Seit fast einem halben Jahrhundert wird im Ausland auf dem Gebiet der Verbundwerkstoffe für den Schienenverkehr geforscht.Obwohl die rasante Entwicklung des Schienenverkehrs und des Hochgeschwindigkeitszuges in China und die Anwendung inländischer Verbundwerkstoffe in diesem Bereich in vollem Gange sind, handelt es sich bei den im ausländischen Schienenverkehr weit verbreiteten verstärkten Fasern von Verbundwerkstoffen eher um Glasfasern, was sich von unterscheidet das von Kohlefaserverbundwerkstoffen in China.Wie in diesem Artikel erwähnt, machen Kohlefasern weniger als 10 % der von der TPI Composites Company entwickelten Verbundwerkstoffe für Karosserien aus, der Rest besteht aus Glasfasern, sodass die Kosten ausgeglichen und gleichzeitig ein geringes Gewicht gewährleistet werden können.Der massive Einsatz von Kohlefaser führt zwangsläufig zu Kostenschwierigkeiten, so dass sie in einigen wichtigen Strukturbauteilen wie Drehgestellen eingesetzt werden kann.
Seit mehr als 50 Jahren ist Norplex-Micarta, ein Hersteller von duroplastischen Verbundwerkstoffen, ein stabiles Unternehmen mit der Herstellung von Materialien für Anwendungen im Schienenverkehr, darunter Züge, Bremssysteme für Stadtbahnen und elektrische Isolierungen für elektrische Hochschienen.Doch heute weitet sich der Markt des Unternehmens über eine relativ enge Nische hinaus auf weitere Anwendungen wie Wände, Dächer und Böden aus.
Dustin Davis, Direktor für Geschäftsentwicklung bei Norplex-Micarta, glaubt, dass der Schienenverkehr und andere Massentransportmärkte in den kommenden Jahren zunehmend Chancen für sein Unternehmen sowie für andere Hersteller und Zulieferer von Verbundwerkstoffen bieten werden.Für dieses erwartete Wachstum gibt es mehrere Gründe. Einer davon ist die europäische Einführung der Brandschutznorm EN 45545-2, die strengere Brand-, Rauch- und Gasschutzanforderungen (FST) für den Massentransport einführt.Durch den Einsatz von Phenolharzsystemen können Verbundwerkstoffhersteller die erforderlichen Brand- und Rauchschutzeigenschaften in ihre Produkte integrieren.
Darüber hinaus beginnen Bus-, U-Bahn- und Zugbetreiber die Vorteile von Verbundwerkstoffen bei der Reduzierung von Vibrationsgeräuschen und Kakophonie zu erkennen.„Wenn Sie jemals in der U-Bahn waren und das Klappern einer Metallplatte gehört haben“, sagte Davis.Wenn die Platte aus Verbundmaterial besteht, wird der Ton gedämpft und der Zug leiser.“
Das geringere Gewicht des Verbundwerkstoffs macht ihn auch für Busbetreiber attraktiv, die an einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und einer Erweiterung ihrer Reichweite interessiert sind.In einem Bericht vom September 2018 prognostizierte das Marktforschungsunternehmen Lucintel, dass der Weltmarkt für Verbundwerkstoffe, die in Massentransportmitteln und Geländefahrzeugen verwendet werden, zwischen 2018 und 2023 jährlich um 4,6 Prozent wachsen und bis 2023 einen potenziellen Wert von 1 Milliarde US-Dollar haben wird. Chancen ergeben sich aus einer Vielzahl von Anwendungen, darunter Außen- und Innenteile, Motorhauben- und Antriebsstrangteile sowie elektrische Komponenten.
Norplex-Micarta produziert jetzt neue Teile, die derzeit auf Stadtbahnstrecken in den USA getestet werden.Darüber hinaus konzentriert sich das Unternehmen weiterhin auf Elektrifizierungssysteme mit Endlosfasermaterialien und kombiniert diese mit schneller aushärtenden Harzsystemen.„Sie können Kosten senken, die Produktion steigern und die volle Funktionalität von FST-Phenol auf den Markt bringen“, erklärte Davis.Während Verbundwerkstoffe teurer sein können als ähnliche Metallteile, sind laut Davis die Kosten nicht der anwendungsbestimmende Faktor, den sie untersuchen.
Leicht und schwer entflammbar
Die Sanierung der Flotte von 66 ICE-3-Expresswagen des europäischen Bahnbetreibers Dütsche Bahn ist eine der Möglichkeiten von Verbundwerkstoffen, um den spezifischen Bedürfnissen der Kunden gerecht zu werden.Die Klimaanlage, das Fahrgastunterhaltungssystem und neue Sitze erhöhten das Gewicht der ICE-3-Wagen unnötig.Darüber hinaus entsprach der ursprüngliche Sperrholzboden nicht den neuen europäischen Brandschutznormen.Das Unternehmen benötigte eine Bodenlösung, um das Gewicht zu reduzieren und die Brandschutznormen zu erfüllen.Leichte Verbundböden sind die Antwort.
