Die Zukunft des Zugfahrens:
Carbon- Leichtbaukonstruktionen realisiert mit Catia und 3DExperience Plattform
Ganze Züge, nahezu komplett aus neuartigen Carbon Materialien aufgebaut, führen zu außergewöhnlichen Ergebnissen, wie die CG Rail GmbH, ein chinesisch/deutsches Joint Venture, mit Sitz in Dresden, bereits bewiesen hat. Für diese ungewöhnliche Aufgabe kommen besonders leistungsfähige CAx-Tools zum Einsatz: Catia und die 3DExperience Plattform, eingeführt und betreut von Cenit.
Räder müssen rollen, auch in Zukunft, darüber sind sich alle klar. Aber in welchem Verkehrssystemen? Sicher ist, Bahnen, allgemein schienengebundene Fahrzeuge, werden dabei sein.
Aber auch dieses umweltfreundliche Verkehrssystem wird weiter verbessert werden müssen. Der heute bekannte ICE ist noch nicht das letzte Wort.
 Weltweit erster Metro-Zug in carbonintensiver Leichtbauweise, entwickelt und realisiert in Dresden. Alle Bilder CG Rail
Um Energie zu sparen oder die Nutzlast zu erhöhen, hilft es, wenn die Fahrzeuge leichter werden. Um diese Ziele zu erreichen hat das Dresdner Unternehmen CG Rail sein weltweit einzigartiges Know-How zum Leichtbau mit CFK Materialien auf Züge angewendet. Dabei wurde nicht nur die äußere Hülle, sondern die gesamte Tragstruktur der Züge ins Auge gefasst.
Die CG Rail GmbH wurde 2015 als chinesisch-deutsches Joint Venture gegründet, mit dem Ziel, innovative Leichtbausystemlösungen für die Bahn- und Verkehrstechnik zu entwickeln. Chinesischer Partner ist das Unternehmen CRRC Qingdao Sifang, mit Sitz in Qingdao, ein Tochterunternehmen des weltweit größten Schienenfahrzeughersteller CRRC.
Eine wichtige Rolle bei der Gründung der CG Rail in Dresden spielte auch Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr. h.c. Werner Hufenbach, ein national und international ausgewiesener Leichtbauexperte, der in Dresden das renommierte Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) an der TU Dresden gegründet und aufgebaut hat. Geleitet wird das Unternehmen durch Prof. Dr.-Ing. Andreas Ulbricht und Chongcheng Zhong.
 Foto des realen Prototyps.
CG Rail startete im Januar 2016 mit zwei Personen und hat mittlerweile 27 Mitarbeiter. „Um wirklich Erfolge zu haben ist es nötig, das ganze System zu betrachten und nicht nur einzelne Teile. Wir sprechen daher auch von Systemleichtbau“, wie Maik Halata, Entwickler und CAx-Systemverantwortlicher bei CG Rail erläutert.
Das tat man bereits mit dem ersten Projekt, der Entwicklung des weltweit ersten Leichtbau-Metro-Zugs, der fast vollständig aus CFK-Komponenten besteht.
Die Leistungen der Sachsen wurden dabei im Rahmen des Vorhabens ‚Next Generation Metro Train‘ für CRRC erbracht. CG Rail hat mit der Frontkabine, dem Wagenkasten, der Unterflurverkleidung und dem Drehgestellrahmen die wesentlichen Module für die neue Metrogeneration entiwckelt und realisiert (siehe Bilder).
Das herausragende Ergebnis ist: Die neuartige Leichtbauweise ermöglicht Massenreduzierungen von 30 bis 40 Prozent! Das sind im konkreten Fall viele Tonnen an Gewichtseinsparung, was wiederum entsprechend Energie spart.
Der Prototyp wurde 2018 auf der Innotrans durch CRRC unter dem Namen CETROVO vorgestellt, eine Weltpremiere.
Um all das so sauber umsetzen zu können, aber auch weil beim chinesischen Kunden CRRC schon eingeführt, hat man von Anfang an auf Catia gesetzt (zur Zeit Catia V5 R28). Für die Datenverwaltung wurde mittlerweile auch die 3DExperience Plattform installiert. „Ergänzt werden diese beiden Pakete durch Ansys von der Ansys Inc. und Hyperworks von Altair für die Berechnungsseite“, wie M. Halata erzählt.
