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Nullebenenfertigung - Die "Virtuelle Realität" wird im Hause Mack Rides real

Auf dem Arbeitsplatz der Nullebene bei Mack Rides werden die Schienenrohre und Querriegel eingemessen

Beim Achterbahnbau spielt Qualität eine große Rolle, vor allem in der Schienenfertigung. Die Schiene gilt als Herzstück jeder Achterbahn. Von ihrer Auslegung und anschließenden Fertigungsqualität hängt es ab, ob der Zug über die Strecke gleitet oder spürbar unruhig über die Stahlrohre rumpelt. Qualität hat jedoch in der Schienenfertigung nach der herkömmlichen, äußerst handwerklich orientierten Methode ihren Preis: Zeit und Geld. In Zeiten von kostenbewussten Just-in-time-Auslieferungen ein schwieriges Unterfangen.

Eine mögliche Lösung stellt ein grundlegend optimiertes Schienenfertigungsverfahren dar. Das Traditionsunternehmen Mack Rides aus Waldkirch im Schwarzwald hat ein solches Ende 2004 zur Serienreife gebracht. Durch den Einzug des Computers in den eigentlichen Fertigungsprozess entsteht eine parallele virtuelle Realität, welche ein Abbild der Schiene im Rechner vorgibt, die in der Werkhalle praktisch nur noch nachgebaut werden muss. Diese besondere Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine garantiert, dass jede Abweichung vom Soll in der Fertigung sofort sichtbar wird, ohne dass die Fertigungsdaten vom Anwender aufwendig kontrolliert werden müssen. Damit erzielt die Mack'sche Nullebenenfertigung in kürzester Fertigungszeit eine hohe Schienenqualität.

Der Computer beherrscht die Konstruktion

Eine Achterbahnfahrt lebt von ihren Beschleunigungswechseln, ob in vertikaler oder lateraler Richtung. Je extremer die Wechsel, desto genauer ist die Schiene auszulegen. Heute übernehmen ausgeklügelte Rechen-Algorithmen einen Großteil der Konstruktionsarbeit: Am Computer entsteht ein dreidimensionales Abbild der Achterbahn. Mittels Raumkurve und Herzlinie wird die Fahrt konsequent optimiert. Eines ist dabei grundsätzlich zu beachten: Die Beschleunigungswechsel dürfen nicht zu ruckartig auftreten, sonst empfindet der Fahrgast mitunter unangenehme Stöße.

Die Aufgabe, eine dreidimensionale Schienenkurve bis zur Perfektion im Modell zu optimieren, wird von den Achterbahnbauern und externen Konstruktionsbüros heutzutage sehr gut beherrscht. Das Ingenieurbüro Stengel aus München hat es vorgemacht und liefert für Hersteller wie Gerstlauer, Zierer oder Premier Rides genaue Konstruktionsdaten. Andere Hersteller wie Maurer Söhne oder Vekoma Rides Manufacturing setzen auf hauseigene, rechnergestütze Konstruktionstools und stehen dieser Entwicklung in nichts nach.

Doch letztendlich ist die Qualität der Schienenfertigung der entscheidende Schlüssel für die Laufruhe einer Achterbahn. Selbst wenn die Schiene im virtuellen Modell perfektioniert wurde, kann eine geringere Fertigungsqualität die Fahreigenschaften verschlechtern. Jeder Hersteller besitzt in Sachen Schienenfertigung ein eigenes, ständig weiterentwickeltes Know How und lässt sich ungern in die Karten schauen. Die Produktion von stählernen Achterbahnschienen kann letztendlich als eigenes Handwerk angesehen werden. Es gehört ziemlich viel Fingerspitzengefühl dazu, im Fertigungsprozess die Vorgaben des hochpräzisen, virtuellen Computermodells der Schiene abzubilden. Ein zehn Meter langes, dreidimensional gebogenes Schienenrohr besitzt im Computermodell 500 und mehr Stützpunkte im Raum, und die gilt es in der Fertigung umzusetzen - Ein schwieriges Unterfangen, welches viel Erfahrung erfordert.

