Ein faszinierender Einblick in ein Meeresdesign – vor drei Jahrzehnten

Gougeon Brothers Inc. (Bay City, MI, USA) hat kürzlich eine interessante Pressemitteilung über einen 28 Jahre alten Katamaran gesendet, der immer noch Geschwindigkeitsrekorde aufstellt und viel neuere Schiffe übertrifft. Inkognito ist ein Katamaran aus Verbundwerkstoff, der 1990 von Gougeon Manufacturing hergestellt wurde. Russell Brown aus Port Townsend, WA, fuhr das 28 Jahre alte Schiff, eine G32, im Alleingang in der zermürbenden R2AK (Race to Alaska). Auf der Qualifikationsstrecke von Port Townsend WA nach Victoria, BC, beendete er 40 Minuten vor dem Rest der Flotte. Anschließend führte er das Rennen drei Tage lang an und war im zweiten Jahr in Folge der erste Solo-Finisher, der seinen Rekordsieg von 2017 um mehr als 24 Stunden an Bord desselben Bootes verfehlte.

Daher war ich überrascht, auf der Gougeon-Website ein langes und detailliertes Entwicklungs-, Design- und Konstruktionsdokument (letzte Aktualisierung:1996) zu finden, das den sorgfältigen Prozess beschreibt, den Meade und Jan Gougeon durchgeführt haben, um diesen schnellen G32-Katamaran zu bauen, der wahrscheinlich für seine 28 Jahre später erfolgreich. Ich habe mir unten Abschnitte ausgeliehen, und Sie können das Dokument in seiner Gesamtheit hier lesen:http://www.gougeon.com/prosetepoxy/G-32/welcome.html .

„Als wir 1990 beschlossen, unser Werk zur Herstellung von Windflügeln wieder zu eröffnen, das aufgrund des dramatischen Absturzes der Windindustrie 1986 drei Jahre lang stillgelegt war, haben wir akzeptiert, dass die Windindustrie noch weit davon entfernt war, ihre frühere Gesundheit wiederzuerlangen. Wir mussten die Betriebskosten der Anlage mit einem zweiten Produkt teilen, bis das Windgeschäft wieder auf altes Niveau zurückkehrte. Zusätzlich zu den Windflügeln begannen wir mit der Herstellung eines einzigartigen, trailerbaren 32-Fuß-Katamarans namens „G-32“. Mein Bruder Jan und ich dachten lange, dass es einen großen Markt für einen leichten Katamaran geben würde, der schnell und unterhaltsam ist zu segeln, hatte Wochenendunterkünfte für 2 oder 3 und kostete unter 35.000 US-Dollar. Wir hatten nicht die Absicht, eine große Produktion zu erreichen; Wenn wir zwei pro Woche bauen könnten, könnten wir unsere finanziellen Ziele erreichen, drei pro Woche wären profitabel.“

„Die G-32 wurde so konzipiert, dass die gesamte Struktur in zwei großen Formen gebaut werden konnte, einer oberen und einer unteren, die in einem großen Klebevorgang an der Mittellinie verbunden werden sollten. Dies ermöglichte eine minimale Investition in Werkzeuge und Formen, was die Produktion von Kleinserien finanziell machbar machte. Die größte Herausforderung beim Design bestand darin, den G-32 so leicht zu bauen, dass er von einem Mittelklassewagen gezogen werden kann. Um dies zu erreichen, darf das Gesamtgewicht von Boot und Anhänger 2.200 lbs nicht überschreiten. Unsere Herangehensweise an dieses Problem konzentrierte sich auf zwei Bereiche; Zuerst haben wir so viel unnötiges Gewicht wie möglich aus dem Boot heraus konstruiert. Wir haben die Oberfläche auf ein Minimum beschränkt und die Struktur sorgfältig entworfen, um die erwarteten Lasten aufzunehmen. Die Kabine diente beispielsweise als großer Torsionskasten, um den notwendigen Torsionswiderstand zwischen den beiden Rümpfen zu gewährleisten. Zweitens haben wir die leichteste Konstruktionstechnologie verwendet, die wir uns im Rahmen unserer Kostenziele leisten konnten. Wir konnten nicht mehr als 10 Dollar pro Pfund ausgeben. für geformte Schalen, und diese durften nicht mehr als 800 lbs wiegen. insgesamt.

