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Im Rampenlicht: 3D Druck im Schienenverkehr

In den letzten 12 Monaten haben viele Eisenbahnunternehmen, darunter die Deutsche Bahn, Bombardier und Angel Trains, in den 3D-Druck investiert oder ihre 3D-Druckmöglichkeiten erweitert.
 
Laut einem aktuellen Bericht von EY verwenden 16 Prozent der Unternehmen der Logistik- und Transportbranche den 3D-Druck zur Herstellung von Ersatzteilen.
 
Was treibt diese Annahme an?
 
In unserer Serie im Rampenlicht diese Woche werden neben den aufregendsten Anwendungsfällen auch die Gründe für die zunehmende Einführung der additiven Fertigung (AM) im Schienenverkehr beleuchtet.
 
Werfen Sie einen Blick auf die anderen in dieser Serie behandelten Anwendungen:
 
3D Druck für Wärmeaustauscher
 
3D Druck für Kugellager
 
3D Druck für Fahrräder
 
3D Druck für Zahnmedizin & klare Zahnspangen
 
3D Druck für medizinische Implantate
 
3D gedruckte Raketen und die Zukunft der Raumfahrtindustrie
 
3D Druck für die Schuhindustrie
 
3D Druck für elektronische Komponenten
 

Warum setzen Schienenverkehrsbetriebe auf industriellen 3D-Druck?

Der Bau eines Zuges ist keine leichte Aufgabe, da er normalerweise qualitativ hochwertige Komponenten benötigt, um den Zug über Jahrzehnte auf der Strecke zu halten
 
Aber was passiert, wenn einige Komponenten kaputt gehen? Es kann relativ einfach sein, Ersatzteile für kürzlich hergestellte Produkte zu finden. Aber bei Bauteilen, die vor 20 bis 30 Jahren hergestellt wurden, wird der Prozess jedoch kompliziert.
 
In vielen Fällen werden die Verkehrsbetriebe mit der Situation konfrontiert, dass die Produktion der benötigten Ersatzteile eingestellt wurde oder die Hersteller nicht mehr im Geschäft sind. Angesichts der geringen Anzahl an benötigten Ersatzteilen ist die Neukonstruktion und Herstellung des Teils unter Verwendung traditioneller Methoden, die auf die Massenproduktion zugeschnitten sind, häufig wirtschaftlich nicht sinnvoll.
 
Die Ausfallzeitkosten für einen Zug pro Tag sind ebenfalls recht hoch. Dies veranlasste die Verkehrsbetriebe, nach neuen Wegen zu suchen, um veraltete Ersatzteile schneller und billiger herzustellen.
 
Der 3D-Druck ist einer der Technologien, die solche Probleme lösen können. Es handelt sich um eine digitale Fertigungstechnologie, die sich auf digitale Workflows stützt und keine zusätzlichen Werkzeuge wie Formen zum Erstellen eines Teils benötigt.
 
Die werkzeuglose Produktion, die durch den 3D-Druck ermöglicht wird, kann die Fertigungszeit für veraltete Ersatzteile erheblich verkürzen, in einigen Fällen um bis zu 95%. Der Prozess ist auch häufig mit Reverse Engineering verbunden, insbesondere wenn das ursprüngliche Design eines Teils verloren gegangen ist.
 
Auf diese Weise können Eisenbahnunternehmen den Instandhaltungsprozess des Zuges beschleunigen und die Züge effizienter als zuvor wieder in Betrieb genommen werden.
 
Frühe Anwender des 3D-Drucks in der Bahnindustrie wie die Deutsche Bahn haben mehrere Teile identifiziert, für deren Ersatz der 3D-Druck verwendet werden kann. Darunter befinden sich Teile für Kaffeemaschinen, Kleiderhaken, Lenkradbezüge, Kopfstützenrahmen und sogar Braille-Wegweiser für blinde Reisende. Die Liste der Teile, die für die Bahnindustrie 3D-gedruckt werden können, wird jedoch ständig erweitert.
 
Ein weiterer Anstoß für die Einführung des 3D-Drucks in der Eisenbahnindustrie ist die Möglichkeit, Fertigungshilfsmittel wie Vorrichtungen und Ausrichtungen schneller und nach Bedarf herzustellen. Obwohl es sich um einen weniger verbreiteten Anwendungsfall handelt, können 3D-gedruckte Werkzeuge in der Regel leichter und ergonomischer als herkömmliche Gegenstücke gestaltet werden, was den Produzenten eine größere Benutzerfreundlichkeit bietet.
 

3D-Drucktechnologien für Bahnbauteile

Die meisten 3D-gedruckten Ersatzteile und Werkzeuge für die Bahnindustrie werden mithilfe von Polymeradditivtechnologien wie Fused Filament Fabrication (FFF) und Selective Laser Sintering (SLS) hergestellt. Die Technologien sind für die Verwendung von Hochleistungsthermoplasten wie Nylon und ULTEM optimiert.
 
