Nahtlose Integration von Composite-Materialien mit Stahlstrukturen im Schiffbau

Dieser Blog begleitet meinen Dezember-2019-Feature-Artikel „Barrieren für Leichtbau im Schiffsbau mit Composites beseitigen“ und teilt weitere Details und Visualisierungen.

HYCONNECT GmbH (Hamburg, Deutschland) ist ein Startup, gegründet von Dr. Lars Molter, einem Schiffsbauingenieur und 10-jährigen Veteranen des Center of Maritime Technologies (CMT, Hamburg, Deutschland), einem F&E-Zentrum für die deutsche maritime Industrie. „Die deutschen Unternehmen, die Megayachten und Kreuzfahrtschiffe bauen, haben alle das gleiche Problem“, sagt Molter. „Ihre Kunden wollen mehr Ausrüstung, ein weiteres Deck, mehr Isolierung gegen Lärm und Temperatur oder neue Designfeatures wie gekrümmte Formen und integrierte Beleuchtung. Selbst wenn sie diese Designs mit Aluminium oder Stahl umsetzen können, ist es sehr zeit- und kostenintensiv.“

Probleme mit Kleben in Hybridstrukturen

Molter und viele andere sehen die Vorteile, die Composites für Schiffe bieten können, aber derzeit werden Schiffe aus Stahl gebaut. Viele arbeiten an Vollcomposite-Schiffen, aber meantime gibt es eine signifikante Gelegenheit, Schiffsgewicht und Emissionen mit verschiedenen Composite-Komponenten zu reduzieren. Ein Problem ist jedoch, wie man sie mit dem Stahlgerüst des Schiffes verbindet. „Wir haben Kleben betrachtet“, erklärt er, „aber es gibt kein standardisiertes Fugen-Design, das man in allen Schiffen nutzen kann, und es gibt keine allgemeinen Regeln, wie man Kleben in SOLAS anwendet.“

Die Safety Of Life At Sea (SOLAS)-Vorschriften der International Maritime Organization (IMO, London, UK) verlangten, dass Handelsschiffe aus Stahl gebaut werden, bis 2002 MSC/Circ. 1002 herausgegeben wurde, das alternative Designs erlaubte. Diese Alternativen erfordern jedoch eine Risikoanalyse, die zeigt, dass das alternative Design und die Konstruktion Stahl gleichwertig sind – ein Prozess, der lang, teuer und für jedes Schiff individuell ist.

„Wir fragten DNV GL, was sie für dissimilar-material joints genehmigen würden“, sagt Molter. „Sie sagten, Primärstruktur würde typischerweise eine mechanische Befestigung erfordern; reines Kleben würde nicht einfach ohne redundante Befestiger zertifiziert.“ Diese Probleme mit individueller Zertifizierung und behördlicher Forderung nach redundanten Befestigern vs. rein geklebten Primärstrukturen sind in der kommerziellen Luftfahrt identisch. „Auch beim Kleben muss man Umgebung und Prozess kontrollieren“, sagt er, und merkt an, dass dies angesichts des Schweißens und Schneidens, das den Schiffswerftbau typischerweise dominiert, schwierig ist.

FAUSST-Fugen

„Also brauchten wir eine No-Bond-Lösung, aber mit mechanischer Befestigung“, sagt Molter. „Wir fragten uns immer wieder: Wie verbinden wir Fasern mit Metall?“ CMT beantwortete das im deutschen geförderten FAUSST-Projekt (Fiber and Steel Standard joint), das in Zusammenarbeit mit Fritz Moll Textilwerke (Altshausen, Deutschland) ein hybrides Kettengewirk entwickelte, das von 100 % Glasfasern zu 100 % Stahlnfasern übergeht.

Die Gewebearchitektur ist so gestaltet, dass Stahl- und Glasfasern sich winden und überlagern, was Lastübertragung durch Reibung und Verhaken an den Kreuzungspunkten erreicht. Diese Architektur balanciert Kettengewirk für mechanisches Verhaken mit unidirektionalen Fasern für Lastübertragung durch die Fuge. Der Stoff wird mit einer elektronisch gesteuerten Strickmaschine bei Geschwindigkeiten bis 100 m/h produziert.

