Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »LEDA«
Die Verlagerung des Güter- und Personenverkehrs auf die Schiene ist ein grundlegender Schritt zur Erreichung der von der Bundesregierung angestrebten Treibhausgasneutralität bis 2045. Um die Bahn als ökologisch und wirtschaftlich attraktivere Alternative zum Individualverkehr zu etablieren, ist es entscheidend, ihre Wirtschaftlichkeit zu steigern. Ein bedeutender Faktor hierbei liegt in der Senkung von Aufwand und Kosten für die Instandhaltung der Schienenfahrzeuge, insbesondere gilt das für sicherheitskritische Bauteile wie Eisenbahnräder.
Innovative Prozesskette für die Reparatur von Eisenbahnrädern
Eisenbahnräder unterliegen hohen sicherheitstechnischen Anforderungen und erfordern aufgrund der starken Materialbeanspruchung regelmäßige Reparaturen. Üblicherweise werden die Räder mit einem bestimmten Materialaufschlag hergestellt; bei der Reparatur wird dann so lange Material mittels subtraktiver Verfahren abgetragen, bis die Oberfläche wieder defektfrei ist. Diese Herangehensweise ist weder wirtschaftlich noch effizient.
Im Forschungsprojekt »LEDA – Lebensdauerverlängerung von Eisenbahnrädern durch drahtbasiertes Auftragschweißen« entwickeln wir eine innovative Prozesskette für die Reparatur von Eisenbahnrädern. Durch den gezielten Einsatz additiver Fertigungstechnologien wird diese Prozesskette ökonomisch und ökologisch deutlich effizienter als die herkömmlichen Methoden.
Neue Prozesskette verdreifacht Lebensdauer der Eisenbahnräder
Die neue Prozesskette umfasst die Erfassung und Analyse von Fehlstellen, die automatisierte Auswahl der optimalen Reparaturstrategie, die Durchführung der Reparatur mittels additiver Verfahren, die subtraktive Vor- und Nachbearbeitung sowie eine umfassende Qualitätskontrolle und -sicherung.
Der Einsatz additiver Fertigungsverfahren revolutioniert die Reparatur von Eisenbahnrädern: Statt Material abzutragen, wird mittels additiver Verfahren gezielt zusätzliches Material aufgetragen. Dadurch wird die Lebensdauer der Räder verdreifacht, und der Materialverbrauch, die Instandhaltungskosten und die Ausfallzeiten erheblich reduziert. Die Automatisierbarkeit der Reparatur wird erhöht und sogar das Gewicht der Räder und damit der Transportkosten werden verringert.
Softwarelösungen zur Automatisierung
Das Forschungsteam identifiziert zunächst den optimalen Werkstoff für den Draht sowie die bestmögliche Methode für die additive Reparatur. Dazu werden verschiedene Werkstoffe mittels Laserauftragschweißen (engl. Laser Metal Deposition with wire, LMD-w) und Lichtbogenauftragschweißen (engl. Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) getestet und die Ergebnisse verglichen.
Zur Automatisierung der Reparaturprozesse erarbeitet das Projektteam verschiedene Software-Tools, etwa Scan-Strategien zur präzisen Erfassung von Fehlstellen sowie ein CAD/CAM-Modul zur standardisierten Bahnplanung. Die entwickelten Software-Tools werden in eine bereits bestehende Softwareumgebung integriert.
Eine umfassende Qualitätskontrolle entlang der gesamten Prozesskette wird durch ein Monitoring-System und zerstörungsfreie Prüfmethoden gewährleistet. Zur Verifizierung werden die reparierten Räder intensiv getestet, sowohl im praktischen Einsatz als auch auf Prüfständen.
Machbarkeitsstudie für die Zulassung des Reparaturschweißens
Im letzten Projektabschnitt führen die Forscherinnen und Forscher schließlich eine ganzheitliche Bewertung der neuen Reparaturprozesskette und eine Analyse einer nachfolgenden Zulassungsfähigkeit durch. Zum Abschluss des Projekts ermöglicht dieses Vorgehen eine technisch fundierte Aussage über die Zuverlässigkeit des additiven Reparaturverfahrens und die zu erwartende Langzeitstabilität. Basierend auf den Erkenntnissen des Verbundprojektes »LEDA« wird eine Machbarkeitsstudie zur Zulassung des Reparaturschweißens unter Berücksichtigung des ökologischen und ökonomischen Mehrwerts angefertigt.
Förderung
Das Projekt »LEDA – Lebensdauerverlängerung von Eisenbahnrädern durch drahtbasiertes Auftragschweißen« wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms »Innovationen für die Energiewende« gefördert.
Projektträger: Projektträger Jülich
Projektpartner
- Fraunhofer IPT (Koordination)
- Lehrstuhl und Institut für Schienenfahrzeuge und Transportsysteme der RWTH Aachen
- ModuleWorks GmbH, Aachen
- Hegenscheidt-MFD GmbH, Erkelenz
- Rurtalbahn GmbH, Düren
Assoziierter Partner: Deutsche Bahn AG