Anwendungs-Spotlight:3D-Druck in der Bahnindustrie 

In den letzten 12 Monaten haben viele Bahnunternehmen, darunter die Deutsche Bahn, Bombardier und Angel Trains, in den 3D-Druck investiert oder ihre 3D-Druckkapazitäten hochgefahren.

16 Prozent der Unternehmen in der Logistik- und Transportbranche nutzen 3D-Druck zur Herstellung von Ersatzteilen, so ein aktueller Bericht von EY.

Was treibt diese Annahme an?

Im Application Spotlight dieser Woche werden wir uns die Treiber für die zunehmende Akzeptanz der additiven Fertigung (AM) in der Bahnindustrie ansehen und die spannendsten Anwendungsfälle untersuchen.

Schauen Sie sich die anderen Anwendungen an, die in dieser Serie behandelt werden:

3D-Druck für Wärmetauscher

3D-Druck für Lager

3D-Druck für die Fahrradherstellung

3D-Druck für die digitale Zahnheilkunde und die Herstellung von Clear Alignern

3D-Druck für medizinische Implantate

3D-gedruckte Raketen und die Zukunft der Herstellung von Raumfahrzeugen

3D-Druck für die Schuhherstellung

3D-Druck für elektronische Komponenten

3D-gedruckte Brillen

3D-Druck für die Endfertigung

3D-Druck für Halterungen

3D-Druck für Turbinenteile

Wie 3D-Druck leistungsfähigere Hydraulikkomponenten ermöglicht

Wie 3D-Druck Innovationen in der Kernkraftindustrie unterstützt

Warum setzen Bahnunternehmen auf den industriellen 3D-Druck?

Einen Zug zu bauen ist keine leichte Aufgabe, denn es bedarf hochwertiger Komponenten, um den Zug in der Regel über Jahrzehnte auf der Strecke zu halten.

Aber was passiert, wenn einige Komponenten kaputt gehen? Es kann relativ einfach sein, Ersatz für kürzlich hergestellte Teile zu finden, aber wenn es um Komponenten geht, die vor 20 bis 30 Jahren hergestellt wurden, wird der Prozess kompliziert.

In vielen Fällen sind Bahnunternehmen mit der Situation konfrontiert, dass die Produktion der benötigten Ersatzteile eingestellt wird oder Hersteller nicht mehr im Geschäft sind. Angesichts der geringen Anzahl an benötigten Ersatzteilen ist eine Neukonstruktion und Fertigung des Teils mit traditionellen Methoden, die auf die Massenproduktion zugeschnitten sind, wirtschaftlich oft nicht sinnvoll.

Die Ausfallkosten pro Tag für einen Zug betragen auch ziemlich hoch, was Bahnunternehmen dazu veranlasst, nach neuen Wegen zu suchen, um veraltete Ersatzteile schneller und kostengünstiger zu produzieren.

3D-Druck wird zu einer der Technologien, die solche Probleme lösen können. Es handelt sich um eine digitale Fertigungstechnologie, das heißt, sie basiert auf digitalen Workflows und erfordert keine zusätzlichen Werkzeuge wie Formen, um ein Teil zu erstellen.

Die werkzeuglose Produktion durch 3D-Druck kann die Herstellungszeit für veraltete Ersatzteile erheblich verkürzen, in einigen Fällen um bis zu 95 %. Der Prozess wird auch häufig mit Reverse Engineering gekoppelt, insbesondere wenn das ursprüngliche Design eines Teils verloren gegangen ist.

Auf diese Weise können Bahnunternehmen den Wartungsprozess der Züge beschleunigen und die Züge effizienter als zuvor wieder einsetzen.

Erste Anwender des 3D-Drucks in der Bahnindustrie , wie die Deutsche Bahn, haben mehrere Teile identifiziert, die als Ersatz 3D-gedruckt werden können. Darunter befinden sich Kaffeemaschinenteile, 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 Treiber für die Einführung des 3D-Drucks in der Bahnindustrie ist die Möglichkeit, Fertigungshilfsmittel wie Vorrichtungen und Vorrichtungen schneller und bedarfsgerecht herzustellen. Obwohl ein weniger bekannter Anwendungsfall, sind 3D-gedruckte Werkzeuge in der Regel leichter als herkömmliche Gegenstücke und können ergonomisch gestaltet werden, was den Arbeitern eine größere Benutzerfreundlichkeit bietet.

