Sechzig Studierende, eine Bohrmaschine, und sehr viel elektrische Verbindungstechnik – auf einem Kieswerk in Neuching bei München entsteht ein ambitioniertes Projekt. Das TUM Boring – Innovation in Tunneling Team der Technischen Universität München, bestehend aus Studierenden der Bereiche Ingenieurwesen, IT, Luft- und Raumfahrttechnik, Physik, Betriebswirtschaft, Marketing und vielen mehr, hat sich zum Ziel gesetzt, mit der Teilnahme am Tunnelbohr-Wettbewerb die urbane Mobilität neu zu gestalten. Dazu holten sich die jungen Ingenieure auch Unterstützung aus dem Hause Lapp.
Der Standard ist zu langsam
Jona Roßmann, External Relations Management bei TUM Boring, ist sicher: Würde man den Verkehr unter die Erde verlegen, bedeutete das eine enorme Erleichterung für Mensch und Natur. Der Haken daran: Aktuelle Tunnelbohrmaschinen sind viel zu langsam – mehr als zehnmal langsamer als eine Schnecke, heißt es vonseiten TUM Boring. In einer Stunde schaffen aktuelle Tunnelbohrmaschinen höchstens 5m Bohrstrecke. Der Vorgang erfolgt meist hydraulisch, wobei die Maschine sich mit sogenannten Gripper-Elementen an der Wand verhakt. Erst dann können die Vortriebspressen den Bohrkopf einige Meter nach vorne schieben. Da daraufhin Erdmaterial abgetragen und die Gripper-Elemente wieder neu positioniert werden müssen, schafft ein Bohrvorgang keinen kontinuierlichen Vorschub.
Prozesseffizienz ist das A und O
Eine solche Maschine mit kontinuierlichem Vorschub hat das Team von TUM Boring nun entwickelt. Die Lösung der Studierenden ist nicht nur deutlich effizienter und damit schneller als aktuelle Bohrmaschinen. Sie erfüllt auch die weiteren hohen Anforderungen, die Elon Musk für den Wettbewerb ausgab.
Im Finale werden die Lösungen der Teams auf die Probe gestellt: In 1,5m Tiefe müssen diese einen 30m langen Tunnel mit einem Durchmesser von 50cm realisieren – in circa drei Stunden. Und da am Ende ein ferngesteuertes Auto eine Testfahrt auf der Strecke absolviert, muss auch eine Fahrbahn in den Tunnel gelegt werden. Die drei Gewinnkategorien, in denen die Teams gemessen werden, lauten: schnellster Tunnelbau, schnellster Tunnelbau inklusive testgefahrener Fahrstrecke und genauestes Führungssystem.
Die Tunnelbohrmaschine von TUM Boring punktet durch effiziente und parallel ablaufende Prozesse, die durch intelligente Komponenten gesteuert werden. Vier 8,5m lange und 1,2t schwere Stahlrohre sind mit asynchron arbeitenden Stahlklammern umschlossen und werden in einem Revolver-Mechanismus gehalten. Ein hydraulischer Vortrieb, genannt Pipe-Jacking-System, presst zunächst eines der Stahlrohre mit dem Bohrkopf an der Spitze nach vorne. Nach jedem fertig in das Erdreich gedrückte Bohrsegment dreht sich die Revolverhalterung um 90°. So kann sofort ein weiteres Stahlrohr über die Strecke nachgeschoben werden, sodass der Bohrkopf einen kontinuierlichen Vortrieb erhält. Jede der Hydraulikpressen hat dabei eine Vortriebskraft von bis zu 500KN im kontinuierlichen Modus, die ggf. auf 100t im diskontinuierlichen Modus verdoppelt werden kann. Die Stahlrohre bergen Förderbänder für den Abtransport von Erdmaterial und bilden zugleich die Außenwand des Miniatur-Tunnels.
