zahlreiche Einflußgrößen wie Qualitätsschwankungen in Schweißgas, Schweißzusatzstoffen oder Alulegierung, derentwegen wir immer noch etwas von Hand nachregeln müssen.“

In der Technologiezelle „Fräsen“ folgt die mechanische Bearbeitung: Dabei bestand die Kunst darin, die CNC-Technik der Fräse mit der flexiblen Vorrichtungskonzept zu verheiraten, die unterschiedlichste Baugruppenkonturen aufnehmen muß. Die Großfräsen stammen aus einer fremden Branche. Den Grund nennt Mathes: „Bei klassischen Maschinenbauern gefielen uns weder die hohen Kosten noch die Innovationskraft. Schließlich stießen wir auf die Firma Fooke aus dem westfälischen Borken, die aus der Holzverarbeitung stammt. Sie tüftelte mit uns gemeinsam ein neues, großes Fräsportal aus und sie entwickelte dazu die passende Vorrichtung.“ Die Fräsen packt maximal in einer Aufspannung Komponenten mit einer Länge von 24 Metern und einer Breite von 2,6 Metern.

Zwei dieser Fräsportale arbeiten vis-à-vis in der Technologiezelle & pos;Fräsen‘ im Parallelschwung, wobei sie mit einem Maximaltempo von vier Metern pro Minute fräsen. Um die Komplettbearbeitung zu beschleunigen, wird ein automatischer Werkzeugwechsler mit 20 Werkzeugen eingesetzt.

Zu schaffen machte den niederrheinischen Experten der Wechsel vom einfachen Stahlblech beziehungsweise Stahlprofil zum kompletten Alu-Bauteil aus Vollintegralprofilen. Dazu der Leiter der Komponentenfertigung: „Wir müssen bei der Programmierung das Tempo der Spindel und die Werkzeuge einer sich ständig ändernden Profillandschaft anpassen. Wir investierten zusammen mit den Herstellern viel Grips, um das in den Griff zu bekommen.“

Bei diesen Denksportaufgaben für Produktioner geht es etwa um Durchbrüche im Fensterbereich mit Versteifungsrippen oder Knoten, bei denen sich zum Beispiel das Spindeltempo individuell ändern muß. Alle diese Kennzahlen mußte sich Krefeld individuell zusammen mit den dementsprechenden Herstellern mühsam erarbeiten. Bei den Tools handelt es sich in der Regel um Werkzeuge mit Hartmetallschneiden von Dormer beziehungsweise Comet.

Bis auf das Gewindeschneiden (Minimalmengenschmierung) hat Siemens Duewag die gesamte Fertigung trockengelegt. Dazu konstruierte Fooke seine Portalfräsanlagen so, daß die Späne nach unten in einen automatischen Späneförderer fallen. Das uralte Argument vieler Aluminiumverarbeiter, daß sie die Kühlschmierung wegen des Späneabtransportes benötigen, zieht also nicht mehr.

Anschließend gelangen die Bauteile in zwei Universal-Aufbauständen von Bisiach & Carru aus Turin. Flexibel gestaltete Aufnahmeeinrichtungen sorgen auch hier dafür, daß quasi im fliegenden Wechsel hintereinander ein ICE-Waggon und ein Regionalfahrzeug montiert werden können.

Analog zur Fertigung wandelte sich Mathes zufolge auch die Entwicklung in den letzten sechs Jahren: „Wir verkürzten die Prozeßzeit von der Entwicklung zur Fertigung erheblich. Anstelle der früheren technischen Zeichnung trat eine durchgängige CAD/CAM-Prozeßkette. Ganze Fertigungsprozesse werden vorher auf dem Rechner durchgespielt. Ohne große manuelle Umstellungen lassen sich CAD direkt in die CNC-Maschine einspeisen.“ Die Betonung liegt bei der durchgängigen Lösung auf dem Wörtchen „nahezu“. Zu schaffen macht den Krefeldern noch das Einbeziehen der Vorrichtungen, doch „dieses Thema haben wir jetzt bei der Fräszelle schon zu rund 60 Prozent im Griff“ (Mathes).

Es ist also nur noch eine Frage der Zeit, wann Krefeld das Aluminium voll ausgereizt hat. Was kommt dann? Der nächste Schritt ist für den Diplomingenieur schon in Sicht: „Es handelt sich um Hybridlösungen. An den unterschiedlichsten Anforderungsstellen kommt jeweils der richtige Werkstoff zum Einsatz. In Frage kommen beispielsweise Kunststoff, Stahl, Aluminium oder Faserverbundwerkstoffe, die ideal miteinander verheiratet werden.“

Schon jetzt ist Bänder, Bleche, Rohre gespannt, wie dann die Vorzeigefabrik in Krefeld aussieht. Und vielleicht kann dann Mathes dem Reporter berichten: „Es handelt sich bei unserem Fertigungsverfahren um eine Revolution im Schienenfahrzeugbau, das mittlerweile alle Wettbewerber übernommen haben.“

Erschienen in Ausgabe: 01/2001