Herausforderungen beim Schiff-Leichtbau mit Composite-Materialien überwinden

Glas- und Carbonfaser-verstärkte Polymer-Composites (GFRP und CFRP) werden seit Jahrzehnten für Marinefahrzeuge genutzt, einschließlich zahlreicher 40- bis 60-Meter-Minenjäger und sogar größerer Schiffe wie der 72 Meter langen Visby-Klasse-Korvette der schwedischen Marine und der 75 Meter langen Segelyacht Mirabella V. Der 141 Meter lange Motoryacht Swift 141 (umbenannt in Yas) ist eine niederländische Stahlfregatte, die mit GFRP/CFRP in Unterdeck-Sohlen und dreistöckigem Aufbau (siehe „From frigate to luxury gigayacht“) umgebaut wurde, einschließlich einer Composite-Stahl-Deck-Verbindung.

Und doch werden Composites im Schiffbau selten eingesetzt. Dies liegt hauptsächlich an den Safety Of Life At Sea (SOLAS) Vorschriften der International Maritime Organization (IMO, London, UK), die vorschrieben, dass Handelsschiffe aus Stahl gebaut werden müssen, bis 2002 MSC/Circ. 1002 alternative Designs erlaubte.

„Die Vorschrift verlangt eine Risikoanalyse, die zeigt, dass alternatives Design und Bauweise Stahl gleichwertig sind“, erklärt Stéphane Paboeuf, Leiter der Composite-Materialien-Sektion der Klassifikationsgesellschaft Bureau Veritas (BV, Nantes, Frankreich). „Dieser Prozess ist lang, teuer und die finale Entscheidung könnte dennoch negativ ausfallen.“ Obwohl Composites viele Vorteile für den Schiffbau bieten, haben Brandschutz- und Regulierungsherausforderungen Barrieren für den Einsatz geschaffen.

Gleichzeitig suchen Reeder, Betreiber und Werften Lösungen für verbesserte Nachhaltigkeit, einschließlich Gewichtsreduzierung zur Senkung von Treibstoffverbrauch, Treibhausgasemissionen und Schiffs-Tiefgang – letztere für flache Binnengewässer. Die inhärente Korrosionsbeständigkeit von Composites zur Wartungsreduzierung ist ebenfalls attraktiv.

2017 veröffentlichte IMO MSC.1/Circ., neue Richtlinien für FRP-Composites in Handelsschiffen. Da IMO's Evaluierung dieser Richtlinien 2025 ansteht, findet erstaunlich viel Aktivität statt. Zwei europäische Konsortien, FIBRESHIP und RAMSSES, unterstützt vom 378-Mitglieder starken European network for Lightweight Applications at Sea (E-LASS), leiten diese Welle von Demonstrationsprojekten, die Composite-Decks, Ruder, Rümpfe, modulare Kabinen und Aufbauten, Reparatur-Patches an Stahl und Composite-Stahl-Schweißverbindungen umfassen. Gemeinsam zielen sie darauf ab, Barrieren für leichten Composite-Schiffbau zu überwinden, indem sie nicht nur Feuer- und Strukturperformance großer Strukturen und ganzer Schiffe demonstrieren, sondern auch neue Zertifizierungswege und Produktionsmethoden, neue Füge-Technologien und Design-Tools entwickeln. Sie teilen auch Informationen über laufende Workshops, Wissensdatenbanken und Material-/Design-Datenbanken. Ein neuer Markt für Marine-Composites könnte sich öffnen, aber welche Lösungen wird er erfordern?

FIBRESHIP und RAMSSES

FIBRESHIP und RAMSSES starteten im Juni 2017, finanziert durch das EU-Horizon-2020-Programm. FIBRESHIP hat 18 Mitglieder und läuft bis Mai 2020, RAMSSES hat 36 Mitglieder und endet im Mai 2021. Beide umfassen Unternehmen aus der gesamten Lieferkette: F&E-Zentren, Universitäten, Material- und Technologielieferanten, Teilefertiger, Schiffsarchitektur- und Ingenieurbüros, Werften, Reeder und Klassifikationsgesellschaften. Letztere sind verantwortlich für die Entwicklung spezifischer Regeln für individuelle Schiffsbauten basierend auf IMO's allgemeinen Richtlinien. Sie werden von Flaggenstaaten (jedes Schiff führt eine Landesflagge) autorisiert, Schiffsbau zu auditieren und Einhaltung dieser Regeln sicherzustellen. „Es ist wichtig, dass alle Stakeholder und Endnutzer involviert sind“, sagt Alfonso Jurado, Leiter R&D bei Tecnicas y Servicios de Ingeniería (TSI, Madrid, Spanien) und FIBRESHIP-Projektkoordinator.