Um als Komponenten für Schienenfahrzeuge verwendet werden zu können, müssen diese Materialien den Brandschutznormen der Branche entsprechen. Mehrere Unternehmen bieten flammhemmende Thermoplaste an. Stratasys hat zum Beispiel ein Material entwickelt, das der Schienennorm EN45545-2 für den Brandschutz entspricht.
 
Markforged, ein Entwickler von 3D-Verbunddruckern, hat kürzlich ein flammhemmendes Verbundmaterial auf Nylonbasis eingeführt. Das Material soll das Spektrum der 3D-Druckanwendungen in der Eisenbahnindustrie sowie in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Verteidigungsindustrie erweitern.
 
Während die meisten Teile, die für die Bahnindustrie in 3D gedruckt wurden, aus Polymeren bestehen, gewinnt auch der 3D-Metalldruck weiter an Bedeutung. Technologien wie Selective Laser Melting (SLM) und Metal Binder Jetting werden am häufigsten eingesetzt, um Teile mit Metallen wie Aluminium, Stahl und in jüngerer Zeit auch Titan herzustellen.
 

3D-Druckanwendungen in der Bahnindustrie

 

Deutsche Bahn

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Ein 3D-gedruckter Radsatzlagerdeckel (links) und ein nachbearbeitetes Teil (rechts) [Bildnachweis: Deutsche Bahn

Die Deutsche Bahn war einer der Pioniere bei der Einführung des 3D-Drucks für Ersatzteile. In den letzten Jahren hat die Deutsche Bahn die Einsatzmöglichkeiten von AM für mehr als 100 Anwendungsfälle ermittelt. Die meisten Teile sind verfügbarkeitsrelevant, was bedeutet, dass sie schwer zu beschaffen sind und eine monatelange Stillstandszeit verursachen können.
 
Ein Beispiel für ein solches Teil ist ein Radsatzlagerdeckel für eine Lokomotive der Klasse 294. Dieses Modell wurde in den 1960er und 1970er Jahren in Dienst gestellt und es fehlen Ersatzteile für einige Komponenten, wie diese Abdeckung z.B.
 
Traditionell gesehen, müsste bei der Deutschen Bahn ein neues Teil im Gussverfahren hergestellt werden. Diese Methode ist jedoch in der Regel mit hohen Mindestabnahmemengen verbunden, und die Teillieferung kann mehrere Monate dauern.
 
AM bietet sich hier als natürliche Alternative an, da dieses Teil schneller und nach Bedarf erstellt werden konnte. Das Unternehmen wandte sich an ein Servicebüro, das eine Lagerabdeckung mithilfe der WAAM-Technologie (Wire Arc Additive Manufacturing) in 3D druckte. Das WAAM-Verfahren verwendet Draht als Rohmaterial. Der Draht wird durch eine Düse geführt und schichtweise in das endgültige Werkstück eingeschweißt.
 
Das 13 kg schwere Teil wurde in nur 7 Stunden gedruckt und bietet der Deutschen Bahn Vorteile wie eine erhöhte Teileverfügbarkeit und erheblich niedrigere Herstellungskosten.
 

Siemens Mobility: 3D-gedruckte Werkzeuge

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Ein 3D-gedrucktes Drehgestell Werkzeug [Bildnachweis: Siemens Mobility]

Siemens Mobility, ein auf intelligente Verkehrssysteme und Bahntechnik spezialisiertes Unternehmen, hat in seinem RRX Rail Service Center den 3D-Druck eingeführt, um neben Ersatzteilen auch komplexe Werkzeuge herzustellen.

Zum Beispiel verfügt das neue Wartungsdepot über ein 3D-gedrucktes Verbindungswerkzeug, das bei der Wartung von Zugdrehgestellen verwendet wird (das Drehgestell ist das Fahrgestell oder die Struktur, dass die Radsatzachse trägt). Die Herstellung mit herkömmlichen Methoden ist recht schwierig, da das Werkzeug eine komplexe Form hat, die ein hohes Maß an Anpassung erfordert.

Darüber hinaus wiegen die Drehgestelle mehrere Tonnen, was bedeutet, dass sie aus robusten und langlebigen Materialien hergestellt werden müssen, die den erheblichen Belastungen standhalten können, die bei der Fahrt des Zuges auftreten.

Als Alternative nutzte das Team im Zentrum die FDM-Technologie von Stratasys und ein ULTEM 9085 in Industriequalität. Der 3D-Druck ermöglichte es Siemens Mobility, die Anpassungsvorteile des 3D-Drucks zu nutzen und herkömmliche Fertigungsmethoden für diese Werkzeuganwendung zu ersetzen.

Das Unternehmen berichtet auch, dass 3D-gedruckte Werkzeuge dazu beigetragen haben, die Abhängigkeit von Outsourcing-Tools durch Lieferanten zu verringern und die Kosten pro Teil zu senken.

Angel Trains ‘Erkundung des 3D-Drucks
 

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FDM-3D-gedruckte Teile (von links nach rechts): elektrische Anschlussabdeckungen, Haltegriff/Armlehne und Sitzlehne/Tisch [Bildnachweis: Angel Trains]

Die Leasingfirma für Schienenfahrzeuge, Angel Trains, hat kürzlich eine Partnerschaft mit Stratasys geschlossen, die sich mit 3D-gedruckten Komponenten für die Innenausstattung von Zügen wie Armlehnen, Haltegriffen und Rückenlehnen/Tischen befasst.
 