Der nächste Schritt ist die Befestigung an einem Metallverbinder, der eine Platte oder ein Hohlprofil sein kann. Die Stahlnfasern werden per Widerstandsnahtschweißen (Pressschweißen) mit einem großen Kupferelektrodenrad an den Verbinder geschweißt. Molter erklärt, dies sei wie Punktschweißen in der Automobilindustrie, aber angepasst für eine lange, kontinuierliche Naht. Dieser Prozess ermöglicht effiziente Produktion von FAUSST-Verbindern mit einer oder mehreren Lagen Stoff mittels robustem, bekanntem Prozess.

Das verkauft HYCONNECT: den Stoff, angeschweißt an einen Stahlverbinder. „Ein Schiffswerft oder sein Composite-Strukturlieferant entscheidet sich für unser Fugen-System“, erklärt Molter. „Sie spezifizieren die Fugenlast und den Typ des Stahlverbinders, und wir designen und produzieren den FAUSST-Fugen. Das liefern wir, und sie infundieren es in ihre Composite-Strukturen, und die Werft schweißt diese dann in das Stahlgerüst des Schiffes ein.“

Steifigkeits- und CTE-Mismatch managen

Es gibt einen Steifigkeitsmismatch zwischen den Stahlnfasern und Glasfasern im FAUSST-Hybridgewebe. Molter erklärt, dies wird etwas gemildert durch die Art der Stoffherstellung, „mit 5-7 Lagen, wo Garne verhäkelt sind, und wir variieren, wie weit die Stahlnfasern in das Glasfasergewebe reichen. Man will keine großen Spitzen in der Lastübertragung. Wir können die Steifigkeit modifizieren, indem wir diese Lagen und ihre Bestandteile modifizieren, z. B. Prozentanteil und Richtung der Glasfaser etc.“ Zusätzliche ±45°-Fasern können hinzugefügt werden, um höhere Schubspannungen zu bewältigen und auch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen Stahlverbinder und Glasfaser-Composite zu managen. „Wir können auch für höhere Lasten oder Spezialkonstruktionen durch Verstärkung in Dickenrichtung mit getufteten Fasern designen“, erklärt Molter.

Dickenmismatch zwischen Stahlverbinder und faserverstärktem Kunststoff (FRP) muss ebenfalls adressiert werden. „Die Neutrale Achse beider Materialien muss ausgerichtet sein“, sagt Molter. „Dies wird typischerweise durch Anfasen der Kante des Stahlverbinders auf 30° erreicht, was effektiv eine Anfasfuge für effiziente Lastübertragung zum FRP schafft.“

Ein standardisiertes Fugen-System entwickeln

Molter verließ CMT und gründete HYCONNECT 2018 zur Kommerzialisierung der FAUSST-Fugentechnologie. Das Unternehmen arbeitete mit verschiedenen Industriepartnern und Regulierungsbehörden an Tests und Iteration von Fugendesigns. Ziel ist eine „Familie“ von FAUSST-Fugenprodukten. „Es gibt eine lineare Zunahme der Tragfähigkeit durch Hinzufügen weiterer FAUSST-Stofflagen“, erklärt Molter. „Ein Basisprodukt könnten vier Lagen FAUSST mit einem 1-m-Flachstahl sein, bewertet für bestimmte Zug- und Biegelast. Dann gäbe es Produkte links davon mit zwei oder drei Lagen für niedrigere Lastwerte, und rechts davon, wie fünf oder sechs Lagen für höhere Lastwerte. Wir finalisieren diese Details noch, aber das Ziel ist ein standardisiertes, einfach zu nutzendes System.“

Die mechanische Charakterisierung der FAUSST-Fugenprodukte läuft noch, aber Molter weist darauf hin, dass sie wettbewerbsfähig mit Klebefugen sind. „Sie erlauben auch 100 % Prüfung per Ultraschall oder Röntgen der Schweißnaht“, fügt er hinzu. Prototypen werden derzeit für ausgewählte Kunden produziert und sollen 2020 skalieren.

Parallel hat HYCONNECT auch Interesse von Automobilunternehmen und Herstellern für Schienenanwendungen. „Es gibt Potenzial, diese Technologie für Metalleinsätze zu nutzen, und wir sehen auch mögliche Anwendungen im Bauwesen“, sagt Molter. „Immer mehr Branchen erkennen den Wert von Hybridstrukturen und die Möglichkeit kurzer Montagezeiten durch vorgefertigte Halbzeuge.“