Verbundwerkstoffe ermöglichen neuartiges fliegendes Schnellboot

Die weltweite Elektrifizierung des Verkehrs ist eine ungleichmäßige Entwicklung, die gleichzeitig ermöglicht und behindert wird durch die unzähligen Kräfte, die die Technologieentwicklung bestimmen und alles von Autos und unbemannten Flugzeugen bis hin zu Schienenverkehr und Wasserfahrzeugen beeinflussen. Zu diesen unterstützenden/hindernden Kräften gehören schnell reifende, aber schwere Batterien, staatliche Aufsicht, die sich manchmal nur langsam anpasst, Prinzipien der Schwerkraft und Reibung, strenge Passagiersicherheitsanforderungen, besorgte Versicherer und ungleichmäßige Entwicklung leichter Materialien.

Doch Material-, Verarbeitungs-, Hard- und Software-Innovationen machen Produkte möglich, die noch vor wenigen Jahren undenkbar waren, und dafür gibt es vielleicht kein besseres Beispiel als die Sieben , ein neues vollelektrisches Vollverbund-Schnellboot mit hoher Reichweite, das von Candela Boats (Lidingö, Schweden) unter Verwendung von Harzmatrixlösungen von Sicomin Epoxy Systems (Châteauneuf les Martigues, Frankreich) hergestellt wird.

Wie wir hierher gekommen sind

Candela Boats wurde 2014 von CEO Gustav Hasselskog gegründet, der, obwohl er ausgebildeter Ingenieur ist, zuvor als Berater und im Markt für Konsumchemikalien tätig war. Hasselskog war nach eigenen Angaben „gelangweilt“ von der Unternehmensarbeitswelt und beschloss, eine sinnvollere Arbeit zu finden. 2014 kündigte er seinen Job in der Firma und zog sich in diesem Sommer mit seiner Familie in ein Haus auf einem der Schären rund um Stockholm, Schweden, zurück.

„Wir hatten ein 25-Fuß-Boot mit einem V-8-Motor“, erinnert sich Hasselskog und fügt hinzu, dass eine Bootsfahrt nach Stockholm erforderlich war, um überall hin zu gelangen und alles zu bekommen, was mindestens 50 US-Dollar pro Fahrt kostete. „Es fühlte sich ein bisschen komisch an, so viel Geld für ein Boot auszugeben“, sagt er. Hasselskog fing an zu rechnen und fragte sich, was es brauchte, um das Freizeitbootfahren effizienter zu machen. „Was ich entdeckt habe“, sagt er, „ist, dass das Thema nicht angegangen wurde, um Boote effizienter und elektrisch zu machen.“

Hasselskog begann, den Markt für Freizeitschifffahrt weiter zu untersuchen. Er studierte Batterie- und Elektroantriebstechnologie und ermittelte, was erforderlich wäre, um einem Gleitboot eine Reichweite von mindestens 50 Seemeilen zu verleihen – ein Ziel, das er für vernünftig hielt. Bisher war der Einsatz von vollelektrischen Antrieben in Gleitbooten von mangelnder Leistung und geringer Reichweite geplagt, vor allem wegen der Reibung an der Wasseroberfläche, die ein Boot überwinden muss. Um die Reichweite oder Leistung in einem Gleitboot zu erhöhen, müssen außerdem Batterien hinzugefügt werden, was ebenfalls das Gewicht und damit den Widerstand erhöht. Kurzum, Hasselskog stellte fest, dass es nicht möglich war, ein Gleitboot effizienter zu machen. „Ein Gleitboot ist eine Sackgasse. Effizienter geht es nicht“, sagt er. "Foilen ist der einzige Weg." Also verkaufte Hasselskog das Sommerhaus der Familie auf dem Archipel und 2014 wurde Candela Boats geboren.