„Wir haben langjährige Erfahrung im Bau von High-Tech-Einzel-Rennsegelbooten, bei denen exotische Fasern, teure Kernmaterialien und Epoxidharze verwendet wurden, um sehr leichte, aber teure Boote zu bauen. Die Formteile dieser maßgefertigten Boote könnten leicht 50 bis 100 US-Dollar pro Pfund kosten. Typischerweise wurden diese High-Tech-Boote über Patrize laminiert, die mehrere Vakuumbeutelanwendungen erfordern, um ein leichtes Kompaktlaminat zu erhalten. Drei separate Vakuumbeutelanwendungen waren ein Minimum, wobei die beiden Häute und der Trennkern alle eine separate Verdichtung erforderten, um ein Qualitätslaminat zu gewährleisten. Boote, die Prepreg-Materialien verwenden, wie die jüngste America's-Cup-Yacht, benötigen möglicherweise 6 bis 10 Vakuumbeutelanwendungen, um jede Schicht zu entfernen, und dann eine abschließende Verdichtung aller Schichten, bevor eine ofengesteuerte Aushärtung stattfinden kann. Die Herstellung und Anwendung von Vakuumbeuteln ist arbeitsintensiv, und dies hat ihre Verwendung im Bootsbau eingeschränkt, wo immer weibliche Formen verwendet werden. In der Vergangenheit haben Versuche, Beutelkerne in handgelegte Außenhüllen in Negativformen zu vakuumieren, zu übermäßigem Durchdrucken geführt, was das Interesse der Bauherren weiter verringert hat.“

Die Brüder Gougeon fahren fort, dass trotz dieser Probleme Vakuumverpackung und Infusion ein Muss waren, um Laminatgewicht zu sparen. Um Gewicht und Kosten zu sparen, wählten sie für die damalige Zeit ein neues Herstellungsverfahren mit folgenden Schritten:

1) Epoxidharz, formuliert mit einer längeren Auszeit, würde für maximale Eigenschaften verwendet, wobei die Auszeit nur einen Vakuumschritt ermöglicht, wobei das gesamte Laminat auf einmal verdichtet wird.

2) Ein Gelcoat auf Polyesterbasis in Matrizen würde eine kostengünstige und dennoch fertige Oberfläche mit einem Minimum an Durchdruck ergeben. Die Autoren weisen darauf hin, dass sie das erhebliche Problem der Verbindung der Polyester-Gelcoat-Oberfläche und des Epoxidlaminats mit einer speziell entwickelten Haftbeschichtungssubstanz gelöst haben, die während des Herstellungsprozesses zwischen den beiden unterschiedlichen Materialien aufgetragen wird.

3) Alle Verstärkungsmaterialien würden mechanisch mit einer Walzenbeschichtungsmaschine benetzt, um den Arbeitsaufwand zu reduzieren und eine bessere Harzkontrolle zu erreichen.

4) Das speziell entwickelte Epoxidharz mit langer offener Zeit wird bei Temperaturen von nicht mehr als 140 °F nachgehärtet, um hohe physikalische Eigenschaften zu erzielen.

Die beiden Brüder bewerteten die Verstärkungsmaterialien sorgfältig, um das beste Laminat unter Berücksichtigung der Kosten, der Plattenleistung, des Montageaufwands und der Oberflächenqualität der fertigen Oberfläche herzustellen. Zunächst wurde eine Matrix von 30 Kombinationen bewertet (die Tabelle können Sie hier einsehen:http://www.gougeon.com/prosetepoxy/G-32/goufig1.htm ) mit einem Fokus auf gesticktem E-Glas. Der Kern wurde in verschiedenen Dicken und Materialien sorgfältig bewertet, da er die teuerste Komponente war. Das PRO-SET Epoxidharzsystem mit einer Offenzeit von 4 Stunden wurde in Gougeons eigenen Labors eigens für dieses neue Herstellungsverfahren entwickelt.