3D-Drucktechnologien für Eisenbahnteile

Die meisten 3D-gedruckten Ersatzteile und Werkzeuge für die Bahnindustrie werden mit Polymeradditivtechnologien wie Fused Filament Fabrication (FFF) und Selective Laser Sintering (SLS) hergestellt. Die Technologien sind optimiert, um mit hochleistungsfähigen Thermoplasten wie Nylon und ULTEM zu arbeiten.

Um für Zugkomponenten verwendet zu werden, müssen diese Materialien den Brandschutznormen der Branche entsprechen. Mehrere Unternehmen bieten flammgeschützte Thermoplaste an. Stratasys hat beispielsweise ein Material entwickelt, das dem Bahnstandard EN45545-2 für den Brandschutz entspricht.

Markforged, ein Entwickler von Verbund-3D-Druckern, hat kürzlich auch ein flammhemmendes Verbundmaterial auf Nylonbasis eingeführt. Das Material soll das Anwendungsspektrum des 3D-Drucks in der Bahnindustrie sowie in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Verteidigungsindustrie erweitern.

Während die meisten 3D-gedruckten Teile für die Bahnindustrie aus Polymeren bestehen, gewinnt auch der Metall-3D-Druck an Bedeutung. Technologien wie Selective Laser Melting (SLM) und Metal Binder Jetting werden am häufigsten verwendet, um Teile mit Metallen wie Aluminium, Stahl und neuerdings Titan herzustellen.

3D-Druckanwendungen in der Bahnindustrie

Deutsche Bahn 3D druckt ein Metallersatzteil

Die Deutsche Bahn ist einer der Pioniere bei der Einführung des 3D-Drucks für Ersatzteile. Die Deutsche Bahn hat in den letzten Jahren die Einsatzmöglichkeiten von AM für mehr als 100 Anwendungsfälle identifiziert. Die meisten Teile sind verfügbarkeitsrelevant, können also schwer zu beschaffen sein und einen monatelangen Fahrzeugstillstand verursachen.

Ein Beispiel für ein solches Teil ist ein Radsatzlagerdeckel für eine Lokomotive der Baureihe 294. Dieses Modell wurde in den 1960er und 1970er Jahren in Dienst gestellt und Ersatzteile für einige Komponenten, wie diese Abdeckung, fehlen.

Traditionell musste die Deutsche Bahn ein neues Teil im Gießverfahren herstellen lassen. Diese Methode beinhaltet jedoch typischerweise hohe Mindestabnahmemengen und die Teillieferung kann mehrere Monate dauern.

AM erschien als natürliche Alternative, da dieses Teil schneller und nach Bedarf erstellt werden konnte. Das Unternehmen wandte sich an ein Servicebüro, das einen Lagerdeckel mit der Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)-Technologie in 3D druckte. Das WAAM-Verfahren verwendet Draht als Rohstoff. Der Draht wird durch eine Düse geführt und Schicht für Schicht zum fertigen Werkstück verschweißt.

Das 13 kg schwere Teil wurde in nur 7 Stunden gedruckt, was der Deutschen Bahn Vorteile wie einen erhöhten Teil verschafft Verfügbarkeit und deutlich geringere Herstellungskosten.

Siemens Mobility:3D-gedruckte Werkzeuge

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.

In einem Beispiel hat das neue Wartungsdepot ein wichtiges Verbindungswerkzeug für die Wartung von Zugdrehgestellen in 3D gedruckt (das Drehgestell ist das Chassis oder die Struktur, die die Radsatzachse trägt). Die Herstellung mit herkömmlichen Verfahren ist recht schwierig, da das Werkzeug eine komplexe Form hat, die ein hohes Maß an Individualisierung erfordert.

Darüber hinaus wiegen Drehgestelle mehrere Tonnen und müssen daher aus robusten und langlebigen Materialien gefertigt werden, die den hohen Belastungen während der Fahrt standhalten.

Als Alternative setzte das Team des Zentrums die FDM-Technologie von Stratasys und einen ULTEM 9085 in Industriequalität ein. Der 3D-Druck ermöglichte es Siemens Mobility, die Anpassungsvorteile des 3D-Drucks zu nutzen und dafür herkömmliche Herstellungsmethoden zu ersetzen Werkzeuganwendung.

Das Unternehmen berichtet auch, dass 3D-gedruckte Werkzeuge ihm geholfen haben, seine Abhängigkeit von Outsourcing-Tools durch Lieferanten zu reduzieren und auch die Kosten pro Teil zu senken.

Angel Trains' Erforschung des 3D-Drucks 

Das Schienenfahrzeug-Leasingunternehmen Angel Trains hat sich vor kurzem mit Stratasys zusammengetan, um Komponenten für das 3D-Drucken von Zuginnenausstattungen wie Armlehnen, Haltegriffe und Sitzlehnentische zu entwickeln.