„FIBRESHIPs Hauptziel ist die Entwicklung von Design- und Produktionskapazitäten für große Marineschiffe (über 50 Meter Länge) mit weniger Gewicht“, fährt Jurado fort. „Das ist auch die Hauptmotivation für mein Unternehmen.“ TSI designt die Composite-Struktur eines 85 Meter LOA (Length Overall) Fischereiforschungsschiffs (FRV), das als Demonstrator dient und bisher fast 70 % Reduktion des Strukturgewichts gegenüber dem Stahl-Referenzschiff erreicht. „Das ist erstaunlich und bietet die reale Möglichkeit, der Schifffahrt zu helfen“, sagt er. Ein 20-Tonnen-Abschnitt dieses FRV, 11 × 11 × 8,6 Meter messend (siehe Titelbild), wurde von Partner iXblue-Werft in La Ciotat, Frankreich, gebaut und auf FIBRESHIPs zweitem öffentlichem Workshop im Juni 2019 ausgestellt (siehe News-Posting mit Video der Demonstrator-Fertigung).

Jurado erklärt, dass der FRV der erste von drei allgemeinen Composite-Schiff-Fällen ist, die FIBRESHIP entwickelt. Die nächsten beiden sind 260 Meter LOA Containerschiffe und 204 Meter ROPAX, letztere kombinierend Frachtkapazität eines RoRo-Schiffs mit Passagiereinrichtungen einer Fähre. „Der FRV wurde als Demonstrator gewählt, weil er kleiner mit konventionellerer Meeresstruktur ist und somit am ehesten in naher Zukunft gebaut werden kann“, sagt er. „Reeder haben auch echtes Interesse an einem solchen Schiff gezeigt.“ Währenddessen verfolgt RAMSSES 13 Demonstratoren, 10 davon mit Composites, und strebt auch ein All-Composite-Schiff an.

Jurado merkt an, dass teilnehmende Unternehmen das Potenzial solcher neuartigen Designs und Leichtbauprodukte für Wettbewerbsvorteile ihrer Unternehmen und der jeweiligen Schifffahrtsindustrie sehen. Aber Fortschritt wird nicht allein durch große Demonstratoren gesichert. „Wir brauchen auch Unterstützung von Regulierungsbehörden“, fügt er hinzu. „Ein erster Schritt ist, IMO einzubinden und die aktuelle SOLAS-Regulierung an neue Anforderungen und Forderungen der Schifffahrtsindustrie anzupassen. Ohne dies können wir nicht vorankommen, weil Versicherungen faserverstärkte Composite-Schiffe nicht versichern, wenn sie Mindestanforderungen und Sicherheitszertifizierung nicht erfüllen.“

Vorgeschlagener Fast Track to Approval (FTA) Ansatz für Zertifizierung von Composites in Handelsschiffen, entwickelt im RAMSSES-Projekt, präsentiert während des Juni 2019 E-LASS Seminars (Vigo, Spanien). Quelle: RAMSSES und Stephane Paboeuf, Bureau Veritas

„FIBRESHIP verfolgt einen langfristigen Ansatz durch Entwicklung neuer Regeln, während RAMSSES einen kurzfristigen Ansatz durch Nutzung bestehender Regeln und Methoden verfolgt“, erklärt Paboeuf bei BV, der einzigen Klassifikationsgesellschaft in RAMSSES und einer von drei in FIBRESHIP neben Lloyd's Register (London, UK) und RINA (Genua, Italien). „In RAMSSES entwickeln wir ein Fast Track to Approval (FTA) Verfahren basierend auf Wiederverwendung von Projektdaten zur Standardisierung von Tests und Bereitstellung von Leitlinien für Design und Zulassung.“ Dieses Verfahren soll einfach und leicht lesbar für Werften, Schiffsarchitekten und Lieferanten sein. Beschleunigung gegenüber dem aktuellen Prozess kommt durch in RAMSSES-Demonstrationsprojekten entwickelte Unterstützungen, einschließlich:

• eine Datenbank vorab genehmigter Lösungen und Materialtestergebnisse zur Vermeidung repetitiver Tests,
• Brandszenarien, die eine Reihe ähnlicher Anwendungen abdecken, um Anzahl und Umfang von Risikobewertungen zu begrenzen, und
• Analyse- und Modellierungstools, einschließlich numerischer oder statistischer Modelle, die physisches Testen künftig ersetzen könnten.