Wo das Rechenmodell eine Splinekurve mit stetigen Krümmungswechseln und kontinuierlichen Radienwechseln vorgibt, wird das Schienenrohr über seine Länge in diskreten Radien gebogen. Statt eines kontiniuerlichen Radienwechsels erfährt das Rohr auf der Biegemaschine abgestufte Radienübergänge. Wo die Kurve im Modell durch 500 oder mehr Stützpunkte beschrieben wird, wird sie für die Fertigung auf ein anwendbares Mass an Stützkoordinaten zurechtgestutzt. Dieser Prozess ist sich derart vorzustellen, dass eine Kurve, deren Radius sich stetig über die Laufmeter ändert, für die Fertigung in Abschnitte mit konstanten Radien eingeteilt wird. Ändert sich zum Beispiel der Radius von 40 auf 20 Meter, so wird diese Radienänderung auf der Schiene durchaus innerhalb von drei bis fünf Radienabstufungen vorgenommen. Abweichungen von der hochgenauen Splinekurve des Computermodells sind die Folge. Die Erstellung der Fertigungsanweisungen erfordert daher viel Erfahrung, um selbst für Hochgeschwindigkeitsachterbahnen fern der 100 Stundenkilometer "weiche" Kurvenzüge zu gestalten.

Schienenfertigung im Detail

Glatte Schienenübergänge bieten beste Voraussetzungen für ein sanftes Fahrvergnügen

Kaltumformung der Stahlrohre auf der Walzenstation im Werk von Gerstlauer

Die typische Schienenfertigung besteht aus den folgenden Schritten: Dem Biegen der Lauf- und Trägerrohre folgt ihre relative Ausrichtung zueinander sowie die Anbringung der Querriegel auf überdimensionalen, speziell für jede Schiene neu eingerichteten Lehrensystemen. Anschließend werden die Schienensegmente abgeschweißt. Im vorletzten Schritt wird die Stossanpassung vorgenommen: Damit die Schienen vom Werk zur Baustelle transportiert werden können, müssen Container- oder LKW-Masse eingehalten werden. Je nach Krümmung der Segmente sind Längen von sieben bis zwölf Meter die Regel. Die Schienensegmente werden im Werk mit einem Stoß ausgestattet, so dass Sie auf der Baustelle miteiander an dieser Fügestelle verschraubt werden können. Vor der Auslieferung wird die Oberfläche der Schienen gesandstrahlt, grundiert und lackiert. Neben der für den Kunden individuellen Farbgebung, mit der sich jede Achterbahnschiene auszeichnet, dient die Farbe vorwiegend als Korrosionsschutz.

Im Detail gestaltet sich der Fertigungsvorgang wie folgt: Zuerst werden die Schienenrohre durch hohe Druckkräfte plastisch umgeformt. Das gerade, maximal 14 Meter lange nahtlose Rohr erhält in mehreren Umformschritten seine spätere, dreidimensionale Kurvenform, die dem Computermodell nahekommt. Je nach Schienentyp - ob Zwei, Drei- oder Viergurtschiene - werden die gebogenen Rohre im zweiten Arbeitsschritt mittels Querriegeln miteinander verbunden. Dabei werden die Rohre auf ein provisorisches, für jede Schiene jeweils neu einzurichtendes bzw. anzufertigendes Gestell angepasst. Die Rohre werden solange gedreht, gewendet und ausgerichtet, bis die vorgegebene Schienengeometrie auf der Fertigungszeichnung erreicht ist und die Spurtreue eingehalten wird.

Jeder Schienenübergang wird wie hier bei Disneys Expedition Everest im Animal Kingdom aufwendig geschliffen

Schienenstoß visualisiert am typischen Zweigurt

Anschließend werden die Querriegel geheftet. Dieser Vorgang wird mit den gleichen Werkzeugen durchgeführt wie das anschließende Schweißen, jedoch wird die Schienenkonstruktion vorläufig nur durch kleine Schweißpunkte zusammengehalten. Die Belastungen eines Zug hält eine derart geheftete Schiene nicht aus, doch kann das tonnenschwere Konstrukt mittels eines Kranes von der Lehre gehoben und an einem anderen Ort abgeschweißt werden.