 Beispiel eines CFK-Bauteils, realisiert mit Hilfe des CPD Moduls in Catia V5.
Funktionen satt
Catia braucht man auf CAD.de kaum vorzustellen. Eines der großen Systeme, weltweit erfolgreich seit langem und nach wir vor in der Hand von Dassault Systèmes.
Was ursprünglich einmal für den Flugzeugbau entwickelt wurde, daher auch die sehr guten Flächenfunktionen, hat mittlerweile in viele andere Branchen Eingang gefunden: Automobilbau, Fahrzeugbau allgemein, Medizintechnik, Maschinenbau usw.
Der Konstruktionsprozess umfasst natürlich die Erstellung von 3D-Modellen, sowie dazugehörige Zeichnungsableitung.
Um diesen Kern herum hat Dassault Systèmes eine Fülle von Möglichkeiten geschaffen, die je nach Bedarf eingesetzt werden können:
- Erstellung hochwertiger Rendering-Bilder,
- Berechnung von Bauteilen, Strömungen u.v.m.,
- Blechkonstruktion,
- Werkzeug- und Formenbau,
- Kunststoffkonstruktionen,
- Sichere Erzeugung von CFK-Teilen,
- Freestyle-Konstruktion,
- Topologieoptimierung,
um nur die wichtigsten Bereiche zu nennen. Es geht also eher nicht darum, dass keine Funktionen vorhanden sind, sondern darum, aus der Fülle die richtigen auszuwählen.
Dabei helfen gerne die Systemhäuser, wie z.B. Cenit.
Um die Fülle der Pakete zusammenzubinden, aber auch Teile schnell zu finden oder mit Kollegen zu kommunizieren wurde der CAx-Software etwas Neues hinzugefügt, die 3DExperience Plattform.
Für CG Rail sind sowohl die Freiformflächen, als auch die Möglichkeiten des CFK-Designs, besonders wichtig. Dementsprechend „ist neben den Basismodulen für Solids und Flächen der Baustein für das CPD-Modul installiert“, so Halata. Die darin enthaltenen Funktionen unterstützen CG Rail die Bauteile zügig zu entwickeln ohne dabei wichtige Parameter wie zum Beispiel die Faserausrichtung oder die Drappierbarkeit aus den Augen zu verlieren. Ebenso die Ableitung der Fertigungsunterlagen (Abwicklungen und Plybooks) ist automatisiert möglich.
Schritt für Schritt zur innovativen Leichtbaustruktur
Bei CG Rail beginnt der Einstieg in ein Projekt mit Handskizzen, die erste Ideen zu Bauweisenkonzepten festhalten.
 Auch die Drehgestelle sind aus CFK ausgeführt worden.
Dazu kommen die Anforderungen, unter anderem aus dem Lastenheft des Auftraggebers. Im Anschluss veranstalten die Dresdner gewöhnlich ein Brainstorming, um alle zu den vorgezeichneten Punkten passenden Bauweisenkonzepte zu erfassen. Auf dieser Basis entsteht schließlich ein favorisiertes Grundkonzept.
„Jetzt kommt CAD ins Spiel. Es entsteht zunächst eine Grobstruktur, dann wird schon einmal gerechnet, um zu sehen, ob die Richtung stimmt. Dann gehen wir an die Detaillierung“, erläutert M. Halata weiter.
