Naadloze integratie van composietmaterialen met staalconstructies

Deze blog is een begeleidend stuk bij mijn december 2019 featureartikel, “Barrières wegnemen voor verlichting van schepen met composieten”, met een paar meer details en visuals.

HYCONNECT GmbH (Hamburg, Duitsland) is een start-up opgericht door Dr. Lars Molter, een scheepsbouwkundige en 10-jarige veteran van het Center of Maritime Technologies (CMT, Hamburg, Duitsland), een R&D-centrum voor de Duitse maritieme industrie. “De Duitse bedrijven die megayachts en cruiseschepen bouwen hebben allemaal hetzelfde probleem,” zegt Molter. “Hun klanten willen meer apparatuur toevoegen, een extra dek, meer isolatie tegen geluid en temperatuur of nieuwe ontwerpkenmerken, zoals gebogen vormen en geïntegreerde verlichting. Zelfs als ze deze ontwerpen met aluminium of staal kunnen maken, is het zeer tijd- en kostenintensief.”

Schepen worden typisch gebouwd in blokken van gelaste staalcomponenten voor snellere montage, zoals hier getoond. Het FAUSST koppelingssysteem stelt grote composietwandpanelen of andere structuren in staat om in deze staalframeworks gelast te worden, wat lichte constructie met huidige scheepsproductiemethoden biedt. BRON | Meyer Werft

Problemen met lijmverbindingen in hybride structuren

Molter en velen anderen kunnen de voordelen zien die composieten voor schepen kunnen bieden, maar momenteel worden schepen in staal gebouwd. Er zijn velen die werken aan volledig-composiet schepen, maar ondertussen is er een significante kans om scheepsgewicht en emissies te reduceren met diverse composietcomponenten. Eén probleem is echter hoe ze aan het scheepsstaalframework te verbinden. “We keken naar lijmen,” legt hij uit, “maar er is geen gestandaardiseerd ontwerp voor koppelingen dat in alle schepen gebruikt kan worden en er zijn geen algemene regels over hoe lijmverbindingen in SOLAS toe te passen.”

De Safety Of Life At Sea (SOLAS) regulaties, uitgegeven door de International Maritime Organization (IMO, Londen, VK), vereisten dat commerciële schepen in staal gebouwd werden tot 2002, toen MSC/Circ. 1002 uitgegeven werd, wat alternatieve ontwerpen toestond. Deze alternatieven vereisen echter een risicoanalyse te voeren, die aantoont dat het alternatieve ontwerp en de constructie equivalent is aan staal — een proces dat lang, duur en op maat is voor elk gebouwd schip.

 “We vroegen DNV GL wat ze goedkeuren voor ongelijke-materialen koppelingen,” zegt Molter. “Ze zeiden dat primaire structuur doorgaans een mechanische bevestiging vereist; zuivere lijming zou niet gemakkelijk gecertificeerd worden zonder redundante bevestigingsmiddelen.” Deze problemen met op maat gemaakte certificering en regulatoire eis voor redundante bevestigingsmiddelen vs. puur gelijmde primaire structuren zijn identiek aanwezig in commerciële luchtvaart. “Ook met lijmen moet u de omgeving en het proces controleren,” zegt hij, merkt op dat dit moeilijk is midden in de lassen en snijden die scheepswerfconstructie typisch domineren.

FAUSST koppelingen

FAUSST hybride weefsel combineren glasvezel en staalvezel. BRON | Hyconnet

“Dus we hadden een geen-lijm oplossing nodig maar met een mechanische bevestiging,” zegt Molter. “We bleven ons afvragen: hoe verbinden we vezels met metaal?” CMT zou dat beantwoorden in het door Duitsland gefinancierde FAUSST (Fiber and Steel Standard joint) project, dat in samenwerking met Fritz Moll Textilwerke (Altshausen, Duitsland) een hybride waargebreid textiel ontwikkelde dat overgaat van 100% glasvezels naar 100% staalvezels. 

De stofarchitectuur is zo ontworpen dat de staal- en glasvezels meanderen en overlappen, wat krachtoverdracht door wrijving en vergrendeling op de kruispunten bereikt. Deze architectuur balanceert ook geweven stof voor mechanische vergrendeling met unidirectionele vezels voor krachtdracht door de koppeling. De stof wordt geproduceerd met een elektronisch gestuurde breimaschine met snelheden tot 100 meter/uur.