„In FIBRESHIP arbeiten wir mit Lloyd's Register und RINA an der Entwicklung präskriptiver Regeln speziell für große Schiffe aus Composites“, fährt Paboeuf fort. „Für strukturelle Performance definieren wir neue Sicherheitskoeffizienten für lokale und globale Lasten.“ RAMSSES und FIBRESHIP schlagen auch vor, die aktuellen Feuerwiderstandsklassen wie A60, B30 und B15 durch eine neue Konvention REIxx zu ersetzen, wobei R Feuerwiderstand (Tragfähigkeit im Brand), E Integrität (Verhinderung von Rauch- und Flammenausbreitung) und I Feuerisolation definiert. „Ziel ist es, strukturelle Feuerwiderstandsklassen besser an die verwendeten Composite-Materialien anzupassen“, erklärt Paboeuf.

Zusätzlich befassen sich beide Projekte mit Risikobewertungen durch Flammenausbreitung, Rauchentwicklung und Brandrisiko im Entstehungsraum, aber auch auf Schiffs-Global-Sicherheitslevel. „Für Brandperformance entwickeln wir einen lokalen Gleichwertigkeitsansatz, der Brandsicherheit auf lokaler Ebene basierend auf Feuerwiderstandsklassen von Schotten und anderen strukturellen Trennungen in jedem Schiffsraum behandelt“, sagt Paboeuf. „Der zweite Ansatz, globale Gleichwertigkeit, behandelt Brand auf Schiffs-Ebene, unter Berücksichtigung aller Systeme (aktiver und passiver Brandschutz, Detektion, Evakuierung etc.), die die Brandsicherheit des Schiffs als Ganzes beeinflussen, nicht nur jeden getrennten Raum.“

„Breitere Adoption von Composites im Schiffbau wird schrittweise erfolgen“, sagt er. „Sie beginnt mit kleinen Teilen wie Decks und Aufbauten oder Ausrüstung wie Wellenanlagen und Propellern, bevor sie zum Bau ganzer Schiffe fortschreitet, die zunächst meist Spezialschiffe wie Forschungs- und Seismik-Schiffe und Hochgeschwindigkeits-Patrouillenboote sein werden.“

Abb. 1 RAMSSES 80-Meter-Composite-Schiff
Damen Shipyard (DSNS) entwickelt ein All-Composite-Offshore-Patrouillen-Typ-Schiff im RAMSSES-Projekt. Sein 6 × 6 × 3 Meter vollskaliger Rumpfsektions-Demonstrator wird 2020 mittels Resininfusion in Zusammenarbeit mit InfraCore Company (ICC) und Airborne International (AIR) gebaut. Quelle: Damen Shipyard und RAMSSES

All-Composite-Schiff-Demonstratoren

Zusätzlich zum 85-Meter-FRV von FIBRESHIP wird in RAMSSES ein 80 Meter langes Offshore-Patrouillen-Typ-Schiff als erstes All-Composite-SOLAS-Schiff entwickelt. Geleitet von Damen Shipyard Group (Gorinchem, Niederlande), führt diese Arbeit Ergebnisse des 2014 gestarteten Bluenose-Projekts fort. Innerhalb von RAMSSES Arbeitspaket 17 leitet Damen die Demonstration einer 6 × 6 × 3 Meter vollskaligen Composite-Rumpfsektion dieses Schiffs mittels Vakuuminfusion, erklärt Matthias Krause, R&D-Ingenieur am Center of Maritime Technologies (CMT, Hamburg) und Co-Koordinator des RAMSSES-Projekts zusammen mit CETENA (Genua, Italien). „Evonik hat ein neuartiges Harz für diesen Demonstrator-Rumpfsektion entwickelt und 6 Meter hohes Werkzeug gefertigt. Damen arbeitet auch mit Airborne International (Den Haag, Niederlande), einem Luftfahrt-Zulieferer, der auch große infundierte Strukturen gebaut hat.“ Evonik (Essen, Deutschland) erklärte seine Rolle zur Verbesserung von Schlagfestigkeit und Ermüdungsverhalten des Glasfaser/Vinylester-infundierten Rumpfs.

