Leichtbau auf der Schiene

Doch wie lässt sich eigentlich der Zustand von Bauteilen überprüfen, die im Einsatz sind? Die INVENT GmbH aus Braunschweig hat gemeinsam mit sechs Partnern diese Frage mit Blick auf den Schienenverkehr untersucht und im Verbundprojekt faWaSiS ein integriertes, sensorbasiertes Diagnosesystem entwickelt. Dieses kann durch den effektiveren Einsatz von Verbundwerkstoffen bei Zügen signifikant Masse einsparen und zugleich Materialschäden frühzeitig erkennen. Der Clou: der Einsatz von piezokeramischen Flächenwandlern.

Der englische Fachausdruck „Structural Health Monitoring“ (aktives Strukturüberwachungssystem, SHM) bringe treffend auf den Punkt, worum es im Forschungsprojekt „faWaSis“ gegangen sei, verdeutlicht Friedrich von Dungern, Bereichsleiter Forschung & Entwicklung bei der INVENT GmbH: „Wir haben uns – bildhaft gesprochen – den Gesundheitszustand eines bestimmten Leichtbauteils vorgenommen, konkret die so genannte Seitenschürze eines Regionalzuges der Deutschen Bahn. Die Seitenschürze befindet sich unterhalb des Führerstandes rechts und links im Frontbereich des Zuges und ist besonderen Belastungen ausgesetzt – von plötzlichem Steinschlag aus dem Gleisbett bis hin zu Kollisionen mit Wildtieren oder Ästen. Zudem sei sie trotz ihres nichttragenden Charakters ein besonders spannendes und relevantes Forschungsobjekt für die beteiligten Wissenschaftler und Ingenieure, da eine solch exponierte Struktur viele Daten für Auswertung und Weiterentwicklung generiert. Im Fokus bei faWaSiS standen Materialauswahl, Design, Herstellungsmethode und Bauteilintegration.

Die INVENT GmbH hat dabei insbesondere das kupfergeschirmte integrierbare Netzwerkmodul für die Innenseite der Seitenschürze als auch die Verbindungskomponenten entwickelt, konstruiert und gefertigt. Basis dafür waren Vorarbeiten wie Bauteilanalyse und Berechnungen des Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik des Deutschen Zentrums für Luft-und Raumfahrt (DLR). Ein weiterer Projektpartner (SMT Forst) hat das Netzwerk in den Fertigungsprozess der Seitenschürze eingelegt und so die finalen Demonstratoren für den Feldtest hergestellt. „Wir haben insgesamt drei Strukturüberwachungs-Netzwerke sowie einen Messedemonstrator gefertigt“, schildert Jesper de Wit, faWaSis-Projektleiter bei INVENT. Der siebenmonatige Feldtest mit zwei der drei Seitenschürzen in einem Regionalzug der DB habe gezeigt, dass das Netzwerk auch in der Praxis erfolgreich funktioniert. Es wurden zwei Seitenschürzen verbaut, um beide Fahrtrichtungen des Zuges abzudecken.

„Wir haben damit in Theorie und Praxis demonstriert, dass das integrierte Netzwerk frühzeitig Schäden erkennt und aktiv auf notwendige Reparaturmaßnahmen hinweist“, sagt INVENT-Bereichsleiter Friedrich von Dungern. Dass dies möglich ist, liegt an den piezoelektrischen Wandlernetzwerken, die auf der so genannten DuraAct-Technologie basieren. Diese Technologie ist vom DLR patentiert und wurde von der INVENT GmbH industrialisiert. In jedem faWaSis-Netzwerk hat die INVENT GmbH 32 Piezo-Keramiken verbaut. Diese können so genannte Lamb-Wellen (benannt nach deren „Entdecker“ Horace Lamb) anregen und empfangen und werden unter anderem bei der Prüfung dünnwandiger Strukturen aus Verbundwerkstoffen mittels „Structural Health Monitoring“ in Verkehrsflugzeugen erprobt. An Defekten findet eine Umwandlung der Wellen statt, die sensorisch erfasst und zur Schadensdetektion mittels komplexer Algorithmen genutzt werden kann. Aufgrund ihrer elektro-physikalischen Eigenschaften ist der Einsatz piezokeramischer Wandler ideal für Schadensdetektion, Schadenslokalisierung und Schadensbewertung, da diese einen breiten Frequenzbereich bei geringer elektrischer Leistungsaufnahme im µW-Bereich abdecken. So soll die Akzeptanz für moderne Leichtbautechnologien auf der Schiene „Zug um Zug erhöht und die Möglichkeiten piezoelektrischer Flächenwandler in einem neuen Marktsegment bekannt gemacht werden“, verdeutlicht INVENT Bereichsleiter Forschung & Entwicklung von Dungern.

Das Forschungsprojekt faWaSis wurde unter dem Förderkennzeichen 19|17004 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Projektträger war der TÜV Rheinland.