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HANSA 10-2020

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Schiffstechnik | Ship

Schiffstechnik | Ship Technology Hybride Verbundtechnik für Leichtbau Faserverbundwerkstoffe gelten als Option, um auch in der maritimen Industrie den Leichtbau zu ermöglichen. Die Vorzüge können allerdings noch nicht voll ausgeschöpft werden. Das Forschungsprojekt HyFiVE setzt auf Alternativen zu herkömmlichen Verfahren Ein Grund dafür, dass die Vorzüge noch nicht ausgeschöpft werden können, ist die Komplexität beim Fügen von Strukturen aus Faserverbundwerkstoffen und Metallen. Energieeffizienz ist einer der wesentlichen Aspekte für heutige Transportsysteme. Der Schiffbau zeichnet sich in diesem Bereich besonders aus und entwickelt permanent neue Lösungen im Bereich der Hydrodynamik, Antriebstechnik und vermehrt auch im Leichtbau. Letzterer Aspekt wurde zunächst durch optimierte Konstruktionen, den Einsatz von Aluminium und neue Schweißtechnologien vorangetrieben. Seit der Erweiterung der Regellage in den SOLAS-Vorschriften gibt es aber die Möglichkeit, bei gleicher Risikobewertung auch Nicht-Metalle, also Faserverbundwerkstoffe, vermehrt für schiffbauliche Strukturen einzusetzen. Zusammen mit der Weiterentwicklung von Brandschutzsystemen rücken Faserverbundstrukturen für größere Bauteile zunehmend in den Bereich der Machbarkeit. Allerdings stellt das Fügen solcher Leichtbaustrukturen an die metallischen Bauteile und Decks eine große Herausforderung dar: Hier kommen derzeit Klebstoffe und Bolzen zum Einsatz, um die aus verschiedenen Werkstoffen bestehenden Strukturen miteinander zu verbinden. Was technisch machbar ist, führt in der schiffbaulichen Praxis zu komplexen Prozessen von der Auslegung und Zertifizierung bis hin zur Ausführung und Wartung der Klebestellen. Kleben ist »spezieller Prozess« Besonders die fehlende oder ungenügende Regellage seitens der Klassifikationsgesellschaften gereicht hier zum Problem. Da Klebeverbindungen in der Regel nicht hundertprozentig zerstörungsfrei prüfbar sind, gelten diese als »spezieller Prozess« und bedingen entsprechende qualitätssichernde Prozesse. Die Studie zur Klebetechnologie in der Schiffsfertigung des Deutschen Maritimen Zentrums (DMZ) macht die Komplexität deutlich und zeigt tendenziell auf die Notwendigkeit einer Vereinfachung des Klebens oder einer Alternative dazu, um Leichtbau im Schiffbau zu forcieren. Handhabbare Verbindungen Klebefreie hybride Verbindungsmethoden, welche auch über eine mechanische Hybrider Übergang mit einem technischen Textil Sicherung oder Verbindung zwischen den Strukturen aufweisen, sind weitestgehend im Schiffbau unbekannt. Dabei kommen drei Technologiegruppen für diese Art der Verbindung hier in Frage: Durch eine Modifikation der Oberfläche eines Fügepartners, durch hybride technische Textilien und durch eine Einbettung in die Matrix durch beispielsweise ein Gussverfahren. © Saertex 50 HANSA – International Maritime Journal 10 | 2020

