Additive Fertigung für Bremssysteme der nächsten Generation

Additive Fertigung│ Wabtec Corporation
Leicht und effizient: Die zusätzlichen Vorteile der additiven Fertigung

Wenn es um die in Zügen verwendeten Bremssysteme geht, stehen Sicherheit, Zuverlässigkeit und Leistung immer an erster Stelle. In diesen Bereichen ist Wabtec mit unseren Bremslösungen Metroflexx und Regioflexx führend. Metroflexx setzt den Standard für die Schienenverkehrsbranche, und Regioflexx ist unsere Lösung der neuesten Generation für S-Bahn-, Intercity-, Regional- und Hochgeschwindigkeitszüge.

Beide Systeme sind nicht nur so sicher wie es nur geht, sondern gehören auch zu den leichtesten und effizientesten auf dem Markt, was den Bahnbetreibern erhebliche Vorteile bringt. Unsere Ingenieure erreichen dies durch zwei wichtige Konstruktions- und Fertigungsmerkmale: den Einsatz von Software anstelle von pneumatischen Komponenten und die additive Fertigung. Durch den Einsatz dieser innovativen modernen Lösungen steigern wir die Zuverlässigkeit und Leistung beider Bremsprodukte und senken gleichzeitig die Wartungs- und Installationszeiten sowie die Kosten und sorgen für eine Vielzahl von Wirkungsgraden.

Ein innovativer Ansatz für die Konstruktion und Herstellung von Bremsen

Bei der Entwicklung von Metroflexx und Regioflexx machte Wabtec einen großen Sprung nach vorne, indem es einige pneumatische Komponenten, die sicherheitskritische Funktionen in Bremssystemen ausführen, durch eine Softwareemulation auf derselben Sicherheitsstufe ersetzte. Der Vorteil liegt auf der Hand: Eine Komponente, die eigentlich kein physisches Produkt ist, verursacht keine Kosten, die über die Entwicklung und Validierung hinausgehen, hat kein Gewicht, verursacht keine Installationseinschränkungen und erfordert keine Wartung. Pneumatikkomponenten erfordern zwar projektspezifische Einstellungen, aber sobald sie durch Emulationssoftware ersetzt wurden, werden die Einstellungen durch Softwareparameter ersetzt, die für das Projekt nur einmal korrigiert werden müssen.

Diese Änderung ist innovativ, und Wabtec hätte hier aufhören können, aber wir haben beschlossen, noch weiter zu gehen. Wir haben uns entschieden, den Einsatz der additiven Fertigung für die verbleibenden pneumatischen Teile zu prüfen, um das Gewicht zu reduzieren und unsere Produkte für die Kunden noch vorteilhafter zu machen.

Wenn die additive Fertigung zur Mischung hinzugefügt wird

Pneumatische Komponenten werden traditionell aus Aluminium gefertigt und entweder aus Aluminiumbarren gefräst oder, sofern die Produktionsmengen dies zulassen, gegossen. Jede Komponente wird entweder an eine gebohrte oder geklebte Platte angeflanscht oder an einem Rohr montiert, und an jeder Schnittstelle zwischen einer pneumatischen Komponente und ihrer Halterung sind Befestigungselemente und Dichtungen erforderlich, um die Dichtheit zu gewährleisten. Dieses System stellt zwar sicher, dass Komponenten zu Wartungszwecken leicht demontiert werden können, aber die Verwendung zusätzlicher Teile hat ihren Preis: Dichtungen an jeder Schnittstelle müssen bei der Überholung des Bremssystems ausgetauscht werden und können anfällig für Undichtigkeiten sein. Das bedeutet höhere Wartungskosten und eine verminderte Zuverlässigkeit sowie zusätzliches Gewicht.

Als Wabtec Metroflexx und Regioflexx entwickelte, revolutionierte die additive Fertigungstechnologie bereits eine Reihe von Branchen, darunter den Schienenverkehr. Unsere Ingenieure hatten zwar bereits die Anzahl der in Metroflexx und Regioflexx verwendeten pneumatischen Komponenten minimiert, aber wir wollten auch die Vorteile dieser neuen Technologie voll ausschöpfen, um die physische Integration noch weiter voranzutreiben und die Anzahl der erforderlichen pneumatischen Schnittstellen zu minimieren.

Verbesserung in allen Bereichen

Das obere Bild in Abbildung 1 unten zeigt das ursprüngliche Design der Metroflexx-Hauptplatte mit Aluminiumguss und wichtigen pneumatischen Komponenten, die an der Platte angeflanscht sind, mit Dichtungen an jeder pneumatischen Schnittstelle sowie Schrauben. Das untere Bild zeigt das Design derselben Metroflexx-Platte mit additiver Fertigungskonstruktion.

Additive Fertigung│ Wabtec Corporation

Abbildung 1: Die erste Metroflexx-Version mit gegossener Platte und die 3D-gedruckte Version

 

Die additive Technologie bietet mehrere Vorteile: für das Produkt selbst, für die Art und Weise, wie es hergestellt wird, und für seinen gesamten Lebenszyklus.

