Haniel

Innovation, die den Rahmen sprengt

26.09.2019

ELGs britischer Geschäftsbereich ELG Carbon Fibre Ltd. gewann 2018 den JEC Innovation Award mit einem Drehgestellrahmen für Eisenbahnwagons. Bald beginnt die Testphase für die Produktion.

Ein menschliches Haar ist rund 50 Mikrometer dick. Stellen Sie sich vor, Sie würden dieses Haar in sechs Teile aufspalten. Ungefähr so dick wie eines dieser Teile ist eine Karbonfaser, zwischen fünf und neun Mikrometer. Die Fasern werden aus kohlenstoffhaltigen Materialien gewonnen, leiten Wärme und Elektrizität. Ein Geschäftsbereich der ELG, ELG Carbon Fibre Ltd. (ECF), gewinnt an seinem Standort Coseley in der Nähe von Birmingham (Großbritannien) Karbonfasern aus Produktionsabfällen und Materialien am Ende ihrer Lebensdauer. Eingebettet in Kunstharz ergeben diese Fasern einen Verbundwerkstoff, der beispielsweise für das Transportwesen interessant ist.

Leicht auf der Schiene
Das Potenzial hat auch der französische Transportkonzern Alstom erkannt: In Gesprächen mit ECF entwickelte das Unternehmen die Idee zu einem Drehgestellrahmen aus Karbonfasern. In ihm lagern die Radsätze – also Räder, Radlager und Radsatzwelle – eines Schienenfahrzeugs, beispielsweise eines Personen- oder Güterwagons. Der Einsatz von Karbonfasern brächte hier besonders viele Vorteile. Das hängt damit zusammen, dass Drehgestellrahmen meist aus schweren Stahlelementen bestehen. Deren Äquivalent aus Karbon hingegen würde nur rund die Hälfte wiegen, wodurch der Wagon weniger schwer auf den Schienen aufläge. Das bedeutete weniger Energiebedarf für den Zugantrieb, geringerer Schienenverschleiß und Instandhaltungsaufwand und in der Folge eine Reduzierung der Betriebskosten im Schienenverkehr. Ersparnisse ergäben sich aber auch schon viel früher bei der (Massen-)Produktion der Karbonrahmen, die im Vergleich mit der Variante aus Stahl nicht nur kostengünstiger, sondern auch ressourcenschonender wäre – mit positiven Auswirkungen auf den Klimaschutz.

Ausgezeichnete Arbeit
Soweit die Theorie, die durchaus schon reelle Formen angenommen hat: Während ECF seit April 2017 mit Magma Structures die Zulieferkette für die Karbonfasern aufbaute, holte Alstom wissenschaftliche Partner ins Boot. Die Sensor and Composites Group an der Universität Birmingham etwa ließ optische Belastungs- und Temperatursensoren in den Rahmen einbauen, um dessen Zustand und Verschleiß jederzeit überwachen zu können. Im Frühjahr 2018 erhielt der Entwurf bereits eine Förderung von 1,25 Mio. Pfund (fast 1,4 Mio. Euro) bei einem Wettbewerb für Fahrwerksdynamik vom britischen Rail Safety and Standards Board (RSSB). Diese Zuwendung stellte das Design und den Bau eines Prototyps sicher. Weitere Unterstützung erhielt das Projekt mit dem JEC Innovation Award in der Kategorie „Railway“.

Der Norm voraus
In einem speziell auf die Prüfung von Schienenfahrzeugtechnik ausgerichteten Labor an der University of Huddersfield begannen jetzt im September die ersten Tests an diesem Prototyp. Die Vorrichtung im Labor wird die statische und dynamische Belastbarkeit des Drehgestellrahmens bei Geschwindigkeiten von bis zu 200 km/h und unter einem Gewicht von 25 Tonnen auf der Hauptachse testen. Während einer Ermüdungsprüfung mit 10 Millionen Ladungswechseln wird seine Lebensdauer ermittelt. Die Kollegen von ECF rechnen derzeit mit einer Testphase von sechs bis acht Wochen. Danach werden die Ergebnisse ausgewertet und auf das Design des Rahmens angewandt.
Um auf die Schiene entlassen zu werden und bald Personen wie Güter befördern zu dürfen, muss der Rahmen am Ende des Designprozesses der gültigen Norm entsprechen: „Der geltende Standard (EN 13749) ist zwar auf einen Stahlrahmen ausgelegt. Wir aber wollen beweisen, dass ein Rahmen aus unserem Verbundwerkstoff in der Lage ist, denselben Lasten standzuhalten“, so Produktentwicklerin Camille Seurat von ECF. Die dahinterstehende Technik könnte zukünftig auch auf andere Bereiche des Transportwesens wie Autokarosserien angewandt werden. Gespräche mit Kunden in Europa und Asien sind bereits in vollem Gange.