Ein weiterer Partner in diesem Demonstrator ist InfraCore Co. (Rotterdam, Niederlande), das neue Anwendungen für die InfraCore-Technologie entwickelt, die von Schwesterunternehmen FiberCore Europe (Rotterdam) in über 1.000 Composite-Brücken und Schleusentoren weltweit eingesetzt wird. „Wir traten ursprünglich bei, um ein 12- bis 14-Tonnen-Hubschrauberdeck zu bauen“, erklärt InfraCore Operations Manager Laurent Morel. „Wir arbeiten jetzt mit ihnen an Decks, Schotten und Rumpfstruktur. Wir nutzen sowohl horizontale als auch vertikale Infusion, um die Rumpfsektion in einem Shot zu produzieren. Bisher haben wir bis 9,8 Meter Höhe infundiert.“ Nach Fertigstellung wird dieser Demonstrator auf Struktur- und Brandperformance getestet, Ergebnisse und Lessons Learned fließen in RAMSSES' neue FTA-Module ein.

Leichte Decks

Composites wurden bereits im ersten RoRo-Autotransporter mit Composite-Ladedeck demonstriert, designed und gebaut von Uljanik Group (Pula, Kroatien) als Teil von RAMSSES Arbeitspaket 14 (siehe „Low weight on the high seas“), sowie einem leichten Sonnendeck für ein 110 Meter langes Flusskreuzfahrtschiff (siehe „Composite deck reduces river ship draft“) und einem Composite-Zwischendeck für ein 200 Meter langes General-Cargo-Schiff. „Ein Zwischendeck ist ein entnehmbares Deck, das man installieren kann, um den Laderaum für verschiedene Frachttypen zu unterteilen“, erklärt Arnt Frode Brevik, Manager bei Compocean (Sandvika, Norwegen), einem Composite-Lösungsanbieter, der aus der Öl- und Gasindustrie hervorging.

„Wir arbeiten seit mehreren Jahren mit Oshima Shipbuilding (Nagasaki, Japan) und DNV GL an der Entwicklung eines leichten Zwischendecks mit dem Ziel, Gewicht um 50 % gegenüber Stahl zu reduzieren“, sagt Brevik. Dies resultierte in einem 9 × 2 Meter GRP-Prototyp, der auf Schlag und Maximallasten getestet und auf der NOR-Shipping 2017 ausgestellt wurde.

Compocean hat diese Entwicklung nun auf ein neues Projekt mit Oshima, DNV GL und Reeder Masterbulk Pte Ltd. (Singapur) ausgeweitet, um einen vollskaligen 27 × 12 Meter Prototyp-Composite-Zwischendeck zu bauen, der nächstes Jahr installiert und bis Ende 2021 getestet wird.

„Oshima suchte Optimierung zur Reduzierung von Treibstoff- und Handhabungskosten“, sagt Brevik. „Obwohl es nicht viele Zwischendecks pro Schiff gibt, ist es ein einfacher Teil, um mit neuen Materialien zu beginnen, weil er nicht Teil der primären Schiffsstruktur ist.“ Das Design basiert auf einem polyester-infundierten Glasfaser-Platten mit Hut-Profil-Steifen darunter. „Wir nutzen eine Mischung aus ±45-Grad, 0-Grad und 0-Grad/90-Grad-Layup für alle Teile, aber in unterschiedlichen Verhältnissen. Die Deckstruktur muss auch viele Verzurrpunkte zur Ladungssicherung integrieren.“ Die Platte wird strukturell an die Hut-Profile geklebt, während Bolzen in Kombination mit dem Verzurrsystem genutzt werden. Ein angeschraubtes Stahl-Endbracket verbindet das Composite mit der Stahl-Schiffsstruktur. „Wir werden auch ein Design mit rein klebenden Verbindungen in Zukunft verfolgen“, fügt Brevik hinzu.

