Umbau von Gleiskreuzungen mit additiver Fertigung

Eines der wichtigsten Bauteile von Eisenbahnnetzen, ob Hochgeschwindigkeits- oder Stadtbahn, ist der Bahnübergang. In der Mitte der Weichen und Kreuzungen befindet sich das Herzstück, das die Durchgängigkeit der Kreuzungsstrecken gewährleisten soll. Aufgrund seiner Funktion ist dieser Teil des Gleises erheblichen Belastungen wie hohen Lasten/Druck und Schlagbeanspruchung ausgesetzt, was zu Verschleiß und Verformung der Schiene führt.

Sobald Verschleiß an den Schienen auftritt, können diese Bauteile vor Ort nach einem sehr präzisen Schweißverfahren repariert werden. Das Hauptziel besteht darin, die gewünschte Geometrie durch Lichtbogenschweißen dank einer Materialabscheidung wiederherzustellen und die Schiene anschließend durch Schleifen wieder in ihr ursprüngliches Profil zu bringen, bevor sie wieder in Betrieb genommen wird.

Im Allgemeinen werden zusätzliche Reparaturen durch Lichtbogenschweißen vom Netzbetreiber nicht mehr genehmigt, wenn der Bahnübergang bereits mehrfach vor Ort repariert wurde, da die Gefahr besteht, dass sich die ursprünglichen mechanischen Eigenschaften des Bahnübergangs zu stark verschlechtert haben (aufgrund der verschiedenen thermischen Wechselbeanspruchungen während der Schweißarbeiten). Die verschlissene Kreuzung wird dann entsorgt (zur Wiederverwertung) und durch eine neue ersetzt.

Mit der additiven Fertigung können wir den Lebenszyklus dieser Gleiskreuzungen neu überdenken

Der 3D-Druck von Metallen wird in der Industrie bereits seit mehreren Jahrzehnten mit verschiedenen Verfahren (Lichtbogen, Laserschweißen usw.) erfolgreich eingesetzt. Diese Fertigungstechnologien ermöglichen die Herstellung von Teilen mit sehr oft komplexen Geometrien durch Hinzufügen von Material und Überlappung der erforderlichen Anzahl von Schichten.

Diese neue Art der Konstruktion und Fertigung eröffnet neue Möglichkeiten und bringt erhebliche Vorteile in Bezug auf die Produktionszeit, aber auch die Kosten.

Das in diesem Artikel verwendete Verfahren basiert auf dem Laserschweißen mit Metallpulverfülldraht als Zusatzwerkstoff. Dieses Verfahren, das auch unter den Abkürzungen WLAM (Wire Laser Additive Manufacturing) oder Ded-Clad-w (Wire Directed Energy Deposition) bekannt ist, besteht aus dem Schmelzen mit einem auf einen Metalldraht fokussierten Laserstrahl, um eine hochchromhaltige Legierung zu bilden, deren Abmessungen vollständig kontrolliert werden.

Diese sehr produktive Technik wird für die Herstellung großer Teile (mehrere Meter) eingesetzt. Die Verwendung eines Fülldrahts ermöglicht eine Produktivitätssteigerung dank einer höheren Abschmelzleistung des Schweißguts (der Fülldraht schmilzt schneller als ein ganzer Abschnitt aus Massivdraht). Es ist auch möglich, die Chemie des Schweißguts anzupassen und einzustellen, indem man die chemische Zusammensetzung des Drahtes verändert (und dabei innerhalb vernünftiger Produktionslosgrößen bleibt).

1. Wiederaufbau – eine umweltfreundliche Alternative

Der Wiederaufbau durch die additive Fertigung von WLAM verlängert den Lebenszyklus der Kreuzung. Anstatt in einem Stahlwerk recycelt zu werden, kann die Kreuzung in einer spezialisierten Werkstatt komplett überholt werden.

Der erste Schritt besteht darin, den Teil der Kreuzung zu entfernen, der vom Verschleiß betroffen ist, wobei sichergestellt wird, dass nur das ursprüngliche, gesunde” und nicht betroffene Material übrig bleibt.