Saertex, ein in Deutschland ansässiger Hersteller von Verbundgeweben, bietet für seine Bodenbeläge ein LEO®-Materialsystem an.Daniel Stumpp, globaler Marketingleiter der Saertex Group, sagte, LEO sei ein geschichteter, nicht gekräuselter Stoff, der bessere mechanische Eigenschaften und ein größeres Leichtbaupotenzial als gewebte Stoffe biete.Das Vierkomponenten-Verbundsystem umfasst spezielle feuerfeste Beschichtungen, glasfaserverstärkte Materialien, SAERfoam® (ein Kernmaterial mit integrierten 3D-Glasfaserbrücken) und LEO-Vinylesterharze.
SMT (ebenfalls in Deutschland ansässig), ein Hersteller von Verbundwerkstoffen, hat den Boden durch einen Vakuumfüllprozess mit wiederverwendbaren Silikon-Vakuumbeuteln des britischen Unternehmens Alan Harper hergestellt.„Wir haben etwa 50 Prozent des Gewichts gegenüber dem vorherigen Sperrholz eingespart“, sagte Stumpp.„Das LEO-System basiert auf Endlosfaserlaminaten mit einem ungefüllten Harzsystem mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften... Darüber hinaus verrottet der Verbundstoff nicht, was insbesondere in Gebieten, in denen es im Winter schneit, ein großer Vorteil ist.“ Boden ist nass.“Der Boden, der obere Teppich und das Gummimaterial erfüllen alle die neuen Flammschutznormen.
SMT hat mehr als 32.000 Quadratmeter Paneele produziert, die bisher in etwa einem Drittel der acht ICE-3-Züge installiert wurden.Während des Aufarbeitungsprozesses wird die Größe jedes Panels optimiert, um es an ein bestimmtes Auto anzupassen.Der Erstausrüster der ICE-3-Limousine war von dem neuen Verbundbodenbelag so beeindruckt, dass er ein Verbunddach bestellte, um die alte Metalldachkonstruktion in den Triebwagen teilweise zu ersetzen.
Weiter gehen
Proterra, ein in Kalifornien ansässiger Entwickler und Hersteller emissionsfreier Elektrobusse, verwendet seit 2009 Verbundwerkstoffe für alle seine Karosserien. Im Jahr 2017 stellte das Unternehmen einen Rekord auf, indem es mit seinem batteriegeladenen Catalyst 1.100 einfache Meilen zurücklegte ®E2-Bus.Dieser Bus verfügt über eine leichte Karosserie des Verbundwerkstoffherstellers TPI Composite.
* Kürzlich hat TPI mit Proterra zusammengearbeitet, um einen integrierten All-in-One-Elektrobus aus Verbundwerkstoff zu entwickeln.„In einem typischen Bus oder LKW gibt es ein Fahrgestell und die Karosserie sitzt auf diesem Fahrgestell“, erklärt Todd Altman, Direktor für strategisches Marketing bei TPI.Bei der Hartschalenkonstruktion des Busses haben wir Fahrgestell und Karosserie miteinander integriert, ähnlich wie beim Design des All-in-One-Autos.“ Eine einzelne Struktur erfüllt die Leistungsanforderungen effektiver als zwei separate Strukturen.
Die einschalige Karosserie des Proterra ist speziell für den Einsatz als Elektrofahrzeug konzipiert und von Grund auf konzipiert.Das sei ein wichtiger Unterschied, sagte Altman, denn die Erfahrung vieler Autohersteller und Hersteller von Elektrobussen bestehe darin, nur begrenzte Versuche zu unternehmen, ihre traditionellen Designs für Verbrennungsmotoren an Elektrofahrzeuge anzupassen.„Sie nutzen bestehende Plattformen und versuchen, so viele Batterien wie möglich unterzubringen. Das bietet in keiner Hinsicht die beste Lösung.“„Sagte Altman.
Viele Elektrobusse haben beispielsweise Batterien im Heck oder auf dem Dach des Fahrzeugs.Aber für Proterra ist TPI in der Lage, die Batterie unter dem Bus zu montieren.„Wenn Sie der Struktur des Fahrzeugs viel Gewicht hinzufügen, möchten Sie, dass dieses Gewicht sowohl aus Leistungs- als auch aus Sicherheitsgründen so gering wie möglich ist“, sagte Altman.Er stellte fest, dass viele Hersteller von Elektrobussen und -autos nun wieder ans Reißbrett gehen, um effizientere und zielgerichtetere Designs für ihre Fahrzeuge zu entwickeln.