Abb. 2 Composite Zwischendeck
Oshima Shipbuildings neues 65k Open-Hatch-General-Cargo-Carrier-Design wird Compoceans Prototyp-Composite-Zwischendeck nutzen, das 50 % Gewicht vs. Stahl spart und aus multiple infundierten FRP-Hut-Steifen (Inset) besteht, die an eine FRP-Deckplatte geklebt sind mit bolted Verbindungen vom Composite zur Stahl-Schiffsstruktur. Quelle: Compocean und DNV GL

Nach Erhalt finaler Zulassung von DNV GL für das vollskalige Zwischendeck-Design hat Compocean die Formen produziert und Fertigungstests gestartet. „Das vollskalige Composite-Deck wird von einem Partner in Malaysia gebaut, der es per Barge zum Schiff transportiert“, sagt Brevik. Der nächste Schritt ist, auf deutlich mehr Gewichtsreduzierung zu zielen, zum Beispiel Composite-Lukendeckel auf Laderaumöffnungen (Flachplatten auf grünen „Boxen“ in Schiffsrendering oben). „Es gibt sieben große Lukendeckel auf diesem Carriertyp“, merkt er an. „Diese von DNV GL genehmigt zu bekommen, wird neue Herausforderungen stellen, aber Erfolg beim Zwischendeck wird helfen.“

Leichte Aufbauten, modulare Kabinen

RAMSSES hat sechs Arbeitspakete fokussiert auf Composite-Aufbauten und Komponenten oberhalb des Hauptdecks, die meisten mit Demonstratoren und Testergebnissen, die 2020 präsentiert werden. Arbeitspaket 16, geleitet von Naval Group (Paris, Frankreich), demonstriert ein leichtes Composite-Aufbaumodul, verbunden mit einem Stahl-Deck. Der Land-Demonstrator repräsentiert einen Standardblock für ein Offshore-Patrouillen-Typ-Schiff. „Schiffsbau in metallischen Materialien basiert auf Blockbauweise zur Zeit- und Kostensenkung“, erklärt Jurado. „Solche Blöcke mit Composites zu bauen, wirft Fragen zu großen Formen sowie Füge-Techniken und Verbindungs-Sicherheitsanforderungen auf. FIBRESHIP hat dies untersucht und Empfehlungen zur Verbindung composite-basierter Blöcke entwickelt, einschließlich Montagesequenz.“ In RAMSSES hat Naval Group drei Sandwich-Strukturtypen untersucht: GF/Polyester/Balsa-Kern, FR Epoxid/PET-Schaumkern und GF/Polyester/3D-faserverstärkter Schaumkern. Es entwickelt auch ein Structural Health Monitoring (SHM) System innerhalb der Verbindung und Composite-Paneele.

Arbeitspaket 18, geleitet von Chantiers de l'Atlantique (Saint Nazaire, Frankreich), entwickelt eine modularisierte Lösung für Passagierkabinen. „Diese kommen typischerweise ohne Boden, weil sie auf das Stahl-Deck des Schiffs geschweißt werden“, sagt Krause. „Die Idee ist, sie aus Composites zu fertigen, vorkonfektioniert mit allen Auxiliärsystemen wie Heizung und Luft, Elektrik etc. Durch einen Composite-Boden könnten diese in ein Stahl-Framework eingeschoben werden (wie eine Schublade) statt auf ein massives Stahl-Deck geschweißt zu werden, was viel Gewicht spart.“ Obwohl das Projekt Composites zur Reduzierung von Produktions- und Montagezeit für Wände, Decken und Badezimmereinheiten bewertet, sind Composite-Böden ein Hauptfokus, da der Austausch des Stahl-Decks geschätzte 125 kg/m² einspart. Hutchinson (Paris, Frankreich) schlug sein ZALTEX Mineralfaser-verstärktes Composite-Schaum vor, das Temperaturen von -190 °C bis 1.000 °C widersteht.

Arbeitspaket 13, geleitet von Kreuzfahrtschiffbauer Meyer Werft (Papenburg, Deutschland), zielt ebenfalls auf effiziente Montageprozesse ab, jedoch fokussiert auf Schotten. Das Ziel ist zwei Demonstratoren – einer an Land, einer offshore (Seetrial) – wo Composite-Wände an Stahlrahmenstrukturen angeschlossen und dann 80 mechanischen Tests unterzogen werden. Projektpartner InfraCore hat Analysen durchgeführt, um Anforderungen für Wärme- und Schalldämmung, Eigenfrequenz (Vibration), Verformung und maximale Breite und Höhe für Composite-Wände zu definieren. „Wir wurden gebeten, multifunktionale Innen- und Außenwände zu entwickeln“, erklärt Morel bei InfraCore. „Um Zeit, Kosten und Gewicht zu sparen, müssen wir Dämmung und gute Innenausstattung mit dem leichten Strukturpanel integrieren. Es gibt bis zu 6.800 m² dieser Wände auf jedem Kreuzfahrtschiff. Wir haben eine Öffnung, diese Mitte 2020 an Bord eines Kreuzfahrtschiffs zu bringen, was die ersten SOLAS-zugelassenen Composite-Wände auf einem Kreuzfahrtschiff weltweit sein könnten.“