Nach Überprüfung der Qualität des Grundmetalls des verbleibenden Materials wird eine 3D-Erfassung mit einem mobilen Schweißsystem durchgeführt. Dies ermöglicht eine Simulation des additiven Fertigungsverfahrens mit Laserschweißen, um die ursprüngliche Form der Kreuzung zu rekonstruieren. Anschließend muss nur noch das geeignete Schweißverfahren (Parameter, thermische Wechselbeanspruchung usw.) angewendet werden, um die erforderlichen Schichten in optimaler Qualität entsprechend der gewünschten Geometrie übereinander zu legen.

2. Der neue Entwurf – eine technisch-wirtschaftliche Alternative

Bisher sind Gleiskreuzungen gegossene Teile mit einer chemischen Zusammensetzung, die je nach Netz und Bedarf variiert. Durch Aufbringen der erforderlichen Schichten auf einen Grundträger (z. B. C-Mn-Stahl der Gruppe 1) wird die additive Fertigung es ermöglichen, große Kreuzungen mit variabler Geometrie in der vom Kunden gewählten Legierung herzustellen:

• Niedrig- und mittellegierte Stähle mit hoher Härte (350-600HB);
• hochlegierter Stahl, der auf erhebliche Beanspruchung/Verschleiß reagiert;
• austenitischer Cr-Mn- oder Cr-Ni-Mn-Stahl mit Kaltverfestigungseigenschaften;
• Stapelung von Schichten mit mehreren Legierungen, um möglichst genau auf Belastungen zu reagieren.

Der Einsatz des Ded-Clad-Laserdrahtverfahrens in der additiven Fertigung bietet mehrere Vorteile:

• Senkung der Produktionskosten;
• Anpassung der Bauteile;
• Verbesserung der Gesamtleistung.

Irepa Laser(1) und Welding Alloys France(2) haben ihre Kenntnisse und Fähigkeiten im Laserschweißen und in der additiven Fertigung kombiniert, um eine Demonstration zu produzieren.

Einige wichtige Informationen:

Der verwendete Bahnübergang war Schrott und konnte recycelt werden.

→ Grundwerkstoff = 400 HB

→ Abmessungen der Teile: 1.870 x 800 x 370 mm (370 kg)

→ Welding Alloys Fülldraht = Kaltverfestigung HARDFACE AP-G

→ Vorbereitung = Lichtbogenschweißen und Schleifen

→ Erstellung eines 3D-Modells mit einem Weißlicht-3D-Scanner = 30 Minuten

→ Offline-Programmierung (Definition des Konzepts, der Parameter und der Post-Processing-Simulation) = 1 Stunde 30 Minuten

→ Rekonstruktionszeit durch Ded-Clad-Laserschweißen = 11 Stunden

→ Menge des verwendeten Fülldrahtes = 13 kg

(1) Irepa Laserschweißen ist ein genossenschaftliches, gemeinschaftsorientiertes Unternehmen (SCIC), das auf Laserverfahren und -materialien spezialisiert ist. Es bietet seinen Kunden maßgeschneiderte Lösungen für die Industrie, um sie bei ihren Produktentwicklungs- und Industrialisierungsprojekten zu unterstützen. Es agiert auf nationaler Ebene mit einem europäischen Schwerpunkt. Die Art ihrer Aktivitäten und ihr Fußabdruck stehen im Mittelpunkt gesellschaftlicher Fragen, die den Menschen, die Umwelt oder die Ethik betreffen. Angesichts dieser Herausforderungen streben Irepa Laserschweißen und seine Partner danach, führend bei innovativen und verantwortungsvollen Fertigungsprozessen mit Hilfe von Lasern zu werden.

(2) Welding Alloys France SAS ist eine Tochtergesellschaft der Welding Alloys Gruppe, einer Familiengruppe, die in mehr als zwanzig Ländern auf allen Kontinenten vertreten ist. Ihr Ziel ist es, die Haltbarkeit der industriellen Ausrüstungen ihrer Kunden zu verbessern. Ihre Kompetenz: Beschichtung durch Verschweißen von verschleißfesten Materialien. Zu diesem Zweck entwickelt und produziert das Unternehmen eigene Schweißdrähte und Schweißautomaten, bietet aber auch, dank spezialisierter Schweißerteams, die Reparatur von Anlagen/Teilen seiner Kunden vor Ort oder in seinen Werkstätten an.