Leichtbau unter Anwendung der Aluminium ... - Metawell

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W e r k s t o f f e 4 7 Bild 2 Die Holzform der Biegemaschine definiert die Geometrie Bild 1 Produktfamilie Platte die spanende Konturgebung durch Sägen und Fräsen mit ähnlich hohen Vorschubgeschwindigkeiten wie bei Holz möglich ist und auch auf Holzbearbeitungsmaschinen (bei Anpassung der Werkzeuge) ausgeführt werden kann, sind diese Verfahren in der Regel deutlich günstiger als Lasern oder Wasserstrahlschneiden. Im Gegensatz zu nicht-metallischen Sandwich-Elementen oder Holz gibt es beim Aluminium-Sandwich zusätzlich den „Metall-Bonus“, das heißt es können ebenso die Verfahren der klassischen Metall-Konturgebung wie Scheren, Stanzen und Nibbeln angewendet werden. Interessant wird dieser „Metall-Bonus“ aber vor allem, wenn es darum geht, die Sandwich-Elemente durch Ausnutzen der plastischen Dehneigenschaften der Aluminiumbleche zu verformen. Hier bietet sich besonders das Material Aluflex an, das aus nur einem Deckblech besteht und mit dem wellenförmigen Dünnblech verklebt wird. Somit entsteht ein Material mit nicht richtungsgebundenen Eigenschaften, das um die Achse, parallel zum Wellenkamm, fast genauso leicht elastisch gebogen werden kann wie das Deckblech alleine. In die zweite Richtung steift die Welle aus. Anwendungsbereiche sind beispielsweise einachsig gekrümmte Flächen, bei denen die Krümmung durch gebogene Träger (Profile) vorgegeben wird. Aluflex folgt der Krümmung fast spannungsfrei, und zwischen den Trägern wird die Fläche durch die Welle stabilisiert. Erfolgt die Biegung von Aluflex um die Achse senkrecht zum Wellenkamm, wird die Welle plastisch gedehnt (oder gestaucht). Diese Umformung kann auf Walzen-Biegemaschinen oder auch auf einfachen Hand- Hebelmaschinen erfolgen, bei denen eine Holzform die Geometrie definiert, Bild 2. So können mit großer Wiederholgenauigkeit Halbschalen oder auch Vouten mit optisch ansprechender Oberfläche für Radien ab etwa 150 mm gefertigt werden. Beispiele finden sich in den Deckenelementen auf den Gängen der aktuellen AIDA-Kreuzfahrtschiffe. Die Biegung von Platten mit zwei Deckblechen ist ebenfalls möglich, mit optisch ansprechender Oberfläche jedoch nur für größere Radien empfehlenswert. Interessantes Potenzial bietet die Aluminium- Sandwichplatte auch bei der Kantung auf einer Kantbank, ähnlich wie bei Blechen. Zwar wird lokal in der Kante die Steifigkeit durch Kollabieren des Kerns reduziert, sie ist jedoch immer noch wesentlich steifer und belastbarer als ein gekantetes Blech gleichen Gewichts. Über 14.000 Sitzstrukturen für die Londoner U-Bahn wurden auf diese Weise hergestellt. Die Platte erfüllt hier die hohen Anforderungen an Brandverhalten und Schutz gegen Vandalismus. A N W E N D U N G E N I M S C H I E N E N F A H R Z E U G B A U Durch ihre hohe Steifigkeit und das geringe Eigengewicht eignet sich die Sandwichplatte für Wand- und Deckenanwendungen im Schiffsausbau und im Schienenfahrzeugbau. Die Möglichkeiten der nicht sichtbaren Befestigung (zum Beispiel durch verdeckte Niete) und verschiedene Varianten der Kantengestaltung lassen viel Freiraum zur kreativen Gestaltung. Die hohe Steifigkeit und Tragfähigkeit der Metawell-Platten ermöglicht eine deutliche Reduzierung der Befestigungspunkte. Einbaufertige Flachdecken im Siemens Hochgeschwindigkeitszug Velaro Russland, gebogene Decken aus Aluflex im japanischen Shinkansen-Express oder Bauteile mit für den Fahrgast sichtbarer Wellenoptik als Designelement in unterschiedlichen Farben sind nur einige Beispiele für die Verwendung der Sandwichplatte im Reisezugbau. Ihre herausragenden Eigenschaften machen sie auch zum geeigneten Material für Trägersysteme, Tische, Sitzstrukturen, Gepäckablagen und Wartungsklappen. Besondere Kriterien gelten auch für Fußbodenplatten in Fahrzeugen: Sie müssen hohe Flächen- und extrem hohe Punktlasten (verursacht durch Stöckelabsätze, Steinchen oder herabfallende Gegenstände) aufnehmen können und zudem sehr steif sein, um Stützweiten zu reduzieren. Schalldämmung sowie die Festigkeit zur Anbindung von Komponenten (zum Beispiel Haltestangen) sind weitere Notwen- 4/5/2009 lightweightdesign