Foiling ist aufgrund der komplexen Thermodynamik von Natur aus instabil. Candela Boats hat ein ausgeklügeltes System von Sensoren und Steuerungen entwickelt, um die Foils zu manipulieren und eine reibungslose, sichere Fahrt zu gewährleisten. Quelle | Candela-Boote

Foilen ist nichts für schwache Nerven

Die größte Herausforderung beim Foilen liegt in der inhärenten Instabilität eines Bootes, das sich durch und über bewegt Wasser, aber nicht auf der Wasseroberfläche. Ein Foil – oder genauer ein Hydrofoil – ist eine flügelartige Struktur, die am Boden eines Bootsrumpfs befestigt ist. Das Foil durchquert das Wasser senkrecht zur Fahrtrichtung und bietet nach den gleichen Prinzipien des Flugzeugflugs bei einer bestimmten Geschwindigkeit genügend Auftrieb, um das Boot vollständig aus dem Wasser zu heben. Die Reibung des Rumpfes wird somit eliminiert, so dass der Folienwiderstand und die Luft die einzigen Widerstände sind.

Folien können eine Vielzahl von Formen annehmen, aber in allen Fällen müssen sie eine ebene, ebene Oberfläche bieten, die zuerst durch die Wasserkante verläuft. Und wie bei einem Flugzeugflügel kann der Anstellwinkel eines Foils im Wasser angepasst werden, um den Auftrieb zu erhöhen oder zu verringern. Folien können auch in verschiedenen Wassertiefen eingesetzt werden, aber die Tiefe hat einen Einfluss auf die Effizienz. Zum Beispiel ist relativ flaches, oberflächendurchdringendes Foiling stabiler, aber weniger effizient. Tieferes Foilen ist effizienter, aber weniger stabil.

Auf jeden Fall bietet das „Fliegen“ über Wasser eine ganz andere hydrodynamische Umgebung als ein Gleitboot auf der Wasseroberfläche. Außerhalb des Wassers und auf Foils verhält sich ein Boot ganz anders – Gewichtsverteilung, Kurvenfahrt, Windwiderstand und turbulente Gewässer müssen sorgfältig verwaltet werden.

Die über 100 Jahre alte Foiling-Technologie wurde bisher vor allem in großen Rennyachten und einigen Passagierfähren eingesetzt. Foiling-Rennyachten werden in der Regel von großen Crews bemannt, die gut ausgebildet sind, um eine dynamische, sich schnell bewegende Foiling-Struktur zu verwalten. Foiling Fähren basieren auf Surface Piercing Foiling, das, wie bereits erwähnt, stabiler ist.

Hasselskog beschloss, sein Schnellboot so effizient wie möglich zu gestalten und entschied sich daher für tiefe Foils . Die Herausforderung besteht darin, ein Boot mit Tieffolierung einfach, nahtlos und sicher zu betreiben, unabhängig davon, wer am Steuer sitzt. Dies würde die Entwicklung eines beispiellosen Foiling-Kontrollsystems und einer Bootsstruktur erfordern, die nicht nur leicht ist, sondern auch speziell designed entworfen wurde zum Folieren.

Die perfekte Folie bauen

Die Sieben ist 7,7 Meter lang, 2,4 Meter breit, wiegt 1.300 Kilogramm und bietet Platz für sechs Personen. Es verwendet zwei Foils, von denen das größte etwa 2 Meter von der Vorderseite des Bootes entfernt eingesetzt wird. Der Aufbau der Primärfolie ist relativ einfach:Zwei Streben führen durch den Rumpf ins Wasser und heften sich im rechten Winkel an eine 2,35 Meter lange, 200 Millimeter breite und 25 Millimeter dicke Folie. Die Folie – auch invertierte ∏-Folie genannt – ist senkrecht zur Fahrtrichtung ausgerichtet. Die Foilstreben werden motorisch betätigt, um sich nach oben und unten zu bewegen, um das Foil abzusenken und anzuheben. Wenn das Boot nicht foil, ist das Foil vollständig bündig mit dem Bootsrumpf eingezogen. Bei Foiling-Geschwindigkeiten wird das Foil bis zu einer maximalen Tiefe von 550 Millimetern ins Wasser entfaltet.

