Weniger Kosten und bessere Performance durch Bionik
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Bei diesem Projekt war es das Ziel, den Federtopf von Schienenfahrzeugen im Gewicht zu reduzieren unter Beibehaltung aller Festigkeiten sowie Fertigungsverfahren des Ausgangsmodells. Der Federtopf hat die Aufgabe, die Schwingung des Waggons zu dämpfen und wird im Fahrwerk jedes Waggons 8-mal verbaut. Ein Federtopf allein wiegt 62 Kilogramm und pro Zug macht dieses Bauteil im Durchschnitt ein Gewicht von 4,5 Tonnen aus.


In dem Kontext, dass der Schienenverkehr in Österreich jährlich für etwa 500.000 Tonnen CO2 Ausstoß verantwortlich ist, lohnt sich eine Gewichtsoptimierung in diesem Sektor nicht nur finanziell für die Bahnhersteller, sondern auch für die Umwelt.

Die besondere Herausforderung in diesem Projekt bestand darin, das Bauteil leichter zu machen, ohne dabei an Festigkeit zu verlieren und unter der zusätzlichen

Randbedingung, dass als Fertigungsverfahren der Druckguss beibehalten wird. Auftraggeber ist die Siemens Mobility GmbH, die in Graz in einem eigenen Kompetenzzentrum Fahrwerke für Schienenfahrzeuge entwickelt.

Der Optimierungsprozess besteht aus einem gesamtheitlichen Ansatz, bei dem virtuell bereits im Vorfeld die Herstellbarkeit und die Betriebsfestigkeit verifiziert werden können. Für die eigentliche Strukturoptimierung wird eine hybride Methode aus numerischer und bionischer Optimierung ausgewählt. Mit der sogenannten lastpfadgerechten Gestaltung ermittelt man, welche Stellen im Bauteil mehr und welche Stellen weniger belastet werden. Danach entfernt man Material an weniger belasteten Stellen und fügt Material hinzu, wo das Bauteil höher belastet ist.

Die dabei entstehende, organische Struktur (grau) muss in einem weiteren Schritt an die Fertigungsrestriktionen angepasst werden (grün). Durch eine enge Zusammenarbeit mit der Maschinenfabrik Liezen und Giesserei Ges.m.b.H. (MFL) wurde die bestmögliche Gewichtsoptimierung bei gleichzeitiger Gießbarkeit eruiert. Das grüne Bauteil ist also ein gelungener Kompromiss zwischen Fertigbarkeit und Gewichtsersparnis. Dennoch lässt sich eine solche Struktur nicht mit konventionellen Werkzeugen fertigen. Deshalb wurde in diesem Fall der 3D Drucker als additive Fertigungsmethode eingesetzt. Aber nicht direkt zum Drucken des Bauteils, sondern zum Drucken der Negativform, die dann ausgegossen wird. Auf diese Weise kann man die wirtschaftlichen Vorteile des Gießens mit den

konstruktiven Vorteilen des 3D Drucks kombinieren

Mithilfe dieses innovativen Ansatzes konnten 13 Kilogramm pro Federtopf eingespart werden sowie 504 kg CO2 allein für die Herstellung. Dies ist mit drastischen

Folgen für die Gesamtkosten über die Lebensdauer, den sogenannten „Total Costs of Ownership“, verbunden. Zusammengefasst hat die Optimierung einen positiven Einfluss auf vier große Bereiche:

–         Das Gesamtgewicht verringert sich

–         Die “Total Costs of Ownership” verringern sich signifikant

–          Der CO2 Ausstoß verringert sich

–          Die Unternehmenswahrnehmung verbessert sich aufgrund der erhöhten Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit


Auf kurze Sicht sinkt der Energiebedarf zur Fortbewegung. Über einen Lebenszyklus können so 2900 € allein an Energiekosten pro Zug gespart werden. Langfristig nutzen sich die Schienen bei einem 2,8 Tonnen leichteren Zug wesentlich langsamer ab, vor allem bei kurzen Strecken. Das führt zu geringeren Wartungs- und Reparaturkosten. In weiterer Folge können die Züge in größeren Abständen gewartet werden und die Stillstandzeit pro Zug verringert sich. Aufgrund dieser direkten und indirekten Kostenreduktionen hat der Kunde signifikant niedrigere Life Cycle Costs. Eine Extrapolation aller relevanten Kosten hat ergeben, dass jedes gesparte Kilo etwa 160 € wert ist.

Die wesentlichen Erkenntnisse neben den technischen sind, dass sich Leichtbau auch wirtschaftlich lohnt, selbst wenn die Anschaffungskosten von Bauteilen steigen. Aufgrund der indirekten Vorteile und der „Total Costs of Ownership“ kann Leichtbau auch in der Schwerindustrie von großem Nutzen sein und gewinnbringend eingesetzt werden

Autor: Ing. Lukas Reimann, M.Sc., Bionic Scientist, SinusPro GmbH


SinusPro GmbH ist ein unabhängiges High-Tech-Entwicklungsunternehmen mit Sitz in Graz. Gemeinsam mit ihrem interdisziplinären Netzwerk bestehend aus Forschern, Materialwissenschaftlern, Prozesstechnologen und Testlaboren hat das Unternehmen die Vision, als „Engineering Solution Provider“ alle Kompetenzen zentral zu bündeln. Die SinusPro bietet mit ihren 12 Jahren Erfahrung Beratung & Dienstleistung im Bereich technischer Problemlösungen und virtueller Produktentwicklung an. Dabei liegen die Kernkompetenzen in der numerischen Simulation, dem Leichtbau und der anwendungsorientierten Bionik. Neben den Industrieprojekten zeigt sich der innovative Charakter auch in zahlreichen internationalen Forschungsprojekten.

Kontakt: ta.orpsunis@eciffo, +43 (0) 316 39 29 90