In Arbeitspaket 10 entwickelt Podcomp (Öjebyn, Schweden) ein alternatives Indoor/Outdoor-Panel mit bio-basierten Composites, das feuerhemmend und wettbewerbsfähig im Preis sein muss. Drei Sandwich-Konzepte basierend auf GF/Polyfurfurylalkohol (PFA) Prepreg von Composites Evolution (Chesterfield, UK) und verschiedenen Kernmaterialien wurden untersucht. Nur ein Konzept bestand Konus-Kalorimeter- und andere Brandtests des RISE Research Institutes of Sweden (Borås). Es wird nun für Gewicht und Kosten optimiert.

Nach Versuchen mit Aluminium und Reibschweißen geht Baltic Workboats (Nasva, Estland) nun mit Composites voran, um vorkonfektionierte, versteifte Paneele für Deckhaus/Aufbau von Aluminium-Arbeitsbooten zu entwickeln (Arbeitspaket 15). Paneeldesign, Verbindung mit anderen Paneelen und zum Rest der Deckhausstruktur, Strukturanalyseverfahren und Isolationslösung werden demonstriert, ebenso wie Bord-Installationstechniken.

Eine weitere Lösung für leichte Aufbauten wird von BaltiCo (Hohen Luckow, Deutschland), einem Schiffsausrüster mit neuem Startup für komplette Boote mittels Roboter-platzierter Carbonfaser um Tragstruktur, entwickelt. „Man baut das Skelett der gewünschten Struktur, platziert GFRP-Querstruktur oder Rippen etwa alle halbe Meter, und ein Roboter wickelt Carbonfaser darum“, erklärt Krause. Ziel ist ein ultraleichtes modulares System mit hochautomatisiertem Prozess. Demonstration umfasst Produktion und Montage zweier selbsttragender Rumpf- und Deck-Module in einem nicht-SOLAS leichten Solar-Katamaran.

Geschweißte FRP-Stahl-Verbindungen

„Wir glauben, die Zukunft des Schiffsbaus liegt in der Kombination von FRP-Composites, Stahl und anderen Materialien zu Hybridstrukturen“, sagt Dr. Lars Molter, 10-Jahres-Veteran bei CMT. „Wir schauten auf Kleben, aber es gibt kein standardisiertes Verbindungsdesign für alle Schiffe und keine allgemeinen Regeln für Kleben in SOLAS-Schiffen. Auch muss man Umgebung und Klebeprozess kontrollieren.“ Er merkt an, dass dies mitten im Schweißen und Schneiden, das typischerweise Werftbau dominiert, schwierig ist. „Wir fragten DNV GL, was sie für Dissimilar-Material-Verbindungen zulassen würden“, sagt Molter. „Sie sagten, Primärstruktur erfordere typischerweise mechanische Befestigung; reines Kleben würde nicht einfach zertifiziert ohne redundante Befestigungen.“

Molter und CMT reagierten mit dem deutsch geförderten FAUSST (Fiber and Steel Standard joint) Projekt, das ein hybrides Gewirk entwickelte, das von 100 % Glasfasern zu 100 % Stahlfasern übergeht. Letztere wird an einen Stahl-Connector (z. B. Flachplatte, Rechteckprofil etc.) pressgeschweißt, der dann einfach in die Stahl-Schiffsstruktur eingeschweißt werden kann (Abb. 3). Das Glasfaser-Ende wird mittels Resininfusion an die Composite-Struktur angeschlossen. „Dieses Verbindungsdesign bietet 100 % ZfP-Prüfung, weil man UT (Ultraschall) oder Röntgen auf der Schweißnaht nutzen kann“, sagt Molter. FAUSST führte mechanische, Umgebungs- und Ermüdungstests an dieser Verbindungsart durch und erhielt auch eine Prinzipielle Zulassung von Klassifikationsgesellschaften, aber es war noch viel Arbeit, die Technologie in ein kommerzielles Produkt zu überführen. So verließ Molter CMT und gründete 2018 HYCONNECT GmbH (Hamburg, Deutschland).