4 8 W e r k s t o f f e Bild 3 Tragendes Stahlgerippe und Aluminiumaußenhaut der Metro digkeiten. Speziell dafür hat Metawell eine Aluminium-Sandwichplatte entwickelt, die neben der hohen Festigkeit in den Deckblechen auch eine extrem hohe Festigkeit im Kernmaterial aufweist. Weitere äußere Belastungen können auch durch außergewöhnliche klimatische Bedingungen entstehen (zum Beispiel extreme Luftfeuchtigkeit bei hohen Temperaturen bei der Metro New Delhi Indien/ Bombardier Transportation). Selbst hier kann korrosionsgeschütztes Aluminium seine deutlichen Vorteile ausspielen. Außerordentlichen Belastungen sind vor allem die Eingangsbereiche von Fahrzeugen des öffentlichen Nahverkehrs ausgesetzt. Hohe, ständig wechselnde Flächenlasten durch sich durch die Türen drängenden Passagiere und eine extreme Korrosionsbelastung durch das Eintragen von Streusalzen im Winter verdeutlichen die besonderen Anforderungen an die Materialien. Hier hat sich die Sandwichplatte im Einsatz von Behindertenrampen, Wartungsklappen, Schiebetritten oder Liftsystemen ebenfalls bewährt. Da alle Deckbleche der Sandwichplatte sowohl innen und außen wie auch das Kernmaterial mit einem Korrosionsschutz versehen sind, wird das Material auch für Außenanwendungen verwendet. Als Bild 4 Holzform für das Dachelement echte Innovation kann der Einsatz in der Außenhaut der neuen Metro-Züge von Sankt-Petersburg angesehen werden. Erst Mitte Juli wurde in Sankt-Petersburg auf dem Werksgelände von Vagonmash der erste Prototypwagen der vierten Metro-Generation „NeVa“ vorgestellt. Die neuen Metro-Züge wurden von Škoda Transportation s.r.o. (Pilsen/Tschechien) entwickelt. Metros mit Aluminiumhaut sind zur Gewichtsersparnis bereits bekannt und erprobt. Die Weiterentwicklung von massivem Aluminium auf ein leichteres Aluminium-Sandwichelement ist in diesem Umfang allerdings neu. Die gesamte Außenhaut und auch das komplette Dach werden in dieser innovativen Leichtbautechnik ausgeführt. Doch gerade die Kombination zwischen dem tragenden Stahlgerippe und der Aluminiumhaut kann aufgrund der Unterschiede in der elektrochemischen Spannungsreihe besonders bei den starken Motorströmen von Metros Korrosionsprobleme mit sich bringen. Dies ist in der Vergangenheit auch bei Außenhäuten aus Aluminium- Strangpressprofilen aufgetreten, die direkt auf die Stahlunterkonstruktion geschraubt wurden. Um das zu vermeiden, werden die Sandwichplatten mit einer elastischen, isolierenden Dickschichtverklebung auf die Stahl-Unterkonstruktion aufgebracht. Diese elastische Verklebung auf PU-Basis ermöglicht zusätzlich die nahezu stressfreie Ausdehnung der unterschiedlichen Werkstoffe Stahl und Aluminium bei Temperaturwechseln (der Wärmeausdehnungskoeffizient von Metawell entspricht Aluminium), Bild 3. Der Aufbau der ebenen Seitenverkleidungen erfolgt aus einer speziellen Sandwichplatte des Typs Metawell Alu hl 10-03-05 hl / H5.5. Die äußere Deckschicht besteht aus 1,0 mm EN AW 5754 H48, die innenliegende Deckschicht aus 0,5 mm EN AW 5182 H48, bei einer Plattenstärke von insgesamt 5,5 mm. Als Kernmaterial wird ein 0,3 mm starkes Aluminiumblech mit Streckgrenze über 300 N/mm² verwendet, das aufgrund der engen Wellenperiode (zirka 8 mm) eine extrem hohe Druckfestigkeit (>12 N/mm²) der Platte zur Folge hat. Dies ist aufgrund der Gefahr des Vandalismus besonders in der Seitenwand erforderlich. Der Kantenabschluss wird entweder durch Umbördeln des 1,0 mm Deckblechs oder durch Einlegen eines Alu-Flachprofils realisiert. Im Bereich des Dachs werden gebogene Sandwich-Elemente benötigt. Hierzu werden passgenau gefräste Platten des Typs Aluflex hl 05-02 hl / H4.7 verwendet, welche aus nur aus einem 0,5 mm Deckblech und der Welle (aus 0,2 mm Aluminiumblech) besteht. In einer einfachen Holzform, Bild 4, werden dann Aluflex und ein ebenso passgenau bearbeitetes 0,8 mm Aluminium-Deckblech zum fertigen Dachelement verklebt. Das Klebesystem besteht aus einem 2K-PU Klebstoff, der über Temperatureinbringung beschleunigt aushärtet. Das fertige Dachelement hat somit eine 0,8 mm starke Außenschicht, eine 0,5 mm starke Innenschicht und eine Gesamtstärke von ebenfalls 5,5 mm (Gesamtstärke wie die Seitenwände). Das Verbinden der Metawell-Platten mit dem Stahlhauptrahmen durch einen Spezialklebstoff löst das Problem der Kontaktkorrosion. Der Einsatz der Aluminium-Sandwichelemente bewirkt eine deutliche Gewichtsersparnis bei gleichzeitiger Verbesserung der Steifigkeit des Wagenkastens. Der Stahlkasten eines Metro-Wagens (Länge 20 m, Breite 2,7 m) mit der Aluminium-Sandwich-Außenhaut bringt gegenüber der Stahlvariante mit einer Ummantelung eines rost- www.lightweight-design.de
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