Schiffstechnik | Ship Technology Diese Technologien sind teilweise noch in der Entwicklung oder werden in Bereichen außerhalb des Schiffbaus eingesetzt. Insgesamt zeigen diese Verfahren eine gute Möglichkeit, hybride Verbindungen mit einer inkludierten mechanischen Sicherung herzustellen. Um diese Technologien nun für die maritime Branche verfügbar zu machen, werden die Projektpartner im »HyFiVE«- Projekt diese für maritime Spezifika weiterentwickeln und evaluieren. Dazu gehören neben dem Widerstand gegen statische und dynamische Lasten, Umweltbedingen auch entsprechende Methoden und Modelle zum Entwurf, Auslegung und FEM-Berechnung. Ebenfalls werden verschiede Prozesse zur Herstellung und Integration in Faserverbundstrukturen untersucht, um hier die Anforderungen insbesondere für die Herstellung größerer und kosteneffizienter Strukturen zu evaluieren. Ein weiteres wichtiges Thema ist die Sicherstellung von Brandschutzkonzepten für die hybriden Verbindungen. Hierfür werden im Projekt abschließend mehrere größere Bauteilbrandversuche durchgeführt. Minimierung der Komplexität Kern der Entwicklung für die entstehenden Verbindungselemente ist es die Komplexität zu minimieren, welche etwa unter anderem beim Kleben in Hinblick auf die Auslegung, Zertifizierung und Anwendung auftritt. Daher werden die Verbindungstechnologien im Projekt so entwickelt, dass möglichst Werkstoffe der zu verbindenden Strukturen verwendet werden. Dabei weisen die Verbindungselemente an einer Seite ein Metallprofil auf, welches auch nach der Integration in die Faserverbundstruktur als Saum hervorsteht und zum Fügen durch Schweißen dient. Der übrige Teil der Elemente ist mit entsprechenden Oberflächenmodifikationen oder beispielsweise technischen Textilien besäumt und wird über das Matrixsystem der Faserverbundstruktur im Herstellungsprozess integriert. Das Resultat ist eine schweißbare und mechanisch verbundene Schnittstelle zum Faserverbund, welche zerstörungsfrei prüfbar ist. Durch das Schweißen dieser vorgefertigten Faserverbundstrukturen entfallen auf der Werft entsprechende Prozesse wie das Kleben. Abstract Hybrid composite technology for lightweight construction The use of structures made of fiber composites is considered a good option to enable lightweight construction in shipbuilding. However, the many advantages of composite materials cannot yet be fully exploited. One reason for this is the complexity of joining structures made of fiber composites and metals. The HyFiVE research project therefore focuses on alternatives to conventional processes and aims to make these adhesive-free joining technologies usable for shipbuilding. Die Partner Schema der hybriden Verbindungstechnologien Methode Oberflächenmodifikation zur mechanischen Sicherung des Faserverbundgeleges / -gewerbes durch additives Fügen (Pins) oder Oberflächenstrukturierung Hybride Textile aus metallischen und Verstärkungsfasern zu Einbettung und Übertragung der Lasten Einbetten der FVW-Verstärkungsfasern in Metall (Druckguss, Sintern etc.) Metall Faserverbundwerkstoff Dabei kann das Projekt diese Verfahren entlang der gesamten Kette der Produktentwicklung und Schnittstellen begleiten: Auslegung, Konzeption und Berechnung durch die Partner ar engineers und Hyconnect aus Hamburg, technische Textilien und Fasergelege sowie Brandschutzsysteme durch Fritz Moll Textilwerke aus Altshausen und letzteres insbesondere durch Saertex aus Saerbeck, Herstellung von Faserverbundstrukturen für die maritime Branche und Integration von Verbindungselementen durch Eikboom aus Rostock. Wissenschaftlich werden diese Entwicklungen im Verbund durch die Forschungseinrichtungen begleitet: Das Faserinstitut Bremen für die Untersuchung der Herstellung und des Verhaltens technischer Hybridtextilien, die Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Halle für die Oberflächenmodifikation durch additives Fügen und die Verbindung der hybriden technischen Textile, sowie das Kunststoff-Zentrum SKZ aus Halle für die Entwicklung der Prozesse zur Integration über verschiedene Herstellungsprozesse für Faserverbundstrukturen wie Vakuuminfusion und RTM. Schema Mit der Einbindung der Klassifikationsgesellschaft Bureau Veritas als projektbegleitender Partner, wie auch mehrerer Werften, wird eine gezielte Entwicklung zum Einsatz im maritimen Bereich angestrebt. Auch wenn Faserverbundstrukturen auf SOLAS-Schiffen eine Herausforderung sind, so können Lücken geschlossen werden, welche unter anderem die Zertifizierung und Anwendung von Klebungen mit sich bringen. Autor: Lars Molter, Hyconnect GmbH © HyFiVE HANSA – International Maritime Journal 10 | 2020 51

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