Der gesamte konstruktive Prozess wird im Grunde durch Finite-Elemente-Berechnungen begleitet, um von vornherein passende Ergebnisse zu erzielen. Bei CFK-Teilen besteht ohnehin die Notwendigkeit, den optimalen Schichtaufbau der Struktur rechnerisch zu ermitteln, der im Wesentlichen durch folgende Parameter definiert ist:
- Material der einzelnen Lagen
- Anzahl der Lagen
- Dicke der Lagen
- Faserorientierung der einzelnen Lagen
Das wäre rein intuitiv nicht mehr zu beherrschen. Dies gilt umso mehr, wenn die Teile aus einer größeren Anzahl von Lagen bestehen. Dazu M. Halata: „Wir gehen so weit, bis die geforderten Festigkeiten und Steifigkeiten bei minimaler Masse erreicht werden“. So nähert man sich dann dem Ziel an. Am Ende schließt sich üblicherweise noch eine Fertigungsplanung mit zugehöriger Werkzeugkonstruktion und Prozesssimulation an. Es ist ohnehin eine große Herausforderung, Carbon-Bauteile mit einer solchen Größe (bis zu 25 m Länge) maßhaltig in Formen auszubacken:
Entlang dieser Prozesskette hilft mittlerweile die 3DExperience Plattform, die Menge der Daten zu beherrschen.
Umfassender Ansatz
Die 3DExperience Plattform ist, nach der Definition von Dassault Systèmes, eine Business Plattform, die in einem gesamten Unternehmen genutzt werden kann. Mit einer einheitlichen, recht einfach zu verwendenden Benutzeroberfläche, treibt sie Branchenlösungen an, die auf 3D-Konstruktion, Analyse, Simulation, Dokumentation aber auch bis hin zum ERP basieren.
Letztlich werden alle Dassault Systèmes Marken vereint. Dazu kommen leistungsfähige Suchfunktionen sowie Kommunikationsfähigkeiten (Collaboration).
Das Ziel ist es, Softwarelösungen für jeden Geschäftsbereich eines Unternehmens bereitzustellen.
Die möglicherweise großen Komplexitäten werden über Nutzerrollen gesteuert. Mehr als 200 Rollen sind bislang schon ausgearbeitet worden.
Die Plattform kann in der Cloud (Dassault Systèmes betreibt eine eigene) als auch vor Ort installiert werden. Bei CG Rail nutzt man die letztere Möglichkeit, um alle Daten selbst im Griff zu haben und wendet sie im ersten Schritt quasi als PDM-System an. Als weiterer Schritt ist die Ankopplung des eigenen ERP-Systems geplant.
Vertriebs-, Installations- und Betreuungspartner ist die Cenit AG, mit der man laut Maik Halata „eine gute und vertrauensvolle Zusammenarbeit hat und die immer hilft, wenn es notwendig ist“.
 Maik Halata, Entwicklungsingenieur und CAD/PDM-Verantwortlicher bei der CG Rail GmbH in Dresden.
Urheber der Fotos Prototyp und Drehgestell: Michael Schmidt
Über Cenit
Cenit ist der Partner für die erfolgreiche digitale Transformation. Kunden verfügen mit Cenit an ihrer Seite über weitreichende Möglichkeiten zur Optimierung ihrer horizontalen und vertikalen Geschäftsprozesse. Innovative Technologien aus den Bereichen Product Lifecycle Management, Digitale Fabrik und Enterprise Information Management schaffen dafür die Basis. Die Kompetenz der Cenit-Berater entsteht aus der Kombination von fachübergreifendem Prozessverständnis und tiefer Fach-Expertise. Der durchgängige Beratungsansatz gibt Cenit Kunden die Sicherheit, dass ihre Lösungen mit dem Verständnis für ihre gesamte Wertschöpfungskette entstehen. Als ganzheitlich aufgestellter Partner seiner Kunden übernimmt Cenit die Verantwortung von der Beratung über die Einführung innovativer IT-Lösungen bis zum wirtschaftlichen Betrieb. Das Cenit-Team stellt sich auf die spezifische Situation des Unternehmens ein und gewährleistet damit die Praxisnähe, die messbare operative Optimierungen erst ermöglicht. Seit 30 Jahren realisiert Cenit damit Wettbewerbsvorteile für namhafte Kunden in Schlüsselindustrien der Wirtschaft. Das Unternehmen beschäftigt rund 800 Mitarbeiter, die weltweit Kunden aus den Branchen Automobil, Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau, Werkzeug- und Formenbau, Finanzdienstleistungen, Handel und Konsumgüter betreuen.
www.cgrail.de
www.cenit.com
- Karl Obermann –
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