Dazu werden die Fügebereiche der Bauteile über ihre Schmelztemperatur erhitzt. Gleichzeitig wird ein Schweißzusatzwerkstoff in Form eines Drahtes geschmolzen und fließt in die Verbindungsfuge. Nach dem Erstarrungsvorgang ergibt sich die Schweißnaht, welche sich vom Grundwerkstoff der Stahlrohre praktisch nicht unterscheidet und nahezu die gleichen Belastungen aushält wie der Stahl der Schiene.

Im letzten Schritt erfolgt die Stoßanpassung. Die fertig geschweißten Schienenelemente sind länger als ihre endgültig geforderte Geometrie. Sie werden zueinander angepasst, so dass in der Stoßebene ein sauberer Übergang von einem zum anderen Fahrrohr gewährleistet ist. Anschließend werden an den beiden Aussenseiten die beiden letzten Querriegel eingeschweisst, welche den Stoß bilden. Am Aufbauort werden die Schienensegmente an diesen Passstellen mit hochfesten Schrauben miteinander verbunden.

Während des Fertigungsprozesses wird ständig die Spur der Schiene geprüft. Dabei ist viel Know How gefragt, denn während des Schweißprozesses bewirkt die hohe Wärmeeinbringung, dass sich die Rohre beim Abkühlen verziehen. Schon Abweichungen von wenigen Millimeter können bei hohen G-Lasten zu spürbaren Rüttlern des Zuges führen.

Im Freien werden die Schienen auf Gerüsten montiert um u.a. die Schienenstöße zu kontrollieren

Daher setzen qualitätsbewusste Fertiger die Schienen von komplexen Fahrfiguren wie Loopings oder engen Steilkurven auf dem Werksgelände provisorisch zusammen oder schieben das später verwendete Fahrzeug sogar über die Schiene. Zwischen den Schienenrohren muss ein glatter Übergang herrschen, jede Unstetigkeit in Form eines Knicks ist unerwünscht. Wurde beim Heften ungenau gearbeitet, so fällt dies beim testweisen Zusammensetzen auf und ist korrigierbar. Nach finaler Schweißung ist eine Korrektur nicht mehr möglich. Entweder muss der unsaubere Stoß hingenommen werden oder die Schiene ist Ausschuss und landet beim Altmetall.

Jedoch ist diese Art der Qualitätssicherung sehr aufwändig und bedarf eines enormen Aufwandes. Die über zehn Meter langen, tonnenschweren Schienensegmente, die am späteren Einsatzort in 30 oder mehr Meter Höhe angebracht sind, können nicht einfach per Hand zusammengefügt werden. Dazu wird schweres Krangerät, aufwendige Gestelle, sowie viel Zeit und Muskelkraft benötigt. Entsprechend verzichten einige Hersteller auf derart aufwändige Prüfmethoden und können damit ihre Bahnen weitaus günstiger am Markt anbieten.

Letztendlich kann die Schienenqualität unter den Kosteneinsparungen leiden. Bei Schienenpreisen von etwa 20.000 Euro für zehn Meter Strecke will jedes Einsparpotential wohlkalkuliert sein. Allein die Schiene einer 1000 Meter langen Achterbahn schlägt mit rund zwei Millionen Euro zu Buche - Stützen und der Aufwand für die computerunterstützte Auslegung nicht inbegriffen.

Fallen potentielle, unsaubere Stöße erst auf der Baustelle auf, kann in Zeiten von just-in-time-gelieferten Achterbahnteilen nur noch der Einbau erfolgen und anschließend versucht werden, beim finalen Schleifen der Schienenstöße den Fehler auszugleichen. Trotzdem ist diese Flicklösung dem Fahrkomfort nicht förderlich und die Fahrgäste werden mitunter unsanft in Sitz und Bügel gedrückt.