Die ausgewählten Komponenten werden nun in im Einsatz befindlichen Personenzügen erprobt. Bisher verlief der Prozess positiv. So dauerte beispielsweise die Herstellung der 3D-gedruckten Armlehne nur eine Woche – ein Rückgang von 94% im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsmethoden

Das Unternehmen verwendet die Stratasys FDM-Technologie in Kombination mit dem Hochtemperatur-ULTEM 9085 thermoplastischen, bis hin zum 3D-Druck von Ersatzteilen auf Anfrage. Das verwendete Filament soll mit den Standards der Bahnindustrie (insbesondere dem Bahnstandard EN45545-2) kompatibel sein und eine höhere Feuerbeständigkeit und Haltbarkeit als herkömmliche Thermoplaste aufweisen.

In einem anderen Fall half der 3D-Druck Angel Trains produziert Haltegriff-Ersatzteile. Die Original-Ersatzteile waren veraltet und der Lieferant hatte das Geschäft eingestellt. Die Herstellung eines Ersatzteils auf herkömmliche Weise hätte die Produktion eines neuen Fertigungswerkzeugs erfordert, was Kosten von bis zu 15.000 £ und eine Vorlaufzeit von zweieinhalb Monaten verursachen könnte.

Mit dem FDM-3D-Druck konnte das Unternehmen jedoch alle sieben für die Züge benötigten Griffe in nur drei Wochen und zu deutlich geringeren Kosten herstellen.

Aufregend erkundet Angel Trains auch neue Anpassungsmöglichkeiten beim 3D-Druck. Zum Beispiel prüft das Unternehmen die Möglichkeit, Sitzlehnentische mit Blindenschrift in 3D zu drucken, um den Passagier darüber zu informieren, dass die Toilette zehn Reihen von seinem Sitz entfernt ist.

Im Erfolgsfall könnten Anwendungen wie diese den Service von Zügen und das Fahrgasterlebnis in Zukunft deutlich verbessern.

Errungenschaften von CAF im 3D-Druck 

Auch CAF, einem spanischen Hersteller von Schienenfahrzeugen, Ausrüstungen und Bussen, ist es gelungen, den 3D-Druck für die Produktion von Ersatzteilen und Funktionskomponenten einzusetzen. Seit September 2016 soll CAF rund 2.400 3D-gedruckte Teile für den Einsatz in seinen Schienenfahrzeugen produziert haben, darunter Getränkehalter, Radiohalterungen, Fensterrahmen, Wischerabdeckungen und Türstützen.

Das Unternehmen nutzt auch großflächigen 3D-Druck, um Außenteile mit einer Größe von bis zu mehreren Metern herzustellen. Unter diesen Teilen befindet sich ein Frontend-Bauteil, 3D-gedruckt für eine Urbos-Straßenbahn. Vermutlich wurde das Teil mit einem Super Discovery FFF 3D-Drucker 3D-gedruckt, der vom spanischen Hersteller CNC Bárcenas entwickelt wurde.

CAF nennt die Fähigkeit, Teile mit unterschiedlichen Abmessungen und komplexen Geometrien herzustellen, als einen der Hauptvorteile der 3D-Drucktechnologien. Das Unternehmen sagt, dass es ihnen hilft, die Abhängigkeit von Formen und Originalmustern bei der Herstellung von Komponenten zu überwinden und die Markteinführungszeit für ein neues Teil zu verkürzen.

Andere Beispiele

Die Zahl der Eisenbahnunternehmen, die mit dem 3D-Druck beginnen, wächst.

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.

Wabtec Corporation, ein globaler Hersteller für die Bahn- und Transportindustrie, ist ebenfalls auf den 3D-Druck-Zug aufgesprungen. In diesem Sommer investierte das Unternehmen in die H2-Bindemittelstrahltechnologie von GE Additive. Wabtec hat bereits Anwendungsfälle für bis zu 250 Komponenten in seinen Produktlinien identifiziert, die mit AM hergestellt werden können.

3D-Druck in der Eisenbahnindustrie:Eine transformative Wirkung 

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

Die obigen Beispiele zeigen jedoch, dass die Reise des 3D-Drucks für die meisten Unternehmen gerade erst begonnen hat. Sie werden sowohl Zeit als auch Geld brauchen, um herauszufinden, wie die Technologie optimal genutzt werden kann. Aber die Belohnung, die am Ende der Reise wartet, verspricht einen transformativen, positiven Einfluss auf die Lieferketten und den Servicebetrieb der Bahn.