AddGLEIS

Um was es geht

Die Projektpartner:innen des Projekts „Entwicklung additiv gefertigter Leichtbaustrukturen für den Einsatz in Schienenfahrzeugen (AddGLEIS) arbeiten an der technologischen Weiterentwicklung von Leichtbau-Ansätzen für Schienenfahrzeuge durch Anwendung kombinierter additiver Fertigungsverfahren und hochautomatisierter Robotik. Dabei werden die Eigenschaften von additiven Fertigungsverfahren, wie die geometrische Flexibilität, die Verkürzung der Fertigungskette sowie die verbesserte Materialausnutzung im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren genutzt, um Aspekte des Leichtbaus zu adressieren. Durch die additive Fertigung wird es ermöglicht gewichtsoptimierte Bauteile mit topologieoptimiertem Design zu fertigen, welche sich durch tragende Strukturen auszeichnen, die den tatsächlichen Lastverläufen und Lastgrößen in Schienenfahrzeugen entsprechen. Dadurch lassen sich lokale Unterauslastungen, wie sie sich in konventionellen Strukturen aufgrund fertigungsbedingt gleichbleibender Profilquerschnitte und Blechdicken ergeben, stark reduzieren und erhebliche Gewichtsreduktionen erzielen. Zum Einsatz für die Fertigung der lastoptimierten, organisch geformten Strukturen kommt eine kombinierte Prozesskette der AM-Verfahren Cold Spray (CS), Fused Granular Fabrication (FGF) und Wire Arc Spraying (WAS). In Verbindung mit einer leistungsfähigen Robotik und einer durch KI-Algorithmen geregelten Steuerung wird eine hochautomatisierte additive Fertigung komplexer Bauteildesigns ermöglicht, welche nicht den Restriktionen konventioneller Fertigungsverfahren unterliegt.

Ziele des Forschungsprojekts

Das zu entwickelnde roboterbasierte Anlagensystem soll es ermöglichen, mit bildgebender Sensorik als Datenquelle für das neuronale Netz eines KI-Algorithmus den additiven Fertigungsprozess von topologieoptimierten Leichtbaustrukturen vollständig zu automatisieren. Dadurch wird eine additive Prozesskombination aus Cold Spray, Fused Granular Fabrication und Wire Arc Spraying verfügbar, welche es ermöglicht großvolumige Bauteile sicher und wiederholbar zu erzeugen. Durch die Integration der jeweiligen Prozesse in eine intelligente Robotik mit spezieller Bahnplanung und -regelung werden die ambitionierten Ziele des Projekts erreichbar. Die Kombination der genannten additiven Verfahren ist als innovativ anzusehen, da dadurch die Realisierung von Verbundstrukturen nach dem Sandwich-Prinzip ermöglicht wird. Komplexe Geometrien wie Hohlkörper oder Hinterschneidungen werden durch den Auftrag von Kunststoffschäumen mittels des Fused Granular Fabrication erzielt, welche anschließend durch Wire Arc Spraying mit einer metallischen Schicht beschichtet (metallisiert) werden. Die sich daraus ergebende Substratgrundlage wird anschließend mittels des Cold Spray-Verfahrens mit der lasttragenden additiven Struktur beschichtet. Durch eine KI-basierte, automatisierte Qualitätssicherung wird zudem sichergestellt, dass das erzeugte Bauteil den geometrischen Anforderungen entspricht, wodurch sich eine weitere Steigerung des Automatisierungsgrads des Gesamtsystems ergibt.

Motivation

Energieökonomisches Handeln gewinnt in allen Bereichen der Wirtschaft fortwährend an Bedeutung. Im Bereich der Mobilität, speziell auch im Schienenverkehr, ist der Leichtbau dabei von besonderer Bedeutung, um den Energieverbrauch sowohl im Personen- als auch im Güterverkehr deutlich zu reduzieren.