TPI hat mit Proterra einen Fünfjahresvertrag über die Produktion von bis zu 3.350 Buskarosserien aus Verbundwerkstoff in den TPI-Werken in Iowa und Rhode Island abgeschlossen.
Muss angepasst werden
Bei der Entwicklung der Catalyst-Buskarosserie müssen TPI und Proterra ständig die Stärken und Schwächen aller verschiedenen Materialien ausbalancieren, damit sie die Kostenziele erreichen und gleichzeitig eine optimale Leistung erzielen können.Altman wies darauf hin, dass die Erfahrung von TPI in der Herstellung großer Windflügel mit einer Länge von etwa 200 Fuß und einem Gewicht von 25.000 Pfund es ihnen relativ einfach macht, 40-Fuß-Buskarosserien mit einem Gewicht zwischen 6.000 und 10.000 Pfund herzustellen.
TPI ist in der Lage, die erforderliche strukturelle Festigkeit zu erreichen, indem es selektiv Kohlefasern verwendet und diese beibehält, um die Bereiche zu verstärken, die der größten Belastung ausgesetzt sind.„Wir verwenden Kohlefaser dort, wo man im Grunde ein Auto kaufen kann“, sagte Altman.Insgesamt macht Kohlefaser weniger als 10 Prozent des Verbundverstärkungsmaterials der Karosserie aus, der Rest ist Glasfaser.
Aus einem ähnlichen Grund entschied sich TPI für Vinylesterharz.„Wenn wir uns Epoxidharze ansehen, sind sie großartig, aber wenn man sie aushärtet, muss man die Temperatur erhöhen, also muss man die Form erhitzen. Das ist ein zusätzlicher Kostenfaktor“, fuhr er fort.
Das Unternehmen nutzt das vakuumunterstützte Harztransferverfahren (VARTM), um zusammengesetzte Sandwichstrukturen herzustellen, die einer einzelnen Schale die nötige Steifigkeit verleihen.Während des Herstellungsprozesses werden einige Metallbeschläge (z. B. Gewindeanschlüsse und Anbohrplatten) in den Körper eingearbeitet.Der Bus wird in Ober- und Unterteil geteilt, die dann zusammengeklebt werden.Die Arbeiter müssen später noch kleine Komposit-Verzierungen wie Verkleidungen hinzufügen, aber die Anzahl der Teile beträgt nur einen Bruchteil der des Metallbusses.
Nachdem die fertige Karosserie an die Busproduktionsanlage von Proterra geschickt wurde, läuft die Produktionslinie schneller, da weniger Arbeit zu erledigen ist.„Sie müssen nicht alles schweißen, schleifen und fertigen und verfügen über eine sehr einfache Schnittstelle, um die Karosserie mit dem Antriebsstrang zu verbinden“, fügte Altman hinzu.Proterra spart Zeit und reduziert den Aufwand, da weniger Fertigungsraum für die monokotische Schale benötigt wird.
Altman geht davon aus, dass die Nachfrage nach Buskarosserien aus Verbundwerkstoff weiter steigen wird, da Städte auf Elektrobusse umsteigen, um die Umweltverschmutzung zu reduzieren und Kosten zu senken.Laut Proterra haben batterieelektrische Fahrzeuge im Vergleich zu Diesel-, Erdgas- oder Diesel-Hybridbussen die niedrigsten Betriebslebenszykluskosten (12 Jahre).Das könnte einer der Gründe sein, warum Proterra sagt, dass der Verkauf von batteriebetriebenen Elektrobussen mittlerweile 10 % des gesamten Transportmarktes ausmacht.
Es gibt immer noch einige Hindernisse für den breiten Einsatz von Verbundwerkstoffen in der Karosserie von Elektrobussen.Einer davon ist die Spezialisierung auf die Bedürfnisse verschiedener Buskunden.„Jeder Verkehrsbetrieb möchte Busse auf eine andere Art und Weise besorgen – Sitzkonfiguration, Lukenöffnung. Das ist eine große Herausforderung für Bushersteller, und viele dieser Konfigurationselemente könnten an uns gehen.“„Sagte Altman. „Integrierte Karosseriehersteller möchten einen Standardaufbau haben, aber wenn jeder Kunde ein hohes Maß an Individualisierung wünscht, wird es schwierig sein, das zu erreichen.“ TPI arbeitet weiterhin mit Proterra zusammen, um das Busdesign für eine bessere Verwaltung zu verbessern die von Endkunden geforderte Flexibilität.
Entdecken Sie die Möglichkeit
Composites testet weiterhin, ob seine Materialien für neue Massentransportanwendungen geeignet sind.Im Vereinigten Königreich leitet ELG Carbon Fibre, das auf Technologien für das Recycling und die Wiederverwendung von Kohlenstofffasern spezialisiert ist, ein Konsortium von Unternehmen, die leichte Verbundwerkstoffe für Drehgestelle in Personenkraftwagen entwickeln.Das Drehgestell stützt die Karosserie des Wagens, führt den Radsatz und sorgt für dessen Stabilität.Sie tragen zur Verbesserung des Fahrkomforts bei, indem sie Schienenvibrationen absorbieren und die Zentrifugalkraft beim Wenden des Zuges minimieren.