Abb. 3 HYCONNECT geschweißte Stahl-FRP-Verbindung
FAUSST hybrides Stahl-Glasfaser-Gewirk (oben links) wird an eine Stahlplatte oder anderen Connector (oben rechts) pressgeschweißt und kann dann mittels Resininfusion in eine Composite-Struktur integriert werden (unten links). Solche Hybrid-Composite-Strukturen werden dann einfach in Stahl-Schiffsrahmen eingeschweißt (unten rechts).
Quelle: HYCONNECT

„Wir haben mit Werften, DNV GL und BV gesprochen und entwickeln ein Produkt, das zertifiziert werden kann“, sagt Molter. „Man bestellt einfach seine Composite-Teile mit diesem Verbindungssystem und kann sie dann in sein Schiff einschweißen. Das ist unsere Vision. Wir designen die Composite-Stahl-Verbindung und liefern dann ein Produkt, das Gewirk an einen Stahl-Connector (Platte, Profil etc.) geschweißt hat.“

Er erklärt, dass Verbindungsdesign und Gewirk in einem Stufensystem zertifiziert werden: „Durch Aufbringen weiterer FAUSST-Gewirk-Lagen steigt die Tragfähigkeit linear.“ Zum Beispiel könnte das Basisprodukt vier Lagen FAUSST mit 1 Meter Flachstahl sein, bewertet für bestimmte Zug- und Biegelasten. Dann gäbe es Produkte links (z. B. zwei-drei Lagen gesamt für niedrigere Lastbewertung) und rechts (z. B. sechs Lagen gesamt für höhere Lastbewertung). „Wir finalisieren diese Details noch, aber das Ziel ist ein standardisiertes, einfach zu nutzendes System“, merkt Molter an.

HYCONNECT hat die Gewirk-Technologie angepasst, um den Unterschied in Steifigkeit und thermischem Ausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen Stahl und Composites zu handhaben; die Nutzung von Gewirkfasern für mechanisches Verklinken mit unidirektionalen Fasern für Lastübertragung durch die Verbindung; und die Technik für hochwertiges Pressschweißen der Stahlfasern zum Stahl-Connector (siehe „Connecting composites to steel“). „Diese Lösung basiert auf kontinuierlichem Testen“, sagt Molter. „Weil FAUSST aus standardisierten, vorgefertigten Sub-Produkten besteht, kann es schnell, innerhalb von Tagen, geliefert werden.“ Prototypen werden aktuell für ausgewählte Kunden produziert, und HYCONNECT startet 2020 die Vollproduktion.

Composite-Ruder

Schiffsruder werden auch als FRP-Stahl-Hybride entwickelt. Als Teil von RAMSSES Arbeitspaket 12 demonstriert Becker Marine Systems (BMS, Hamburg, Deutschland) ein leichtes Composite-Klappenruder für ein Stahl-Ruder, designed für große Containerschiffe. Solche Ruder wiegen typischerweise über 200 Tonnen, sagt Jörg Mehldau, Leiter R&D bei BMS. „Durch Hinzufügen einer scharnierten Achterklappe kann man die Ruderfläche signifikant reduzieren.“ BMS pionierte dieses Klappenruder, das den Wendekreis dramatisch reduziert und Kurshaltung und Manövrierfähigkeit verbessert, was Anlegen ohne Schlepperhilfe ermöglicht. Eine Composite-Klappe reduziert nicht nur Gewicht, sondern ermöglicht auch funktionalere Formen sowie hydrodynamisch und lastoptimierte Designs.

Abb. 4 Composite Ruderklappe
Becker Marine Systems arbeitet mit InfraCore an einer leichten, resin-infundierten Ruderklappe für größte Containerschiffe. 11,8 Meter lang, 0,9 Meter breit, 2,9 Meter Sehne, die vollskalige Klappe muss 100 t/m² Last standhalten. 2-Meter-Demo wird Q2 2020 getestet. Quelle: Becker Marine Systems

