Uitdagingen in scheepsverlichting overwinnen met composietmaterialen

Glas- en koolstofvezel-versterkte polymer (GFRP en CFRP) composieten worden al decennialang gebruikt om maritieme schepen te bouwen, inclusief talrijke 40- tot 60-meter mijnenjagers en zelfs grotere schepen, inclusief de Zweedse marine's 72-meter lange Visby-klasse korvet en de 75-meter lange zeiljacht Mirabella V. De 141-meter motorjacht Swift 141 (hernoemd Yas) is een Nederlands staal fregat herbouwd met GFRP/CFRP in onderdekvloeren en drie-dek superstructuur (zie "From frigate to luxury gigayacht"), inclusief een composiet-naar-staal dekverbinding.

En toch worden composieten zelden gebruikt in scheepsbouw. Dit is voornamelijk vanwege de Safety Of Life At Sea (SOLAS) voorschriften uitgegeven door de International Maritime Organization (IMO, Londen, VK), die vereisten dat commerciële schepen in staal gebouwd werden totdat MSC/Circ. 1002 in 2002 uitgegeven werd, wat alternatieve ontwerpen toestond.

"De regulatie schrijft een risicoanalyse voor te laten uitvoeren, die aantoont dat het alternatieve ontwerp en de constructie equivalent is aan staal," legt Stéven Paboeuf, hoofd van de Composiet Materialen Sectie van de klassifikatemaatschappij Bureau Veritas (BV, Nantes, Frankrijk), uit. "Dit proces is lang, duur en de eindbeslissing kan nog steeds negatief zijn." Dus, hoewel composieten veel voordelen bieden voor scheepsbouw, hebben de uitdagingen van brandveiligheid en regulering barrières voor gebruik opgeleverd.

Intussen zoeken scheepseigenaren, operators en bouwers oplossingen voor verbeterde duurzaamheid, inclusief lichter gewicht om brandstofverbruik, broeikasgasuitstoot en scheepsdiepgang te verminderen – de laatste voor ondiepe binnenwaterwegen. Composieten's inherente corrosieweerstand om onderhoud te beperken is ook aantrekkelijk.

In 2017 gaf IMO MSC.1/Circ. uit, een nieuwe set richtlijnen voor het gebruik van FRP composieten in commerciële schepen. Naarmate IMO's evaluatie van deze richtlijnen in 2021 naderdt, vindt een ongelooflijke hoeveelheid activiteit plaats. Twee Europese consortia, FIBRESHIP en RAMSSES, ondersteund door het 378-lid Europese netwerk voor Lichtgewicht Toepassingen op Zee (E-LASS), leiden deze golf van demonstratieprojecten, wat composietdekken, roeren, rompen, modulaire hutten en superstructuren, patchreparaties aan staal en composiet-naar-staal gelaste verbindingen omvat. Samen streven ze ernaar de barrières voor lichtgewicht composietscheepsbouw te overwinnen door niet alleen de brand- en structurele prestaties van grote structuren en hele schepen te demonstreren, maar ook door nieuwe routes voor certificering en productiemethoden, nieuwe verbindingstechnologieën en ontwerphulpmiddelen te ontwikkelen. Ze delen ook informatie via lopende workshops, kennisrepositories en materialen/ontwerpdatabases. Een nieuwe markt mag open gaan voor maritieme composieten, maar welke oplossingen zal het vereisen?

FIBRESHIP en RAMSSES

FIBRESHIP en RAMSSES startten in juni 2017, gefinancierd door het Europese Unie's Horizon 2020 programma. FIBRESHIP heeft 18 leden en loopt tot mei 2020, terwijl RAMSSES 36 leden heeft en eindigt in mei 2021. Beiden omvatten bedrijven uit de hele toeleveringsketen, strekkend van R&D-centra, universiteiten, materiaal- en technologieleveranciers, onderdelenfabrikanten, scheepsarchitectuur- en engineeringbedrijven, scheepswerven, scheepseigenaren en klassifikatemaatschappijen. De laatste zijn verantwoordelijk voor het ontwikkelen van specifieke regels voor individuele scheepsbouw gebaseerd op IMO's algemene richtlijnen. Ze zijn gemachtigd door vlaggenstaten (elk schip draagt een landsvlag) om scheepsbouw te auditen en te waarborgen dat deze regels gevolgd worden. "Het is belangrijk dat alle stakeholders en eindgebruikers betrokken zijn," zegt Alfonso Jurado, hoofd R&D bij Tecnicas y Servicios de Ingeniería (TSI, Madrid, Spanje) en FIBRESHIP projectcoördinator.