Die ausgewählten Komponenten werden nun in den in Betrieb befindlichen Personenzügen getestet. Bisher war der Versuch positiv. Zum Beispiel dauerte die Produktion der 3D-gedruckten Armlehne nur eine Woche – eine Zeitersparnis von 94% im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren.
 
Das Unternehmen nutzt die FDM-Technologie von Stratasys in Kombination mit dem Hochtemperatur-Thermoplast ULTEM 9085, um auf Anfrage Ersatzteile in 3D zu drucken. Das verwendete Filament soll mit den Normen der Schienenindustrie (insbesondere der Schienennorm EN45545-2) kompatibel sein und eine höhere Feuerbeständigkeit und Haltbarkeit aufweisen als herkömmliche Thermoplaste.
 
In einem anderen Fall half der 3D-Druck Angel Trains bei der Herstellung von Ersatzgriffen. Die Originalersatzteile waren veraltet und der Lieferant hatte sein Geschäft eingestellt. Die Herstellung eines Ersatzteils auf herkömmliche Weise erforderte die Herstellung eines neuen Fertigungswerkzeugs, das Kosten von bis zu 15.000 GBP und Vorlaufzeiten von zweieinhalb Monaten verursachen konnte.
 
Mithilfe des FDM-3D-Drucks konnte das Unternehmen jedoch alle sieben für die Züge benötigten Griffe in nur drei Wochen und zu erheblich geringeren Kosten herstellen.
 
Aufregend ist, dass Angel Trains auch beim 3D-Druck neue
 
Anpassungsmöglichkeiten erkundet. Zum Beispiel prüft das Unternehmen die Möglichkeit, Sitzlehnen in 3D mit Blindenschrift zu bedrucken, um den Passagier darüber zu informieren, dass die Toilette zehn Reihen von ihrem Sitz entfernt ist.
 
Im Erfolgsfall könnten Anwendungen wie diese die Wartung von Zügen und das Reiseerlebnis der Passagiere in Zukunft erheblich verbessern.
 

CAFs Erfolge im 3D-Druck

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3D-gedrucktes Teil für eine Straßenbahnvorderseite [Bildnachweis: CAF]

CAF, ein spanischer Hersteller von Schienenfahrzeugen, Bussen und Ausrüstungen derselben, hat es auch geschafft, Ersatzteile und funktionale Komponenten im 3D-Druck herzustellen. CAF soll seit September 2016 rund 2 400 3D-gedruckte Teile für den Einsatz in seinen Fahrzeugen hergestellt haben, darunter Getränkehalter, Radiohalter, Fensterrahmen, Scheibenwischerabdeckungen und Türstützen.
 
Das Unternehmen nutzt den großflächigen 3D-Druck auch, um Außenteile mit einer Größe von mehreren Metern herzustellen. Unter solchen Teilen befindet sich unter anderem auch eine vordere Karosseriekomponente, die in 3D für eine Urbos-Straßenbahn gedruckt wurde. Vermutlich wurde das Teil mit einem Super Discovery FFF 3D-Drucker, der vom spanischen Hersteller CNC Bárcenas entwickelt wurde, in 3D gedruckt.
 
CAF benennt die Fähigkeit, Teile mit unterschiedlichen Abmessungen und komplexen Geometrien zu produzieren, als einen der Hauptvorteile der 3D-Drucktechnologien. Das Unternehmen sagt, dass es ihnen hilft, bei der Herstellung von Bauteilen die Abhängigkeit von Formen und Originalmustern zu überwinden und die Zeit bis zur Markteinführung eines neuen Teils zu verkürzen.
 

Weitere Beispiele

Die Zahl der Eisenbahnunternehmen, die sich mit dem 3D-Druck beschäftigen, wächst stetig an.
 
Bombardier wird beispielsweise einen Stratasys 3D-Drucker installieren, um die Produktion von Schienenteilen zu beschleunigen und anzupassen. Der Hersteller plant, die Technologie zum 3D-Drucken von inneren und äußeren Zugteilen wie Luftkanälen, Gehäusen und Kabelhaltern zu verwenden.
 
Die Wabtec Corporation, ein globaler Hersteller für die Schienen- und Transitindustrie, hat sich ebenfalls für den 3D-Druck entschieden. In diesem Sommer investierte das Unternehmen in die H2-Binder-Jet-Technologie von GE Additive. Wabtec hat bereits Anwendungsfälle für von bis zu 250 Komponenten in seinen Produktlinien identifiziert, die mit AM hergestellt werden können.
 

3D-Druck in der Bahnindustrie: Eine transformative Wirkung

Die Vorteile des 3D-Drucks in der Bahnindustrie werden immer deutlicher. Die Unternehmen der Branche sind bestrebt, die Technologie umzusetzen um Probleme mit veralteten Ersatzteilen und langen Vorlaufzeiten für Werkzeuge und Endverbraucherkomponenten zu lösen.