Jede Bewegung wird durch eine Steuereinheit überwacht, um den Bohrstand überprüfen und abfragen zu können. Ein Lasermesssystem gleicht dauerhaft den Soll- und Ist-Zustand ab, wobei eine Steuereinheit am Bohrkopf automatisch auf Abweichungen reagieren kann. Die Fahrstrecke für den Test zum Abschluss der Bohrung befindet sich bereits fest verschweißt in den Stahlrohren. Um die Maschine heil in die USA zu transportieren, wo das Finale der Not-a-Boring Competition stattfindet, wurde diese von Anfang an in einem 12m langen und 2,5m breiten sowie hohen Container verbaut.
Verbindungslösungen für widrige Bedingungen
Um dieses präzise ausgeklügelte System in Gang zu halten, braucht es nicht nur Strom, sondern auch eine fehlerfreie Datenkommunikation in Echtzeit. Für beides wandten sich die Ingenieure von TUM Boring an Lapp. Das Team fragte zuerst nur wenige Komponenten an, im Planungsprozess folgten schließlich Steckverbinder, Switches, Kabelschutzschläuche und Schleppketten. Dabei hatte das Team vor allem drei große Herausforderungen zu lösen: Extrem wenig Platz, eine hohe geforderte Robustheit und enorme Geschwindigkeit. Denn während des Bohrvorgangs müssen die nachgeschobenen Segmente auf Daten- und Stromseite möglichst schnell neu verbunden werden, um die geforderte 30m Bohrstrecke in der vorgegebenen Zeit absolvieren zu können.
Besondere Herausforderungen erfordern maßgeschneiderte Lösungen. „Die Studierenden arbeiteten sich quasi über Nacht in unseren Steckerkonfigurator ein“, so Stefan Koch, Produktmanager Epic bei Lapp. Kurzerhand konnte sich das TUM Boring Team ihren eigenen Unikat-Steckverbinder aus etwa 138Mio. Kombinationsmöglichkeiten online konzipieren und direkt bestellen. Weitere Epic-Steckverbinder sichern den flexiblen Einsatz in der Ethernet-Anwendung und die Versorgung der Servomotoren. Darüber hinaus sorgen Etherline-Switches, Leitungen und Patchkabel für eine zuverlässige Datenübertragung in der Maschine. Unitronic Leitungen kommen für die Sensor/Aktor-Verdrahtung zum Einsatz, Ölflex Steuer- und Anschlussleitungen sowie Servoleitungen für die Spannungsversorgung von Antrieben, Hydraulikaggregaten und Ventilen. Skintop Mehrfacheinführungssysteme helfen dabei, Leitungen mit unterschiedlichen Außendurchmessern zugentlastet und abgedichtet ins Gehäuse einzuführen. Zu guter Letzt sorgen diverse Kennzeichnungslösungen von Fleximark für Steckverbinder, Leitungen und andere Komponenten für platzsparende und beständige Markierungen, um auch unter rauen Umgebungsbedingungen schnell die richtigen Komponenten identifizieren zu können.
Ein weiteres Hauptaugenmerk lag auf den Schleppketten. „Der erste Ansatz der Studierenden war sehr komplex, weshalb wir praxiserprobte Anwendungen vorgeschlagen und so gemeinsam eine pragmatische Lösung gefunden haben“, erläutert Alois Heimler. So kommt nun Silvyn Chain zum Einsatz. Mehrere Schleppketten beinhalten die zusätzlichen Leitungslängen, die benötigt werden, um die einzelnen Segmente der Tunnelbohrmaschine schnell und zuverlässig verbinden zu können. Dafür liegen sie in einer Art Schublade hinter dem Steckerboard. Eine weitere Schleppkette am Revolver dient der Leitungszuführung für Bohrkopf und Förderbänder.
Die Lösungen von Lapp stellen sicher, dass die Tunnelbohrmaschine und ihre unzähligen miteinander kommunizierende Komponenten, wie Druck- und Wegsensoren, dauerhaft funktionieren – auch auf engem Raum und unter widrigen Bedingungen. Durch die zuverlässigen Verbindungslösungen ist die Tunnelbohrmaschine gut gerüstet, den Tunnelbau zu optimieren – und damit die Zukunft unserer Mobilität.
