OST-Studenten entwickeln Lösungen für Raumfahrt und Schienenverkehr

Raumfahrt und Schienenverkehr gehören zu jenen Branchen, in denen technische Innovationen besonders hohe Anforderungen erfüllen müssen. Bauteile sind empfindlich, Sicherheitsstandards hoch, Produktionsprozesse komplex und die wirtschaftlichen Erwartungen gross. Genau an dieser Schnittstelle haben 62 Studenten des Bachelorstudiengangs Maschinentechnik | Innovation der OST – Ostschweizer Fachhochschule während zweier Semester gearbeitet. In zwölf Teams entwickelten sie gemeinsam mit den Industriepartnern Beyond Gravity und Stadler neue Lösungsansätze für reale Herausforderungen aus der Raumfahrt- und Bahnindustrie.

Am 29. Mai präsentierten die Studenten ihre Prototypen in Rapperswil-Jona der Öffentlichkeit. Im Zentrum standen zwei sehr unterschiedliche, aber gleichermassen anspruchsvolle Aufgaben: Für Beyond Gravity ging es um die Automatisierung eines Produktionsschritts bei der Herstellung von Raketenspitzen. Für Stadler entwickelten die Teams Konzepte, mit denen sich Verschleiss, Lärm und Unterhaltskosten im Schienenverkehr reduzieren lassen.

Wenn Züge enge Kurven befahren, wirken enorme Kräfte auf Gleise, Räder und Fahrwerk. Häufig ist dies als typisches Kreischen oder Quietschen zu hören. Dahinter steckt nicht nur ein akustisches Ärgernis für Fahrgäste, Anwohner und Bahnhöfe, sondern auch ein technisches und wirtschaftliches Problem: Der Verschleiss an Schienen und Rädern verursacht erheblichen Wartungsaufwand und entsprechende Kosten. Die OST-Studenten arbeiteten deshalb für Stadler an Systemen, mit denen sich die Räder eines Zuges während der Kurvenfahrt aktiver an den Streckenverlauf anpassen lassen.

Die zweite Aufgabenstellung führte in die Raumfahrt. Beyond Gravity suchte nach innovativen Lösungen, um empfindliche Aluminium-Wabenplatten automatisiert zu greifen, zu transportieren und in den Produktionsprozess einzubinden. Diese leichten Bauteile werden in modernen Raketenverkleidungen eingesetzt, etwa in jenem Teil der Rakete, in dem Satelliten zur Wettervorhersage in die Erdumlaufbahn gebracht werden. Weil die Materialien sehr sensibel sind, erfolgt ihre Handhabung heute vielerorts noch zeit- und personalintensiv.

Wie praxisnah die entwickelten Lösungen sind, zeigte sich an den Reaktionen der Industriepartner. «Verschleiss bei Schienenfahrzeugen ist so alt wie die Bahnfahrt selbst. Was wir heute gesehen haben, sind kreative und teils unerwartete Lösungen, an die unsere eigenen Spezialisten mit ihren Detailkenntnissen zu den hohen gesetzlichen und normierten Anforderungen im Schienenverkehr vielleicht gar nicht denken würden», sagt Christoph Leiterer, Leiter Engineering Tailor Made bei Stadler. Eine pfannenfertige Lösung für das Verschleissproblem sei zwar nicht entwickelt worden, dies sei aber auch nicht das Ziel gewesen. «Die Studenten haben uns mit vielen Ideen und Lösungsansätzen begeistert, die unsere Spezialisten jetzt teilweise oder miteinander kombiniert bei der Entwicklung künftiger Schienenfahrzeuge weiterverfolgen können.»

Gleichzeitig hätten die Studenten einen realistischen Einblick in mögliche Berufsfelder im Bahnbereich erhalten. Es sei deshalb durchaus denkbar, dass einige von ihnen nach dem Studium den Weg in die Schienenfahrzeugindustrie fänden.

Auch bei Beyond Gravity fiel das Fazit positiv aus. «Unsere Erwartung war ein Konzept für Greifer, mit denen sich die Aluminium-Wabenplatten für die Herstellung von Raketenspitzen automatisiert durch die Produktion bewegen lassen. Was wir bekommen haben, sind vollständige Konzepte und funktionierende Prototypen», sagt Marco Deffner, Produktionsingenieur bei Beyond Gravity. Er habe die Studienkultur an der OST so erlebt, dass die Studenten ihre Kreativität und ihren Erfindergeist mit einem starken Fokus auf partnerschaftliche Zusammenarbeit ausleben konnten. «Die Studenten sind gleich mehrfach die Extrameile gegangen und helfen uns damit, den Einsatzbereich unserer Maschinen gezielt weiterzuentwickeln. Wegen der hohen internationalen Nachfrage nach Raumfahrtprodukten sind wir motiviert, den Automatisierungsgrad zu erhöhen, um im globalen Raumfahrt-Wettbewerb zu bestehen», so Deffner. Beyond Gravity produziert derzeit unter anderem die Nutzlastverkleidungen für die europäischen Ariane-6-Raketen.