Physikalische Integration
  • Das Gehäuse der wichtigsten pneumatischen Komponenten ist vollständig in das Plattengehäuse integriert, wodurch die Anzahl der pneumatischen und mechanischen Schnittstellen begrenzt wird. Darüber hinaus wird die Anzahl der Dichtungen stark reduziert, wodurch die Zuverlässigkeit verbessert und die Wartungskosten gesenkt werden.
  • Die internen Rohrleitungen sind stark optimiert, wodurch die pneumatische Leistung verbessert wird. Die Anordnung der Bauteile auf der Platte kann ebenfalls ohne Bearbeitungseinschränkungen optimiert werden, was die Wartung erleichtert.
  • Die 3D-gedruckte Version von Metroflexx vereint nicht weniger als 32 separate Teile zu einer einzigen Komponente.
Verbesserung des Gewichts

Bei herkömmlichen Bremssteuergeräten mit einer elektronischen Zahnstange, einer pneumatischen Bremsplatte und Gleitschutzventilen wiegt die Bremssteuerung etwa 70 kg.

Metroflexx, das herkömmliche Bremssteuergeräte ersetzt, wiegt bei der ursprünglichen Konstruktion mit einer gegossenen Aluminiumplatte 15 kg. Bei der Herstellung mit einer additiven Fertigungsplatte sinkt das Gewicht von Metroflexx auf 10 kg, was einer Gewichtsverbesserung von 33% entspricht. Der Unterschied von 5 kg hat keinen großen Einfluss auf die Nutzlast des Zuges, macht aber einen großen Unterschied in Bezug auf die Wartung aus. Metroflexx (oder Regioflexx) ist eine Einheit mit einem Gewicht von 10 kg und kann im Zug von einem einzigen Bediener in weniger als 20 Minuten ohne Spezialwerkzeug ausgetauscht werden. Das bedeutet, dass Reparaturen oder Überholungen in einer Fachwerkstatt durchgeführt werden können, ohne die Verfügbarkeit der Züge zu beeinträchtigen. Mit 10 kg sind Metroflexx und Regioflexx bei weitem die leichtesten integrierten Bremssteuerungen, die auf dem Markt erhältlich sind.

Verarbeitung

Die Bearbeitungszeit wird um 80% reduziert und die für die Herstellung des Teils benötigte Energie wird durch vier geteilt. Unsere Lieferkette wird flexibler, da wir nicht mehr von Gusslieferanten abhängig sind. Dies führt zu einem geringeren Transportbedarf und der Möglichkeit, Mengen nach Bedarf zu bestellen, ohne Mindestanforderungen.

Entwicklung des Designs

Das Design ist vollständig flexibel, sodass bei Bedarf Änderungen vorgenommen werden können, indem einfach das zugehörige digitale Modell geändert wird, wodurch die Kosten für Werkzeugmodifikationen entfallen.

Additive Fertigung│ Wabtec Corporation

Abbildung 2: Die erste Metroflexx-Version mit gegossener Platte und die 3D-gedruckte Version

 

Umfassende Tests zur Gewährleistung der Sicherheit

Wenn es um sicherheitskritische Geräte wie Bremssysteme geht, nimmt Wabtec das Testen und Validieren unserer Innovationen sehr ernst. Additive Fertigung ist keine Ausnahme. Unsere Produkte wurden den strengsten Tests unterzogen, um ihre wichtigsten Sicherheitsmerkmale zu validieren.

  1. Wir haben untersucht, wie sichergestellt werden kann, dass die pneumatischen Kanäle sauber und umweltfreundlich bleiben, insbesondere in Rohrleitungen und Komponenten.
  2. Unsere Labore führten Hochdruckhydraulik- und Ermüdungstests durch, um die Robustheit der Produkte unter Druck sicherzustellen.
  3. Die Produkte wurden Stößen und Vibrationen ausgesetzt, um sicherzustellen, dass sie einer realen Zugumgebung standhalten.
  4. Wir führten Umwelttests durch, zu denen auch gehörte, dass die Produkte extremen Temperaturen und Salznebel ausgesetzt wurden.

Dieses umfangreiche Validierungsprogramm gab uns die volle Gewissheit, dass diese Technologie das gleiche Maß an Sicherheit und Haltbarkeit gewährleisten kann wie traditionell hergestellte pneumatische Systeme und Komponenten.

Additive Fertigung: Schicht für Schicht von Vorteilen

Die Vorteile, die der Einsatz der additiven Fertigung bietet, sind zahlreich und können nicht genug betont werden. Diese Technologie reduziert nicht nur das Gewicht der hergestellten Teile, sondern ermöglicht auch die Integration von Produktfunktionen, wodurch der Wartungsaufwand der Geräte begrenzt wird. Sie verkürzt die Herstellungs- und Lieferzeiten für Ersatzteile und entlastet gleichzeitig die Lieferkette. Diese Vorteile, die für Bahnbetreiber von Vorteil sind, sind auch gut für die Umwelt, da sie den Herstellungsprozess wesentlich umweltfreundlicher machen, indem sie den Energieverbrauch erheblich senken.

In Zukunft hat Wabtec kürzlich beschlossen, ein europäisches Zentrum für additive Fertigung in Tours, Frankreich, zu errichten. Der Standort verfügt über Kapazitäten zur Herstellung von Kunststoff- und Metallteilen und bietet Dienstleistungen für die gesamte Wertschöpfungskette an, von der Konstruktionsberatung über die Durchführung von Machbarkeitsstudien und Unterstützung bei der Validierung und Zertifizierung bis hin zum 3D-Druck und der Nachbearbeitung (Bearbeitung, Lackierung, Oberflächenbehandlung...).

Wir sind bestrebt, das Potenzial dieser wegweisenden Technologie auszuschöpfen, um immer zuverlässigere und effizientere Bremssysteme zu entwickeln, die dazu beitragen, die Schienenverkehrsbranche in eine sicherere und umweltfreundlichere Zukunft zu führen.