Ein Ziel des Projekts ist es, Drehgestelle herzustellen, die 50 Prozent leichter sind als vergleichbare Drehgestelle aus Metall.„Wenn das Drehgestell leichter ist, verursacht es weniger Schäden am Gleis, und da die Belastung des Gleises geringer ist, können Wartungszeit und Wartungskosten reduziert werden“, sagt Camille Seurat, Produktentwicklungsingenieurin bei ELG.Weitere Ziele sind die Reduzierung der Radkräfte zwischen Seite und Schiene um 40 % und eine lebenslange Zustandsüberwachung.Das gemeinnützige britische Rail Safety and Standards Board (RSSB) finanziert das Projekt mit dem Ziel, ein kommerziell nutzbares Produkt herzustellen.
Es wurden umfangreiche Herstellungsversuche durchgeführt und eine Reihe von Testplatten unter Verwendung von Prepregs aus Formpressen, konventionellem Nasslaminieren, Perfusion und Autoklav hergestellt.Da die Produktion der Drehgestelle begrenzt sein würde, entschied sich das Unternehmen für in Autoklaven ausgehärtetes Epoxid-Prepreg als kostengünstigste Konstruktionsmethode.
Der Drehgestell-Prototyp in Originalgröße ist 8,8 Fuß lang, 6,7 Fuß breit und 2,8 Fuß hoch.Es besteht aus einer Kombination aus recycelter Kohlefaser (Vliesstoffpolster von ELG) und rohem Kohlefasergewebe.Die Einwegfasern werden als Hauptfestigkeitselement verwendet und mithilfe von Robotertechnologie in die Form eingelegt.Es wird ein Epoxidharz mit guten mechanischen Eigenschaften ausgewählt, bei dem es sich um ein neu formuliertes flammhemmendes Epoxidharz handelt, das nach EN45545-2 für den Einsatz im Schienenverkehr zertifiziert ist.
Im Gegensatz zu Stahldrehgestellen, bei denen die Lenkträger mit zwei Seitenträgern verschweißt sind, werden Verbunddrehgestelle mit unterschiedlichen Ober- und Unterseiten gebaut, die dann zusammengefügt werden.Um die vorhandenen Metalldrehgestelle zu ersetzen, müssen bei der Verbundversion die Aufhängungs- und Bremsverbindungshalterungen sowie anderes Zubehör an derselben Position kombiniert werden.„Im Moment haben wir uns dafür entschieden, die Stahlbeschläge beizubehalten, aber für weitere Projekte könnte es interessant sein, die Stahlbeschläge durch Verbundbeschläge zu ersetzen, damit wir das Endgewicht weiter reduzieren können“, sagte Seurat.
Ein Konsortiumsmitglied der Sensors and Composites Group an der University of Birmingham überwacht die Entwicklung des Sensors, der in der Fertigungsphase in das Verbunddrehgestell integriert wird.„Die meisten Sensoren konzentrieren sich auf die Überwachung der Belastung an einzelnen Punkten des Drehgestells, während andere der Temperaturmessung dienen“, sagte Seurat.Die Sensoren ermöglichen eine Echtzeitüberwachung der Verbundstruktur und ermöglichen die Erfassung von Belastungsdaten über die gesamte Lebensdauer.Dies liefert wertvolle Informationen über Spitzenbelastung und Langzeitermüdung.
Vorläufige Studien deuten darauf hin, dass Verbunddrehgestelle in der Lage sein sollten, die gewünschte Gewichtsreduzierung von 50 % zu erreichen.Das Projektteam hofft, bis Mitte 2019 ein großes Drehgestell zum Testen bereit zu haben.Wenn der Prototyp die erwartete Leistung erbringt, werden weitere Drehgestelle produziert, um Straßenbahnen des Eisenbahnverkehrsunternehmens Alstom zu testen.
Laut Seurat gibt es zwar noch viel zu tun, doch erste Anzeichen deuten darauf hin, dass es möglich ist, ein kommerziell nutzbares Drehgestell aus Verbundwerkstoff zu bauen, das hinsichtlich Kosten und Festigkeit mit Drehgestellen aus Metall konkurrieren kann.„Dann gibt es meiner Meinung nach viele Optionen und potenzielle Anwendungen für Verbundwerkstoffe in der Eisenbahnindustrie“, fügte sie hinzu.(Nachdruck des Artikels aus „Carbon Fiber and Its Composite Technology“ von Dr. Qian Xin).
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 07.03.2023