Im Entwicklungsprojekt mit Beyond Gravity beschäftigten sich 32 Studenten in sieben Teams mit der automatisierten Handhabung der Aluminium-Wabenplatten. Die Konzepte reichten von innovativen Kleber-Greifsystemen bis zu robotergestützten Pick-and-Place-Lösungen auf Basis von Reibung und Formschluss. Zahlreiche Prototypen wurden konstruiert, aufgebaut und unter realitätsnahen Bedingungen getestet. Damit konnten die Studenten neue Möglichkeiten aufzeigen, wie Produktionsprozesse in der Raumfahrt künftig effizienter, wirtschaftlicher und stärker automatisiert gestaltet werden können.

Parallel dazu entwickelten 30 Studenten in fünf Teams gemeinsam mit Stadler Konzepte für ein intelligentes Eisenbahnfahrwerk. Ziel war es, die Räder eines Zuges während der Kurvenfahrt aktiv an den Streckenverlauf anzupassen. Dadurch sollen vor allem in Kurven die wirkenden Kräfte zwischen Rad und Schiene reduziert sowie Verschleiss, Lärmemissionen und Unterhaltskosten gesenkt werden.

Die Teams verfolgten unterschiedliche technische Ansätze. Sie entwickelten Laser- und Sensoriksysteme, KI-basierte Bilderkennungssoftware zur frühzeitigen Erkennung von Kurven, intelligente Steuerungskonzepte sowie mechanische Lösungen zur aktiven Ausrichtung der Radsätze auf der Schiene. Mehrere Konzepte wurden mithilfe von Simulationen, Testständen und Fahrversuchen untersucht und erfolgreich validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass moderne Technologien auch fast 200 Jahre nach der ersten Bahnfahrt noch Potenzial haben, den Schienenverkehr effizienter, wirtschaftlicher und nachhaltiger zu gestalten.

Für Daniel Aggeler, Studiengangsleiter Maschinentechnik | Innovation, sind solche Projekte ein zentraler Bestandteil der Ausbildung. «Solche herausfordernden Aufgabenstellungen sind ideal für unsere angehenden Ingenieure. Das Arbeiten an realen Industriefragestellungen ist einerseits motivierend für unsere Studenten und gleichzeitig auch technisch gut geeignet, um das theoretische Wissen praxisorientiert direkt im Studium anzuwenden.»

Auch Stefan Grätzer, der die Studententeams zusammen mit Hanspeter Keel und weiteren Dozenten begleitet hat, sieht im Entwicklungsprojekt einen grossen Mehrwert: «In den zwei Semestern entstehen nicht nur hochinteressante technische Lösungen, die den beteiligten Industriepartnern neue Ideen und Konzepte für reale Innovationen liefern. Die Studenten können ein technisches Problem von der Aufgabenstellung über die Entwicklung von theoretischen Lösungen bis hin zur Konstruktion von funktionierenden Prototypen von A bis Z durchlaufen. Das entspricht unserem Anspruch an eine sehr praxisnahe Ausbildung.» Wenn die Projektpartner bereits heute in Aussicht stellten, dass sie gerne weitermachen würden, sei dies «das grösste Lob, das wir uns für unsere Studenten wünschen können».

Das Entwicklungsprojekt zeigt damit exemplarisch, wie anwendungsorientierte Forschung und Ausbildung ineinandergreifen können. Die OST bietet ihren Studenten nicht nur die Möglichkeit, an realen Industrieproblemen zu arbeiten, sondern liefert gleichzeitig Unternehmen aus technologisch anspruchsvollen Branchen frische Ideen, unkonventionelle Lösungswege und funktionierende Prototypen. Für die Ostschweiz ist dies auch ein Signal: Innovation entsteht nicht nur in den Entwicklungsabteilungen grosser Unternehmen, sondern ebenso dort, wo junge Ingenieure mit Industriepartnern an konkreten Herausforderungen arbeiten.