LESSMAT - Leichtbausystem für Personenzüge und Kreuzfahrtschiffe durch Steigerung der Materialausnutzung und Effizienz in der Herstellung; Teilvorhaben: Entwicklung eines Entwurfkonzeptes für Personenzüge und Kreuzfahrtschiffe unter Berücksichtigung von automatisierter Fertigung

Abstract

Sowohl bei Schienenfahrzeugen und Kreuzfahrtschiffen ist es notwendig CO2 Minderung durch Leichtbau durchzuführen, allerdings können dafür keine erhöhten Preise am Markt durchgesetzt werden können. Aus diesem Grund ist es notwendig, ein Leichtbausystem zu entwickeln welches sicherstellt, dass einerseits in der Konstruktion Leichtbaumaßnahmen umgesetzt und andererseits gleichzeitig die Herstellkosten reduziert werden. Dies soll zum einen durch Automatisierung Herstellkosten reduzieren und zum anderen durch leichtbautechnisch optimierte Strukturen Materialkosten reduzieren. Im Projekt wurde zum einen die Versteifungsstruktur eines Schienenfahrzeuges untersucht und optimiert, wobei Randbedingungen der Fertigung und Produktion mitberücksichtigt wurden. In einem zweiten Fall wurde die Hotelsektion eines Kreuzfahrtschiffes parametrisch modelliert und in der Partikelschwarmoptimierung die Abmessungen der Steifen, die Plattenstärker der einzelnen Plattenstöße aus einer Art Datenbank ausgewählt und optimiert. Dadurch entsteht eine hohe Anzahl an Parametern und möglichen Werkstoffen. Eine Topologie Optimierung wurde an einem Stützenmodul durchgeführt, welches ein oft wiederkehrendes Element ist. Alle Optimierungen haben gezeigt, dass eine Verbesserung im Sinne der Ziele erreicht werden können, aber auch, dass die Durchführung optimierter Möglichkeiten möglicherweise noch von vorgelagerten Prozessen abhängt. Im Projekt wurde zudem ein Schweißroboter aufgebaut und in Betrieb genommen und mit diesem ein Demonstrator des Stützenmoduls geschweißt. Das Stützenmodul ist wesentlich komplexer als das, was sonst auf Werften automatisiert geschweißt wurde. Es hat sich gezeigt, dass die Automatisierung prinzipiell möglich ist, aber komplexe Geometrien und Schweißnähte verschiedener Anordnung, sowie damit verbundene Robotereinstellungen noch zusätzlicher Entwicklung bedürfen. Datei-Upload durch TIB For both rail vehicles and cruise ships, it is necessary to reduce CO2 emissions through lightweight construction, but it is not possible to achieve higher prices for this on the market. For this reason, it is necessary to develop a lightweight construction system which ensures that, on the one hand, lightweight construction measures are implemented in the design and, on the other hand, manufacturing costs are reduced at the same time. On the one hand, this should reduce manufacturing costs through automation and, on the other hand, reduce material costs through optimised lightweight structures. In the project, the stiffening structure of a rail vehicle was investigated and optimised, taking into account the boundary conditions of manufacturing and production. In a second case, the hotel section of a cruise ship was modelled parametrically and the dimensions of the stiffeners and the plate thicknesses of the individual plate joints were selected from a database and optimised in the particle swarm optimisation. This results in a large number of parameters and possible materials. A cost function for processing the different materials allows a Pareto optimum solution to be found in order to determine a balanced relationship between lightweight construction and the resulting costs. A topology optimisation was carried out on a column module, which is a frequently recurring element. All optimisations have shown that an improvement in terms of the objectives can be achieved, but also that the implementation of optimised options may still depend on upstream processes. In the project, a welding robot was also set up and put into operation and used to weld a demonstrator of the column module. The support module is considerably more complex than what was otherwise welded automatically in shipyards. It has been shown that automation is possible in principle, but that complex geometries and weld seams of different arrangements, as well as the associated robot settings, still require additional development.