Wenn die Sieben sich nicht im Foiling-Modus befindet, die beiden orangefarbenen Streben, die mit dem Foil verbunden sind und dieses betätigen, um es bündig an den Rumpf zu ziehen. Die weiß-orange Folie ist hier knapp unter dem Rumpf und knapp über dem Wasserspiegel sichtbar. Quelle | Candela-Boote

Am Heck des Bootes befindet sich ein zweites, kleineres T-Foil, das auch als Ruder fungiert. Es ist an einem 55-Kilowatt-Elektromotor befestigt, der eine Antriebswelle im Ruder antreibt, die einen Propeller am Ende des Ruders dreht. Der Motor wird von wiederaufladbaren Batterien angetrieben, die sich im vorderen Teil des Rumpfes befinden, um das Gleichgewicht beim Foilen des Bootes zu gewährleisten. Die Sieben beginnt mit dem Foilen bei 14-15 Knoten, kreuzt mit 22 Knoten, hat eine Höchstgeschwindigkeit von 30 Knoten und eine Reichweite von 50 Seemeilen.

Teodor Hällestrand, Produktmanager bei Candela Boats, sagt, dass die Folienstreben und Folien Kohlefaser/Epoxid-Verbundwerkstoffe sind und eine erhebliche Herausforderung für die Konstruktionstechnik darstellten. Um die für eine reibungslose Fahrt erforderliche Kontrolle zu gewährleisten, musste Candela in der Lage sein, das Foil an sich ändernde Bootsbedingungen anzupassen. Dies erfordert eine hochdynamische Sensorik/Steuerung gepaart mit einer hochreaktiven Folie. „Das Foil ist gerade, aber wir wollten es je nach Geschwindigkeit, Roll-, Nick- und Gierwinkel im Wasser verwinden können“, sagt Hällestrand. „Wir können verstehen, wie das Boot positioniert ist, und dann die Ausrichtung anpassen, um die Fahrt so reibungslos wie möglich zu gestalten.“ Dies wird durch das Steuerungssystem erreicht, das die Streben dynamisch anpasst, um entweder den Anstellwinkel des Foils zu ändern oder das Foil, insbesondere zum Drehen, zu verdrehen.

Hasselskog sagt:„Wir müssen in der Lage sein, die Frontfolie zu verdrehen oder einen anderen Anstellwinkel bereitzustellen.“ All diese Aktionen passieren unter Last, sagt er, „daher brauchen wir ein Material mit geringer Torsionssteifigkeit, aber mit hoher Biegesteifigkeit.“ Das Ergebnis ist ein „ziemlich ausgeklügelter Layup-Plan“, der unidirektionale (UD) Kohlefaserbänder (hauptsächlich ±45 Grad) verwendet, um die erforderliche Steifigkeit und Biegefähigkeit bereitzustellen. Die Folie verwendet Standardmodul-Kohlenstofffasern von einer Vielzahl von Anbietern und wird mit SR1710 Epoxidharz von Sicomin Epoxy Systems infundiert. Die Folie wird bei Raumtemperatur ausgehärtet, gefolgt von einer Nachhärtung bei 40°C.

Keine durchschnittliche Hülle

Nirgendwo ist Sieben Die Abkehr von den Planungsstandards für Gleitboote ist deutlicher als beim Rumpf – sowohl im Design als auch in der Technik. Am auffälligsten ist die Tatsache, dass, obwohl es einen standardmäßigen V-förmigen, wellenbrechenden Rumpf an der Vorderseite des Bootes hat, der Rumpf von den vorderen Foils bis zum Heck flach ist. Hasselskog nennt dafür mehrere Gründe.

Das Innere von Seven 's Rumpf zeigt die Stringer und Rippen, die aus Kohlefaser/Epoxid-Verbundlaminaten geschnitten und dann mit Klebstoff und mechanischen Befestigungselementen befestigt werden. Diese Architektur ermöglicht es Candela Boats, Rümpfe schnell zusammenzubauen und bietet Flexibilität zur Anpassung an Designänderungen. Quelle | Candela-Boote

Erstens, sagt er, „brauchen wir nur die V-Form, um die Wellen zu durchdringen“. Es schützt auch die Foils, wenn das Boot nicht foil. Zweitens vereinfacht das Abflachen der Hälfte des Rumpfes die Herstellung und spart viel Gewicht. Drittens, sagt er, macht der flache Boden das Boot unglaublich stabil am Dock zum Ein- und Aussteigen. „Es ist wie ein Lastkahn“, bemerkt er.

