Das Leichtbau-Gerätecontainersystem (LGS)
Durch die Integration der Beplankung in die Tragstruktur können Gerätecontainer von Schienen- und Nutzfahrzeugen dank der Hybrid-Schubfeldbauweise um teilweise über 20% leichter gemacht werden.

Funktionsintegration als Leichtbauansatz
Schienenfahrzeuge und einige Nutzfahrzeuge besitzen auf dem Dach und im Unterflurbereich diverse Gerätecontainer, welche unterschiedlichste Baugruppen (Klimatisierung, Elektrik, Pneumatik, etc.) enthalten. Herkömmliche Gerätecontainer werden in der Differenzial-Rahmenbauweise hergestellt. Das bedeutet, dass ein, meist geschweißter, biegesteifer Rohrrahmen alle einwirkenden Kräfte (Beschleunigungs- und Verzögerungslasten, sowie Crashlasten) aufnimmt und über die Anbindungspunkte an das Fahrzeug weiterleitet. Eine Folge dessen ist, dass die Beplankung des Containers vor allem für Gewicht sorgt. Aufgrund der Anforderungen an Staub- und Wasserdichtheit, sowie Schutz vor Zugänglichkeit ist es nicht möglich, die Blech-Beplankung zu entfernen oder durch leichtere Textile zu ersetzen.
In dem Verbundprojekt LGS – modulares Leichtbau-Gerätecontainer-System hat die TGM Lightweight Solutions GmbH mit der Hybrid-Schubfeldbauweise eine alternative Bauweise gefunden, mit der es möglich ist, die Beplankung für die Aufnahme der Kräfte zu integrieren. Dies ermöglicht ein Downsizen des Rahmens, was eine Gewichtsreduktion von bis zu 20% ermöglicht.
Schubfeldbauweise aus Flugzeugbau für Containersystem
Um die Beplankung in die Tragstruktur zu integrieren, wird auf die Schubfelsbauweise gesetzt, welche aus dem Flugzeugbau bekannt ist. Bildlich gesprochen kann man sich ein Schubfeld wie die Substitution der Diagonalstäbe eines Fachwerks durch Bleche vorstellen. Dabei kommt in Hauptbelastungsrichtung ein biegeweicher Rahmen zum Einsatz, welcher mit Schubfeldern ausgefacht wird. Im Rahmen wirken somit hauptsächlich Längskräfte anstatt Biegemomente.
Eine derartige Konstruktion hat den Vorteil, dass das Schubfeld auf Beulsteifigkeit beansprucht wird, die um ein Mehrfaches höher ist als die Biegesteifigkeit eines konventionellen Rahmens. Dieser kann somit deutlich schlanker ausgeführt werden.
Topologieoptimierte Knoten, Laserschweißen und Modularität für maximale Effizienz
Voraussetzung für die Lastübertragung durch Schubfelder ist ein Rahmen aus meist rechtwinklig angeordneten, aber drehbar gelagerten Stäben, so dass lediglich die Normalkräfte übertragen werden.
Die von TGM topologieoptimierten Eckverbinder erfüllen diese Voraussetzung, ohne eine tatsächliche Drehbarkeit bereitstellen zu müssen. Dies geschieht durch die Herausbildung von Steifigkeitskorridoren während der Topologieoptimierung. Das iterative Abtragen von Material während der Optimierung ermöglicht einen optimalen Kompromiss zwischen Biegefähigkeit in Hauptlastrichtung und Steifigkeit orthogonal dazu.
Generative Fertigungsverfahren wie das selektive Laserschmelzen ermöglichen eine Fertigung der Eckverbinder, ohne Leichtbaupotenzial durch Fertigungsrestriktionen zu verlieren. Alternativ wurden Knotenstrukturen in konventioneller Bauweise entwickelt, die bei geringeren Kosten einen immer noch hohen Leichtbaugrad ermöglichen.
Als Fügeverfahren wird auf Laserschweißen gesetzt. Die allgemeingültigen Vorteile des Laserschweißens kommen auch bei dieser Konstruktion zu tragen. So stellt die kontinuierliche, qualitativ hochwertige Schweißnaht die Dichtheit des Containers und eine gleichmäßige Kraftein- und weiterleitung sicher. Der im Vergleich zu anderen Schweißverfahren geringere, konzentrierte Energieeintrag in die Bauteile ermöglicht den Einsatz von dünneren Blechstärken. Auch hier wird mit dem Nietverfahren eine Alternative angeboten.
Ein weiterer Gewichtsvorteil ergibt sich durch die modulare Auslegung des Gerätecontainers. Die betrifft zum einen den einzelnen Container, welcher ohne großen Aufwand auf verschiedenste Größen und Beladungsgewichte ausgelegt werden kann. Zum anderen lassen sich ein einem globalen Ansatz mehrere Container zusammenfassen, wodurch doppelte Strukturen entfallen und das Gewichtspotenzial auf über 20% ansteigt.
Patentierter Gerätecontainer bietet große Kosten- und Energieeinsparungen
Das Leichtbau-Gerätecontainer-System ist dank seiner innovativen Bauweise patentiert. Für Kunden, welche auf diesen Leichtbau-Container setzen, ergeben sich über die Laufzeit des Schienenfahrzeugs große Energie- und somit Kosteneinsparungen. So beziffert das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt die Reduzierung des Energiebedarfs bei einer Gewichtseinsparung von einer Tonne mit bis zu 22,0 kWh/100km.
Die größten Einsparungen können dabei im suburbanen und im regionalen Bereich erzielt werden. Da meist mehrere Gerätecontainer pro Fahrzeug eingesetzt werden, multipliziert sich dieser Effekt und der ökologische Fußabdruck wird weiter verringert.