De volgende stap is om dit aan een metalen connector te bevestigen, wat een plaat of hol profiel kan zijn. De staalvezels worden aan de connector gelast met weerstandsnaadlassen (perslassen) met een grote koperen elektrod Wiel. Molter legt uit dat dit lijkt op puntlassen in automotive maar aangepast om een lange, continue naad te produceren. Dit proces stelt efficiënte productie van FAUSST connectors met een of meerdere lagen stof in staat met een robuust en bekend proces.

Hyconnect gebruikt naadlassen om FAUSST stof aan staalconnectors te verbinden. BRON | Hyconnect.

Dit is wat HYCONNECT verkoopt: de stof gelast aan een staalconnector. “Een scheepswerf of zijn composietstructurenleverancier besluit ons koppelingssysteem te gebruiken,” legt Molter uit. “Ze specificeren de koppelingsbelasting en type staalconnector en we ontwerpen en produceren dan de FAUSST koppeling. Dit leveren we en zij infuseren dat in hun composietstructuren en de scheepswerf last die dan in het scheepsstaalframework.”

Stijfheid en CTE mismanagement managen

Er is een stijfheidsmismatch tussen de staalvezels en glasvezels in het FAUSST hybride weefsel. Molter legt uit dat dit enigszins gemitigeerd wordt door de manier waarop het weefsel geproduceerd wordt, “met 5-7 lagen waar garens vergrendeld zijn, en we variëren hoe ver de staalvezels uitsteken in het glasvezelweefsel. Je wilt geen grote pieken in krachtoverdracht. We kunnen de stijfheid aanpassen door deze lagen en hun bestanddeelvezels aan te passen, bijvoorbeeld het percentage en de richting van glasvezel, etc.” Extra ± 45° vezels kunnen toegevoegd worden om hogere afschuifspanningen aan te gaan en helpt ook de verschillende thermische uitdijingscoëfficiënten (CTE) tussen de staalconnector en glasvezelcomposiet te managen. “We kunnen ook ontwerpen voor hogere belasting of speciale constructies door versterking door de dikte met getuftte vezels,” legt Molter uit.

Dichtemismatch tussen de staalconnector en het vezelversterkte kunststof (FRP) moet ook aangepakt worden. “De neutrale as van beide materialen moet uitgelijnd zijn,” zegt Molter. “Dit wordt typisch bereikt door de rand van de staalconnector te machineeren tot een 30° taper, wat in wezen een taper koppeling creëert voor efficiënte krachtoverdracht naar de FRP.”

Hyconnect ontwerpt en produceert FAUSST koppelingen, die vervolgens geïmpregneerd worden in composietstructuren en, tenslotte, gelast in een scheeps staalframework. BRON | Hyconnect.

Een gestandaardiseerd koppelingssysteem ontwikkelen

Molter verliet CMT en richtte HYCONNECT in 2018 op om de FAUSST koppelingstechnologie te commercialiseren. Het bedrijf heeft met diverse industriepartners en regulatoire instanties gewerkt om testen uit te voeren en koppelingontwerpen te itereren. Het doel is om een “familie” van FAUSST koppelingproducten te ontwikkelen. “Er is een lineaire toename in belastingdraagend vermogen door meer lagen FAUSST stof toe te passen,” legt Molter uit. “Dus een basisp product zou vier lagen FAUSST met een 1-meter plat staalprofiel gelast aan het kunnen zijn, gewaardeerd voor een bepaalde trek- en buigbelasting. Dan zouden er enkele producten beschikbaar zijn links, met twee of drie lagen voor een lagere belasting, en enkele rechts, zoals vijf of zes lagen voor een hogere belasting. We zijn nog bezig met het finaliseren van deze details, maar het doel is een gestandaardiseerd, gemakkelijk te gebruiken systeem.”

Hyconnect testen van koppelingen bestaande uit vier lagen FAUSST stof leveren 217 kN/M lineaire koppelingssterkte. BRON | Hyconnect.

Mechanische karakterisering van de FAUSST koppelingproducten is nog in uitvoering, maar Molter wijst erop dat ze concurrerend zijn met lijmverbindingen. “Ze laten ook 100% inspectie toe met ultrasone of röntgentesten van de las,” voegt hij toe. Prototypes worden momenteel geproduceerd voor geselecteerde klanten en zullen in 2020 opschalen.

Ondertussen heeft HYCONNECT ook interesse gehad van auto-bedrijven en fabrikanten geïnteresseerd in railtoepassingen. “Er is potentieel om deze technologie te gebruiken voor metalen inserts en we zien ook mogelijke toepassingen in bouwconstructie,” zegt Molter. “Steeds meer industrieën zien de waarde van hybride structuren en de mogelijkheid voor korte montagetijden met vooruitgeruste half-fabrikaten.”