Im Inneren des Rumpfes hat Candela jedoch daran gearbeitet, die Sieben . herzustellen nicht nur strukturell solide, sondern auch an eine effiziente Fertigung mit relativ hoher Rate anpassbar. Hällestrand sagt, dass der Rumpf im Design mit einem Flugzeugrumpf vergleichbar ist – eine Haut, die ein Gitter aus Stringern und Rippen umgibt. Wie die Folie wird der Rumpf mit derselben UD-Kohlefaser und SR1710-Epoxid infundiert, die auf ebenfalls aus SR1710 hergestellten Verbundwerkzeugen hergestellt werden. Die Rumpfdicke unterhalb der Wasserlinie beträgt 3 Millimeter; Rumpfdicke über der Wasserlinie beträgt 2 Millimeter.

Marc Denjean, Exportmanager bei Sicomin, sagt, dass das SR1710 ein leistungsstarkes Epoxidsystem ist, das „weit überdurchschnittliche mechanische Eigenschaften“ bietet. Sicomin bietet auch eine In-Mold-Epoxid-Hochbaugrundierung an, die bedeutet, dass der Rumpf zum Lackieren entformt wird.

Um die Stringer und Rippen zu bauen, beginnt Candela mit 3 Millimeter dicken massiven Laminat-Carbonfaser/Epoxy-infundierten Platten und bearbeitet sie dann CNC-bearbeitet, um sie je nachdem, wo im Rumpf das Laminat platziert wird, in Form zu bringen. Um die Rumpfstruktur – Stringer und Rippen – zu bauen, werden diese geschnittenen Formen dann zusammengebaut und mit Klebstoff und mechanischen Befestigungselementen aneinander und am Rumpf befestigt.

Der Akku des Seven befindet sich im vorderen Teil des Rumpfes, um die dringend benötigte Balance zu gewährleisten, wenn sich das Boot im Foiling-Modus befindet.

Quelle | Candela-Boote

Dieser Design-/Fertigungsprozess, bei dem Laminat geschnitten und montiert wird, hat sich laut Hasselskog als sehr effizient erwiesen und ermöglicht Candela Boats, die Rumpfstruktur in nur 40 Stunden zu bauen. Es ermöglicht dem Unternehmen auch, interne Strukturen leicht an Konstruktionsänderungen anzupassen, ohne die Kosten und den Zeitaufwand für die Modifikation von Formen. „Es ist einfach, durch Änderung des Bearbeitungscodes zu skalieren, Änderungen vorzunehmen oder neue Strukturen zu erstellen“, sagt er.

Das Endergebnis

Im Einklang mit Hasselskogs ursprünglicher Vision ist die Effizienz der Seven ist schwer zu schlagen — es ist 4-5 mal energieeffizienter als ein vergleichbares, gasbetriebenes Gleitboot und wandelt 90 % seiner chemischen Energie in mechanische Energie um. Darüber hinaus sind die Betriebskosten der Seven , laut Candela, ist 95 % weniger als ein gasbetriebenes Gleitboot.

Das Unternehmen hat 190 Bestellungen für die Sieben und rechnet damit, im Jahr 2020 40 Boote zu montieren. Hasselskog sagt, dass Candela derzeit nur Bootskonstrukteur und -monteur ist. Die Herstellung von Verbundstrukturen wird von Drittanbietern durchgeführt, aber Hasselskog sagt, Candela könnte diese Arbeit ins Haus bringen, um die Herstellungsprozesse zu optimieren und letztendlich den CO2-Fußabdruck des Unternehmens zu reduzieren. „Wir müssen unsere Kosten senken und damit effizienter produzieren“, sagt Hasselskog. „Wir sind noch nicht am Ziel, aber wir sind auf dem richtigen Weg.“