„Die Composite-Klappe, die wir entwickeln, wurde von der Luftfahrtindustrie inspiriert“, merkt Mehldau an. Für RAMSSES ist der vollskalige Testfall auf eines der größten Containerschiffe (≈400 Meter lang) gerichtet, eine Klappe 11,8 Meter lang, 0,9 Meter breit, Sehne 2,9 Meter (siehe Abb. 4). „Wir berechneten die Kräfte auf dieses Ruder und die Klappe mit Formeln basierend auf DNV GL Regeln für diesen Schiffs-Typ, Gewicht und Höchstgeschwindigkeit“, sagt Mehldau. BMS führte vorläufiges Design und Engineering-Analyse sowie Trade-Studies für Fertigbarkeit und Kosten durch. „Wir favorisierten zunächst Filament-Winding, aber es war zu teuer“, merkt er an. „Für jeden neuen Schiffsrumpf ist das Ruder ein Einzeldesign.“ Daher wurde Resininfusion gewählt, sowie ein alternatives Design von InfraCore. „Es war das Beste für Produktionsflexibilität, Kosten und strukturelle Performance kombiniert“, erklärt Mehldau.

„Für mich war das ein natürlicher Fit für InfraCore, weil die Composite-Schleusentore, die wir gebaut haben, sehr ähnlich sind“, sagt Morel. Er merkt an, dass Containerschiff-Ruder Lasten von ca. 100 Tonnen pro Quadratmeter bei 150 Quadratmetern Fläche standhalten müssen. Das passt gut zu InfraCores Infusions-Technologie, genutzt in Brückendecks bis 142 Meter Spannweite. Statt hochdichten Strukturkerns an Deckschichten zu kleben, nutzt InfraCore niedrigdichten Schaumkern nur als permanente Schalung für multiple Z-förmige, zweiflügelige Stegstrukturen. Diese werden überlappt, mit Multiaxialgeweben beleg und ko-infundiert zu robuster Konstruktion. InfraCore baut einen 1:6 Maßstab-Demonstrator mit Glasfaser und Polyesterharz, bereits von DNV GL zertifiziert, um Kosten niedrig zu halten.

Morel merkt an, dass die gewichtsreduzierte InfraCore-Composite-Klappe kosteneffizient ist, „weil Stahl-Schiffsruder ziemlich kompliziert zu fertigen sind.“ Mehldau stimmt zu: „Zusammen mit weniger Wartung und operativen Kostenvorteilen sehen wir einen erfolgreichen Business Case.“ Der 2-Meter-Demonstrator wird bis Q2 2020 fertig, gefolgt von Tests.

„Wir testen dies mit Laborprüfstand und Luftkissen, die bis 8 bar Druck anlegen können, gleichwertig zu mindestens 80 MPa Last“, sagt Mehldau. „Wir messen Dehnungen und Verformungen zur Verifikation unserer Simulationen und führen Bruchlasttest durch.“ Ein Labormaßstab-Demonstrator wird auch via Seetests auf einem Forschungsschiff in der Elbe durch CETENA (Genua, Italien) getestet, das als Projektkoordinator für RAMSSES neben CMT dient.

Vorwärtsdynamik

„Die Aussichten für Composites in Schiffen sind gut, weil viele Marine-Sektoren-Stakeholder Interesse an FIBRESHIP, RAMSSES und anderen Projekten gezeigt haben“, sagt Jurado. „Die größten Herausforderungen sind Bedarf an neuen Regulierungen, Brandschutzaspekte, Klebetechniken und Reduzierung von Schiffsbaukosten.“ Für letztere nennt er automatisierte Fertigung in Werften als Schlüsselfrage sowie Formenbau und Composite-Materialbeschaffung und -lagerung. „Composites wachsen bereits in Schiffen“, sagt Krause bei CMT, „aber wir begannen diese Arbeit vor 20 Jahren, also ist es ein langsamer Prozess. Doch jetzt haben wir diese kritische Masse und die Industrie ist vernetzter via E-LASS.“

Jörg Bünker, Leiter R&D, Application Service für SAERTEX LEO FR Produkte bei SAERTEX (Saerbeck, Deutschland), stimmt zu: „Die Treiber für Gewichtsreduzierung verstärken sich. In den nächsten fünf bis sieben Jahren werden mehr Composite-Materialien in Schiffe verkauft. Das ist der richtige Zeitpunkt für mehr Projekte, weil IMO dieses Interesse und die Anstrengungen der Industrie sehen muss. Lieferanten müssen neue Lösungen zeigen und Werften müssen zeigen, wo Composites eingesetzt werden können, aber niemand kann es allein.“