Die Idee hinter der Nullebenenfertigung im Hause Mack Rides

Bei Mack Rides in Waldkirch wurde die neue Schienenfertigungsmethode entwickelt

Die detaillierte Darstellung der einzelnen Herstellungssschritte einer Achterbahnschiene lassen erkennen, dass eine hohe, durchgehende Qualität bei der herkömmlichen Fertigungsmethode nur durch aufwändige Kontrollmaßnahmen zu erreichen ist, die sehr viel Zeit und Kosten in Anspruch nehmen. Die Firma Mack Rides hat sich dieses Problems angenommen und setzt auf eine Rechnerunterstützung innerhalb der Geometrieherstellung der Schiene. So wie der Computer bei der Auslegung der Schiene nicht mehr wegzudenken ist, so kann er auch bei der Schienenfertigung simultan zu den Fertigungsschritten die Geometrie der Schiene überprüfen und damit für lupenreine Übergänge und exakte Spurtreue sorgen. Das Ergebnis trägt den Namen Nullebenenfertigung.

Entwickler des Fertigungsverfahrens ist der Mack Rides Produktionsleiter Thomas Kern, mit seinem Projektteam, welches sich aus den Personen Burger, Köbele, Sornik und Hug zusammensetzt. Thomas Kern hat im Jahre 2002 seine Arbeit beim traditionsreichen Familienbetrieb aufgenommen. Der in der Serienfertigung groß gewordene Ingenieur hatte in vielen Bereichen eine rein handwerklich ausgerichtete Firma vorgefunden - So auch im Bereich der Schienenfertigung.

Schienenqualitätskontrolle nach der herkömmlichen Methode für eine neue Wasserachterbahn von Mack Rides

"Wenn ich aus meinem Büro auf die große Freifläche geschaut habe, wo die Arbeiter bei Wind und Wetter auf riesigen Gerüsten die gehefteten Schienen provisorisch aneinandersetzten, und das vornehmlich noch im Winter für die Auslieferung im Frühjahr, baute sich vor meinem geistigen Auge eine Vision auf, die derart aufwändige Kontrollarbeiten nicht mehr benötigt", sagt Thomas Kern heute. "Jedes Problem ist eine Aufgabe, und die galt es zu lösen".

Neben den zeitraubenden Arbeiten im Freien auf Gerüsten von bis zu 20 Metern Höhe sah Thomas Kern bei dem herkömmlichen Schienenfertigungsverfahren die Nachteile in den hohen Rüstkosten des Arbeitsplatzes, langen Durchlaufzeiten und einer schwierigen Qualitätssicherung.

Vor allem der Zeitaufwand, um die gehefteten Schienen auf ihre Passgenauigkeit untereinander und zu den Stützen zu kontrollieren, erschien ihm eindeutig zu hoch. Ein 350 Meter langer Schienenparcours eines Powered Coaster benötigte intern rund fünf Monate, bis die Schiene auslieferungsfähig war. In Zeiten, in denen die Bahnen für die nächste Saison noch im Oktober oder selbst November des Vorjahres bestellt werden, eine schwierige Ausgangssituation für den mittelständischen Fertigungsbetrieb in Waldkirch. Während im Sommer die Produktion lahmt, ist im Herbst und Winter die Kapazität vollends ausgereizt. Im Hause Mack Rides wird im Vergleich zu anderen Achterbahnbauern noch alles am eigenen Standort hergestellt - auf die Vergabe der Schienenfertigung an externe Firmen wird nur ungern ausgewichen, allein den eigenen hohen Qualitätsansprüchen wegen.

Aufwendig entsteht auf dem Aussengelände von Mack Rides in Waldkirch eine neue Wasserachterbahn für Spanien nach der herkömmlichen Methode

Eine Fertigungsmethode, welche die Durchlaufzeit der Schiene drastisch verkürzt, den Arbeitsaufwand gering hält und gleichzeitig die eine durchgehend hohe Qualität liefert, war ein weitgestecktes Ziel, letztendlich eine wahre Herausforderung: "Das Unmögliche hat seinen besonderen Reiz", sagt Thomas Kern, als er an die ersten Tage und Wochen der Ideenfindung für das neue hauseigene Schienenfertigungssystem zurückdenkt. "Wenn wir dann noch die Kosten pro Schienenmeter gering halten können, hat dies sogar einen Mehrwert für den Kunden." Doch was verbirgt sich hinter dem Begriff der Nullebenenfertigung? Coastersandmore konnte exklusiv einen Blick auf das rechnerunterstütze Fertigungssystem werfen.

