Een fascinerende blik op een marien ontwerp - drie decennia geleden

Gougeon Brothers Inc. (Bay City, MI, VS) stuurde onlangs een interessant persbericht over een 28-jarige catamaran die nog steeds snelheidsrecords vestigt en veel nieuwere vaartuigen verslaat. Incognito is een composiet catamaran die werd vervaardigd door Gougeon Manufacturing in 1990. Russell Brown uit Port Townsend, WA, racete in zijn eentje met het 28 jaar oude schip, een G32, in de slopende R2AK (Race to Alaska). In de kwalificatie etappe van Port Townsend WA naar Victoria, BC eindigde hij 40 minuten voorsprong op de rest van de vloot. Hij leidde de race vervolgens drie dagen en was de eerste solo-finisher voor het tweede jaar op rij, waarmee hij meer dan 24 uur van zijn recordwinst van 2017 afsloeg, aan boord van dezelfde boot.

Dus ik was verrast toen ik op de Gougeon-website een lang en gedetailleerd ontwikkelings-, ontwerp- en constructiedocument (laatste update:1996) aantrof dat het nauwgezette proces beschrijft dat Meade en Jan Gougeon hebben uitgevoerd om die snelle G32-catamaran te maken, wat waarschijnlijk de oorzaak is van zijn succes 28 jaar later. Ik heb secties geleend, hieronder, en je kunt het document hier in zijn geheel lezen:http://www.gougeon.com/prosetepoxy/G-32/welcome.html .

“Toen we in 1990 besloten om onze fabriek voor de productie van windbladen te heropenen, die drie jaar niet heeft gestaan ​​als gevolg van de dramatische crash van de windindustrie in 1986, accepteerden we dat de windindustrie nog lang niet haar oude gezondheid terug had. We moesten de overhead van de fabriek delen met een tweede product totdat de windindustrie weer op het oude niveau was. Naast windbladen zijn we begonnen met de productie van een unieke, trailerbare catamaran van 32', de 'G-32'. Mijn broer Jan en ik hadden lang gedacht dat er een grote markt zou zijn voor een lichtgewicht catamaran die snel en leuk was. om te zeilen, had weekendaccommodaties voor 2 of 3 en was geprijsd onder $ 35.000. We waren niet van plan een grote productie te realiseren; als we er twee per week zouden kunnen bouwen, zouden we onze financiële doelen kunnen bereiken, drie per week zou winstgevend zijn."

“De G-32 is zo ontworpen dat de hele structuur in twee grote mallen kan worden gebouwd, een bovenste en een onderste, die in één grote verlijmingsoperatie op de middellijn zouden worden samengevoegd. Dit maakte een minimale investering in gereedschappen en matrijzen mogelijk, waardoor productie in kleine hoeveelheden financieel haalbaar werd. De grootste ontwerpuitdaging was om de G-32 licht genoeg te bouwen om door een middelgrote auto te worden getrokken. Om dit te bereiken, mocht het gecombineerde gewicht van de boot en de trailer niet hoger zijn dan 2.200 lbs. Onze benadering van dit probleem was gericht op twee gebieden; eerst hebben we zoveel mogelijk onnodig gewicht buiten de boot ontworpen. We hebben het oppervlak tot een minimum beperkt en de constructie zorgvuldig ontworpen om de verwachte belastingen op te vangen. Zo deed de cabine dienst als grote koppelkast om de nodige torsieweerstand tussen de twee rompen te geven. Ten tweede gebruikten we de lichtste constructietechnologie die we ons konden veroorloven binnen onze kostendoelstellingen. We konden niet meer dan $10/lb uitgeven. voor gegoten schelpen, en deze mochten niet meer wegen dan 800 lbs. totaal.

