Auf einem Kieswerk in Neuching bei München entstand im Sommer 2021 ein ambitioniertes Projekt. Das Münchner Studierendenteam TUM Boring – bestehend aus rund sechzig Studierenden der Bereiche IT, Physik, Ingenieurswesen, Luft- und Raumfahrttechnik, Marketing, Betriebswirtschaft und vielen mehr, hat eine gemeinsame Vision: mit der Teilnahme am Tunnelbohr-Wettbewerb die urbane Mobilität zukünftig neugestalten. Dazu holten sich die jungen Ingenieurinnen und Ingenieure Lapp mit an Bord.
Den Standard neu setzen
Jona Roßmann, External Relations Management bei TUM Boring, erklärt: „Würde man den Verkehr unter die Erde verlegen, bedeutete das eine enorme Erleichterung für Mensch und Natur.“ Ganz so einfach ist es aber nicht, denn die heutigen Tunnelbohrmaschinen sind über zehnmal langsamer als eine Schnecke, heißt es vonseiten TUM Boring. In einer Stunde legen standardmäßige Tunnelbohrmaschinen maximal fünf Meter Bohrstrecke zurück. Der Vorgang erfolgt meist hydraulisch, wobei die Maschine sich mit sogenannten „Gripper-Elementen“ an der Wand verhakt. Erst danach können die Vortriebspressen den Bohrkopf einige Meter nach vorne schieben. Das Abtragen von Erdmaterial sowie die neue Positionierung der Gripper-Elemente stehen dem kontinuierlichen Vorschub im Weg. Einen neuen Maßstab hat das Team von TUM Boring nun mit ihrer Tunnelbohrmaschine gesetzt. Die Maschine der Studierenden punktet nicht nur durch gesteigerte Effizienz und damit einer höheren Geschwindigkeit, sie erfüllt auch alle weiteren Anforderungen, die Elon Musk an die Teilnehmenden stellt.
30 Meter in drei Stunden
Im Finale sollte die Lösung auf Herz und Nieren geprüft werden: In 1,5 Metern Tiefe musste binnen drei Stunden ein 30 Meter langer Tunnel mit einem Durchmesser von 50 Zentimetern entstehen. Und weil am Ende ein ferngesteuertes Auto eine Testfahrt auf der Strecke absolvieren sollte, musste auch gleich eine Fahrbahn im Tunnel her. Die drei Gewinnkategorien, in denen die insgesamt zwölf Teams im Finale gemessen wurden, lauteten: Schnellster Tunnelbau, schnellster Tunnelbau inklusive testgefahrener Fahrstrecke und genauestes Führungssystem. Die Tunnelbohrmaschine von TUM Boring koordiniert durch Datenleitungen parallel ablaufende Prozesse, die permanent gesteuert und überprüft werden. Vier 8,5 Meter lange und 1,2 Tonnen schwere Stahlrohre sind mit asynchron arbeitenden Stahlklammern umschlossen und werden in einem Revolver-Mechanismus fixiert. 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 gedrückten Bohrsegment dreht sich die Revolverhalterung um genau 90 Grad. So kann unmittelbar das nächste Stahlrohr über die Strecke nachgeschoben werden, damit der Bohrkopf einen kontinuierlichen Vortrieb erhält. Jede der Hydraulikpressen hat dabei eine Vortriebskraft von bis zu 500 KN im kontinuierlichen Modus, die gegebenenfalls auf 100 Tonnen im diskontinuierlichen Modus verdoppelt werden kann. Die Stahlrohre beinhalten gleichzeitig Förderbänder für den Abtransport von Erdmaterial und bilden außerdem die Außenwand des Mini-Tunnels. Eine Steuereinheit überwacht alle Bewegungen, um den Bohrstand überprüfen und abfragen zu können. Außerdem gleicht ein Lasermesssystem dauerhaft den Soll- und Ist-Zustand ab, wobei eine Steuereinheit am Bohrkopf automatisch auf Abweichungen reagiert. Die Fahrstrecke für den Test zum Abschluss der Bohrung befindet sich bereits fest verschweißt in den Stahlrohren. Um den sicheren Transport in die USA zu gewährleisten, wo das Finale der Not-a-Boring-Competition in Las Vegas stattfand, wurde die Tunnelbohrmaschine von Anfang an in einem 12 Meter langen und zweieinhalb Meter breiten sowie hohen Container verbaut.
Verbindung von Strom und Daten in Echtzeit
Um die durchgängige Funktionsfähigkeit des ausgeklügelten Systems zu garantieren, ist eine jederzeit zuverlässige Verbindung von Strom und Daten in Echtzeit unabdingbar. Für beides wandte sich das Team TUM Boring an Lapp. „Schlussendlich wurde die ganze Produktfamilie von Lapp in der Tunnelbohrmaschine verbaut“, erklärt Alois Heimler, Business Development Manager Automotive bei Lapp, und deutet damit auf rund 200 verbaute Produkte des Anbieters in der Maschine hin. Das TUM Boring Team fragte zunächst nur wenige Komponenten an, doch folgte im Laufe des Planungsprozesses schließlich die Nachfrage nach Switches, Steckverbindern, Schleppketten sowie Kabelschutzschläuchen. Alois Heimler weiß: „Um das Projekt optimal zu unterstützen, war es für uns wichtig, den System- und Lösungsgedanken, den wir bei Lapp fahren, hier mit einzubringen. Das heißt: bestmöglich aufeinander abgestimmte Komponenten zu verwenden.“ Drei große Herausforderungen machten dem Team besonders zu schaffen: Extrem wenig Platz, eine hohe geforderte Robustheit und die angestrebte Geschwindigkeit. Während des Bohrvorgangs müssen die nachgeschobenen Segmente auf Daten- und Stromseite rasch neu verbunden werden, um die geforderte Bohrstrecke von 30 Metern in der vorgegebenen Zeit zu absolvieren. „Die Studierenden arbeiteten sich quasi über Nacht in unseren Steckerkonfigurator ein“, so Stefan Koch, Produktmanager Epic bei Lapp. Sie konfigurierten sich so ihren eigenen Unikat-Steckverbinder aus etwa 138 Mio. Kombinationsmöglichkeiten online. Mehrere Epic-Steckverbinder sichern den flexiblen Einsatz in der Ethernet-Anwendung und die Versorgung der Servomotoren. Außerdem sorgen Etherline-Switches, Leitungen und Patchkabel für eine zuverlässige Datenübertragung innerhalb der Maschine. Unitronic kommt 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. Und schließlich sorgen verschiedene Kennzeichnungslösungen von Fleximark an Steckverbindern, Leitungen und andere Komponenten für eine platzsparende und beständige Markierung, um auch unter wenig übersichtlichen Umständen schnell die richtigen Komponenten identifizieren und verbinden zu können.