Nullebenenfertigung schwarz auf weiss

Das Geheimnis der Nullebene wird gelüftet...

Die "Nullebene" bildet den Mittelpunkt des Mack'schen Fertigungsverfahrens. Sie lässt sich auf jedem Fertigungsplatz eingelassen im Hallenboden finden. Dort befinden sich mehrere Stahlplanken, welche in ihrer Gesamtheit die Fertigungsebene bilden. Auf der Nullebene sind bis zu fünf sogenannte Lineale angebracht, die mittels Schnellspannern beliebig in Höhe und Winkellage in drei Achsrichtungen verstellt werden können. Die Lineale sind gleichzeitig die temporären Halterungen für die Schienenrohre. Mittels eines einfach handhabbaren Stecksystems sind sie beliebig auf der Nullebene positionierbar. Zusätzlich findet sich etwas abseits ein großes Stativ mit einem Laser Tracker System, welches als Sprachrohr zwischen dem Fertigungsplatz auf der Nullebene in der Halle und seinem virtuellen Abbild im Computer fungiert.

Der Laser Tracker fokussiert ständig eine reflektierende Stahlkugel, die im Raum von einem Mitarbeiter bewegt wird. Die genaue Position von Bauteilen über der Nullebene ist somit sehr einfach mit einer Genauigkeit von wenigen Hunderstel Millimetern vom Rechnersystem erfassbar und kann direkt in der virtuellen Realität auf dem Computermonitor angezeigt werden.

Die Mack'sche Nullebenenfertigung macht aus der komplexen Schienenfertigung ein überschaubares und simples Baukastensystem. Das zu fertigende Schienenelement wird aus dem globalen Koordinatensystem des virtuellen Tracks genommen und vom Rechner auf dem lokalen Koordinatensystem der Nullebene im virtuellen Raum optimal für die Fertigung platziert. Ein identisches, reales Abbild der Nullebene findet der Arbeiter auf dem Hallenboden wieder. Somit gibt der Rechner eine "dreidimensionale Schablone" vor, die oberhalb der realen Nullebene in der Werkhalle vom Bediener einzuhalten ist. Die Arbeitsweise verbindet Fertigung und Qualitätssicherung in einem. Maßwerkzeuge oder aufwändige, für jede Schiene anzupassende Lehrenschablonen werden nicht benötigt.

Mensch und Computer vereint am Arbeitsplatz der Nullebenenfertigung - im Hintergrund der Laser Tracker

Die Prozedur der Schienenfertigung im Hause Mack Rides gestaltet sich äußerst einfach. Die nach den Biegedaten gebogenen Schienenrohre werden auf den Linealen eingepasst. Mittels Schnellverschlüssen werden die Rohre festgeklemmt. Die genaue Lage der Lineale und der Rohre im Raum über der Nullebene wird vom virtuellen Soll-3D-Modell der Schiene vorgegeben. Egal in welchem Winkel und Höhe die Schiene später in der Achterbahn verschraubt wird, die Fertigungsposition der Schiene liegt in einem Meter über dem Hallenboden. Die Einpassung geschieht simultan zur Messung von wenigen Punkten auf den Schienenrohren durch das Laser Tracker System. Dazu wird die Kugel einfach auf den Messpunkten platziert und automatisch vom Laser erfasst. Jeder Messpunkt ist sekundenschnell im Raum über der Nullebene ermittelt und der Mack Rides Arbeiter erhält direkt Rückmeldung, ob das real positionierte Schienenrohr mit der virtuellen Vorgabe aus dem Computer übereinstimmt. Jede Abweichung wird sofort vom Rechnersystem festgestellt und kann direkt korrigiert werden.