“We hebben vele jaren ervaring met het bouwen van hightech, ‘one-off’ racezeilboten waarbij exotische vezels, dure kernmaterialen en epoxyharsen werden gebruikt om zeer lichte maar dure boten te maken. De gegoten onderdelen van deze aangepaste boten kunnen gemakkelijk $ 50 tot $ 100 per lb kosten. Deze hightech boten werden meestal gelamineerd over mannelijke mallen waarvoor meerdere vacuümzaktoepassingen nodig waren om een ​​lichtgewicht gecomprimeerd laminaat te verkrijgen. Drie afzonderlijke vacuümzaktoepassingen waren een minimum, waarbij de twee huiden en de scheidingskern alle afzonderlijke verdichting vereisten om een ​​kwaliteitslaminaat te verzekeren. Boten die prepreg-materialen gebruiken, zoals het recente America's Cup-jacht, hebben mogelijk 6 tot 10 vacuümzaktoepassingen nodig om elke laag te debulken, en vervolgens een laatste verdichting van alle lagen voordat een ovengestuurde uitharding kan plaatsvinden. Het maken en aanbrengen van vacuümzakken is arbeidsintensief, en dit heeft het gebruik ervan in de productiebootbouw beperkt, waar altijd vrouwelijke mallen worden gebruikt. In het verleden hebben pogingen om kernen in met de hand gelegde buitenhuiden in vrouwelijke mallen te vacumeren, geleid tot overmatige doordruk, waardoor de belangstelling van bouwers verder is afgenomen.”

De gebroeders Gougeon gaan verder met te zeggen dat ondanks deze problemen vacuümzakken en infusie een must waren om het laminaatgewicht te besparen. Dus, om zowel gewicht als kosten te besparen, kozen ze voor die tijd een nieuwe productiemethode, met de volgende stappen:

1) Epoxyhars, geformuleerd met een langere out-time, zou worden gebruikt voor maximale eigenschappen, waarbij de out-time slechts één vacuümstap mogelijk maakt, waarbij het hele laminaat in één keer wordt verdicht.

2) Een op polyester gebaseerde gelcoat in vrouwelijke mallen zou een goedkoop maar toch afgewerkt oppervlak geven met een minimum aan doordruk. De auteurs merken op dat ze het belangrijke probleem van het hechten van het polyester gelcoat-oppervlak en het epoxylaminaat hebben opgelost met een speciaal ontwikkelde tie-coat-substantie, aangebracht tussen de twee ongelijksoortige materialen tijdens het fabricageproces.

3) Alle versterkende materialen zouden mechanisch worden natgemaakt met een rolcoatermachine om arbeid te verminderen en een betere harsbeheersing te bereiken.

4) De speciaal ontworpen epoxyhars met een lange open tijd wordt nagehard bij temperaturen van niet meer dan 140 ° F om hoge fysieke eigenschappen te bereiken.

De twee broers evalueerden zorgvuldig versterkende materialen om het beste laminaat te maken, rekening houdend met kosten, paneelprestaties, arbeid om te monteren en de kwaliteit van het afgewerkte buitenoppervlak. Een matrix van 30 combinaties werd aanvankelijk geëvalueerd (u kunt de tabel hier bekijken:http://www.gougeon.com/prosetepoxy/G-32/goufig1.htm ) met een focus op gestikt E-glas. Kern werd zorgvuldig geëvalueerd, in verschillende diktes en materialen, omdat het het duurste onderdeel was. Het PRO-SET epoxyharssysteem, met een open tijd van 4 uur, is speciaal ontwikkeld in de eigen laboratoria van Gougeon voor gebruik bij dit nieuwe productieproces.

De twee broers bouwden uiteindelijk 30 testpanelen met behulp van de materialen in de matrix, en vernauwden die tot 12 materiaalcombinaties, voor vermoeiingstests op de Hydromat-testbank van het bedrijf. Hun belangrijkste vraag was:"Hoeveel stijfheid was er nodig om de boot goed te laten presteren onder de zwaarste bedrijfsomstandigheden?" De twee zeggen dat op basis van de testresultaten ontwerpwijzigingen zijn aangebracht om vlakke delen van het ontwerp van de boot te verminderen, aangezien die vlakke delen extra stijfheid vereisten, zodat een minder stijf, goedkoper paneel zou kunnen worden gebruikt.