Aus den Materialien der Matrix konstruierten die beiden Brüder schließlich 30 Prüftafeln und verengten diese auf 12 Materialkombinationen für den Dauertest auf dem Hydromat-Prüfstand des Unternehmens. Ihre Kernfrage lautete:„Wie viel Steifigkeit war notwendig, damit das Boot unter den härtesten Betriebsbedingungen richtig funktioniert?“ Die beiden sagen, dass basierend auf den Testergebnissen Designänderungen vorgenommen wurden, um flache Bereiche im Design des Bootes zu reduzieren, da diese flachen Bereiche zusätzliche Steifigkeit erforderten, sodass eine weniger steife, kostengünstigere Platte verwendet werden könnte.

„Wir haben festgestellt, dass eine langfristige Widerstandsfähigkeit der Platte gegen anhaltende zyklische Ermüdungsbelastungen von 5 psi und intermittierende Schlagbelastungen von bis zu 15 psi für das langfristige Überleben der G-32-Struktur erforderlich sind. Dieses Kriterium wurde nicht auf wissenschaftliche Art und Weise festgelegt, wie etwa durch die tatsächliche Messung mit Dehnungsmessstreifen (was schwierig ist). Stattdessen spiegelte es unsere Erfahrung mit der Leistung mehrerer Materialkombinationen wider, die im Laufe der Jahre zum Bau zahlreicher Wasserfahrzeuge mit unterschiedlichem Erfolg und Misserfolg verwendet wurden. Dies ist der typische historische Trial-and-Error-Ansatz für Bootsdesign und -technik, der der Branche seit der jüngsten revolutionären Entwicklung von Verbundwerkstoffen nicht gut getan hat. Neue Testmethoden, wie der Hydromat, sind ein Versuch, die Leistung von Verbundwerkstoffen so zu bewerten, dass die tatsächlichen Lastbedingungen genau simuliert werden, damit fundiertere Entscheidungen getroffen werden können.“

Das Dokument beschreibt weiter detailliert den Kurzzeit-Ermüdungstestprozess. Die letztendlich gewählte Materialkombination, so die Autoren, „war nicht die stärkste Platte, die in den strukturellen Bereichen Steifigkeit, Höchstfestigkeit oder Ermüdung bewertet wurde. Es war jedoch mehr als ausreichend, um die strukturellen Anforderungen des G-32-Bootsprojekts zu erfüllen. Noch wichtiger ist, dass Panel #48 in drei anderen Bereichen gut abschneidet; Kosten, Gewicht und einfache Herstellung.“ Platte #48 bestand aus multiaxialen Glasfaserhäuten von Brunswick Technologies Inc. über einem Klegecell PVC-Schaumkern von DIAB.

Interessanterweise war es einer der schwierigsten Teile des Projekts, das Hochglanz-Außenfinish zu erreichen, ohne das übermäßige Gewicht, das Gelcoats hinzufügen können. Die Lösung bestand darin, dass eine hochqualifizierte Person die bestmögliche Gelcoat-Anwendung durchführte, sagen die Gougeon-Brüder.

Trotz sorgfältiger Konstruktion und Materialauswahl wurde das Kostenziel von 10 US-Dollar pro lb fertigem Laminat nicht ganz erreicht, denn Ende 1992 entschieden sich die Brüder für den Verkauf der Windenergiesparte, wodurch der Hauptgrund für das Boot beseitigt wurde Projekt. Kurz darauf wurde die Produktion nach der Herstellung von nur 14 G-32 eingestellt. Aber, sagen sie, die mit dem G-32 entwickelte Bootsbautechnologie auf Epoxidbasis wird heute häufig beim Bau von Hochleistungsbooten verwendet, die in Matrizen gebaut werden. Meade und Jan Gougeon glauben, dass ihr Herstellungsprozess die Kosten für die Herstellung von Booten auf Epoxidbasis im Vergleich zu den Kosten für den Bau kundenspezifischer Boote auf Patrize drastisch reduziert hat. Außerdem wurde Styrol eliminiert und eine bessere Kontrolle über die offene Zeit und die Härtungsraten ermöglicht. Sie kommen zu dem Schluss:„…die 14 gebauten G-32 haben die erwartete Leistung erbracht, ohne jegliche strukturelle Ausfälle. Ein Bonus ist, dass ihr geringes Gewicht in Kombination mit langen, schlanken Rümpfen zu überaus schnellen Booten geführt hat, die viele Rennen gewonnen haben.“ Und 28 Jahre später gewinnen sie weiter!