Als besonderen Clou speichert das System für jede Schiene den anschließend gefertigten Ist-Zustand bei Heftung der Bauteile. Dadurch, dass die gefertigte Geometrie jedes Schienensegmentes dem System bekannt ist, liegt für die sich in Fahrtrichtung anschließende Schiene ein virtueller Schienenstoß im Rechner vor, den der Arbeiter nur noch einzuhalten hat. Das Setzen jedes Schienenstoßes erfolgt praktisch in der virtuellen Realität, da keine Schienen mehr im Werk aneinander gepasst werden müssen. Selbst potentielle Abweichungen der real gefertigten Schiene von der Vorgabe können somit wieder ausgeglichen werden. Nach erfolgter Ausrichtung und Einpassung auf den Linealen werden die Querriegel, Rohre und Stützenköpfe geheftet.

Links: Fertige Powered Coaster Schiene für Drievliet - rechts: Die Anlage in Betrieb

Die Geschwindigkeit der Nullebenenfertigung ist enorm: In kürzester Zeit können die Lineale für jede beliebige Schienenform eingestellt und die Schienengeometrie mit abschließender Heftung vorgenommen werden. Die gleichzeitige virtuelle Realität des Computermodells interagiert mit der realen Welt in der Werkhalle automatisch mittels des Laser Trackers. Es folgt ein derart hochgenaues Abbild der virtuellen Schiene aus dem Rechner, dass nach dem anschließenden Schweißen die Schienestöße um Hunderstel Millimeter genau aneinanderpassen. Selbst der Schweißverzug der Schiene durch die hohe Wärmeeinbringung beim anschliessenden Schweißen wird vom System einkalkuliert. Stück für Stück entsteht mit jeder gefertigten Schiene ein Abbild der Bahn im Rechner, ohne dass die Schienenelemente jemals im Werk abschnittsweise zur Kontrolle zusammengesetzt werden.

Die Maß- und Passgenauigkeit der Schienen untereinandern und zu ihren Stützenanschlüsslen wird nur noch mittels des virtuellen Fertigungsabbildes kontrolliert. Zusammengeschraubt werden die Schienen erst auf der Baustelle im Park und trotzdem weiß die Mack Rides Crew schon bei der Fertigung, dass die Schienen haargenau aneinander und auf die Fundamente passen. Was vorher durch den Zusammenbau auf dem Werksgelände von den Mitarbeitern bei Wind und Wetter aufwändig angepasst wurde, absolviert der Computer simultan zur eigentlichen Platzierung der Rohre und Querriegel auf den Linealen. Die Qualitätssichung läuft von selbst in der virtuellen Realität ab, ohne dass ein Mitarbeiter anschließend zu aufwändigen Messverfahren greifen müsste. Eine revolutionäre Idee, die neben ihrer hohen Qualität der Schiene und Stöße Kosten spart, dem Arbeiter einen komfortablen Arbeitsplatz zur Verfügung stellt und die Fertigung der Schiene um nahezu den Faktor 2 verkürzt: Waren es früher noch fast fünf Monate, die man im Werk für 350 Meter Schiene benötigte, sind es nun keine zehn Wochen mehr.

"Zu Beginn waren die Mitarbeiter in der Fertigung sehr skeptisch", sagt Thomas Kern, "doch als die ersten Schienen provisorisch am Kran hingen und miteinander verbunden wurden, waren sie von der hohen Passgenauigkeit des Stoßes beeindruckt. Nun sind alle von der Nullebenenfertigung regelrecht infiziert." Das Ergebnis konnte zum ersten Male beim Powered Coaster im niederländischen Drievliet bestaunt werden kann. "Beim Aufbau hat sich gezeigt, dass beim Dynamite Express wirklich alle Schienen perfekt zusammenpassen. Und durch die Nullebene konnten die beiden Umschwünge deutlich rasanter ausfallen als bisher. Dabei sind die Laufruhe und der Fahrkomfort noch einmal spürbar besser geworden", ergänzt Kern.

Text: Coastersandmore - jp, Bilder: Coastersandmore, Gerstlauer (1), goldorange (3), Mack Rides (5)