"We hebben vastgesteld dat langdurige paneelweerstand tegen aanhoudende cyclische vermoeidheidsbelastingen van 5 psi en intermitterende dichtslaande belastingen van bijna 15 psi noodzakelijk waren voor het overleven op lange termijn van de G-32-structuur. Dit criterium is op geen enkele wetenschappelijke manier vastgesteld, zoals het daadwerkelijk meten met rekstrookjes (wat moeilijk te doen is). Het weerspiegelde in plaats daarvan onze ervaring met de prestaties van verschillende materiaalcombinaties die in de loop der jaren werden gebruikt om talloze waterscooters te bouwen met verschillende successen en mislukkingen. Dit is de typische, historische, trial-and-error benadering van bootontwerp en engineering, die de industrie niet goed heeft gediend sinds de recente revolutionaire ontwikkeling van composietmaterialen. Nieuwe testmethoden, zoals de Hydromat, zijn een poging om de prestaties van composietmaterialen beter te evalueren op een manier die de werkelijke belastingsomstandigheden nauwkeurig nabootst, zodat beter geïnformeerde beslissingen kunnen worden genomen."

Het document gaat verder met een gedetailleerde beschrijving van het proces van vermoeidheidstests met een korte cyclus. De uiteindelijk gekozen materiaalcombinatie, zeggen de auteurs, "was niet het sterkste panel dat werd geëvalueerd op een van de structurele gebieden van stijfheid, ultieme sterkte of vermoeidheid. Het was echter meer dan voldoende om de structurele behoeften van het G-32-bootproject te ondersteunen. Belangrijker was dat panel #48 goed scoorde op drie andere gebieden; kosten, gewicht en fabricagegemak.” Paneel #48 bestond uit multiaxiale glasvezelhuiden van Brunswick Technologies Inc. over een Klegecell PVC-schuimkern van DIAB.

Interessant genoeg was volgens hen een van de moeilijkste onderdelen van het project het bereiken van de hoogglanzende buitenafwerking, zonder het buitensporige gewicht dat gelcoats kunnen toevoegen. De oplossing was om een ​​hoogopgeleide persoon de best mogelijke gelcoat te laten aanbrengen, zeggen de gebroeders Gougeon.

Ondanks de zorg die is besteed aan het ontwerp en de materiaalkeuze, werd het kostendoel van $ 10 per lb. afgewerkt laminaat niet helemaal bereikt, omdat de broers eind 1992 besloten om de windenergiedivisie te verkopen, waardoor de belangrijkste reden voor de boot werd weggenomen. projecteren. De productie werd kort daarna stilgelegd, na de fabricage van slechts 14 G-32's. Maar, zeggen ze, op epoxy gebaseerde bootconstructietechnologie die is ontwikkeld met de G-32 wordt nu veel gebruikt bij de constructie van hoogwaardige boten, gebouwd in vrouwelijke mallen. Meade en Jan Gougeon zijn van mening dat hun fabricageproces de kosten voor het vervaardigen van boten op epoxybasis drastisch heeft verlaagd, vergeleken met de kosten van het bouwen van aangepaste boten op mannelijke mallen. Bovendien elimineerde het styreen en zorgde het voor meer controle over open tijd en uithardingspercentages. Ze concluderen:"... de 14 G-32's die werden gebouwd, hebben gepresteerd zoals verwacht, zonder enige vorm van structurele storing. Een bonus is dat hun lichte gewicht, gecombineerd met lange slanke rompen, heeft gezorgd voor buitengewoon snelle boten die vele races hebben gewonnen.” En 28 jaar later blijven ze winnen!