"FIBRESHIP's hoofddoel is om ontwerp- en productiemogelijkheden te ontwikkelen voor grote maritieme schepen (meer dan 50 meter lang) met minder gewicht," vervolgt Jurado. "Dit is ook de hoofddoelstelling voor mijn bedrijf." TSI ontwerpt de composietstructuur van een 85-meter lengte over alles (LOA) visserijonderzoeksvaartuig (FRV), dat als demonstrator zal dienen en, tot nu toe, bijna 70% reductie in structureel gewicht ten opzichte van het staal referentieschip haalt. "Dit is ongelooflijk, biedend de echte mogelijkheid van hulp voor de scheepvaartsector," zegt hij. Een 20-ton sectie van deze FRV, meetend 11 bij 11 bij 8,6 meter (zie openingsafbeelding), werd gebouwd door partner iXblue scheepswerf in La Ciotat, Frankrijk, en getoond op FIBRESHIP's tweede publieke workshop in juni 2019 (zie nieuwsbericht met video van de demonstrator die geproduceerd wordt).

Jurado legt uit dat de FRV de eerste is van drie algemene composietscheepscases die FIBRESHIP ontwikkelt. De volgende twee zijn 260-meter LOA containerschpen en 204-meter ROPAX, de laatste combinierend de vrachtcapaciteit van een roll-on/roll-off schip met de passagiersfaciliteiten van een veerboot. "De FRV werd gekozen als demonstrator omdat het kleiner is met een meer conventionele maritieme structuur, en dus het meest haalbaar om in de nabije toekomst gebouwd te worden," zegt hij. "Scheepseigenaren hebben ook een echt belang getoond in zo'n vaartuig." Ondertussen heeft RAMSSES 13 demonstrators in uitvoering, 10 waarvan composieten omvatten, en nastreeft ook een volledig-composiet schip.

Jurado merkt op dat de bedrijven die deelnemen aan deze projecten het potentieel zien voor dergelijke nieuwe ontwerpen en lichtgewichtproducten om een concurrentievoordeel te bieden voor hun bedrijven alsook het scheepvaartsector van elk land. Maar vooruitgang zal niet beveiligd worden door grote demonstrators alleen. "We moeten ook steun hebben van de regulerende autoriteiten," voegt hij toe. "Een eerste stap is om IMO te betrekken en de huidige SOLAS-regulatie aan te passen aan de nieuwe eisen en verlangens van de scheepvaartindustrie. Zonder dit kunnen we niet vooruitgaan omdat verzekeringsmaatschappijen de vezel-versterkte composietschepen niet zullen ondertekenen als ze niet aan de minimale eisen en de veiligheidscertificering voldoen, bijvoorbeeld."

Voorgestelde Fast Track to Approval (FTA) benadering voor certificering van composieten in commerciële schepen die ontwikkeld wordt binnen het RAMSSES-project, zoals gepresenteerd tijdens de juni 2019 E-LASS Seminar (Vigo, Spanje). Bron | RAMSSES en Stephane Paboeuf, Bureau Veritas

"FIBRESHIP nastreeft een langetermijnbenadering door nieuwe regels te ontwikkelen, terwijl RAMSSES een kortetermijnbenadering nastreeft door bestaande regels en methoden te gebruiken," legt Paboeuf uit bij BV, wat de enige klassifikatemaatschappij partner is in RAMSSES, en een van de drie in FIBRESHIP naast Lloyd's Register (Londen, VK) en RINA (Genua, Italië). "In RAMSSES ontwikkelen we een Fast Track to Approval (FTA) procedure gebaseerd op hergebruik van projectdata om testen te standaardiseren en richtlijnen te bieden voor ontwerp en goedkeuring." Deze procedure is bedoeld om simpel en gemakkelijk leesbaar te zijn door scheepswerven, scheepsarchitecten en leveranciers. Versnelling ten opzichte van het huidige proces zal komen door ondersteuning die ontwikkeld wordt in RAMSSES demonstratieprojecten, inclusief:

• een database van vooraf goedgekeurde oplossingen en materialentestresultaten om herhalende testen te voorkomen,
• brandscenario's die een reeks vergelijkbare toepassingen dekken om het aantal en de omvang van risicoanalyses te beperken, en
• analyse- en modelleringshulpmiddelen, inclusief numerieke of statistische modellen die in de toekomst fysieke testen kunnen vervangen.

"In FIBRESHIP werken we met Lloyd's Register en RINA om een set voorschriftelijke regels specifiek voor grote schepen gebouwd met composieten te ontwikkelen," vervolgt Paboeuf. "Voor structurele prestaties definiëren we nieuwe veiligheidscoëfficiënten voor lokale en globale belasting." RAMSSES en FIBRESHIP stellen ook voor om de huidige brandklasse niveaus zoals A60, B30 en B15 te vervangen door een nieuwe conventie REIxx, waar R specificeert brandweerstand (belastingdraagend vermogen in brand), E integriteit aanduidt (voorkoming van rook en vlamverspreiding) en I brandisolatie definieert. "Het doel is om de structurele brandklassen beter af te stemmen op de composietmaterialen die gebruikt worden," legt Paboeuf uit.

Daarnaast gaan de twee projecten ook om met risicoanalyses door vlamverspreiding, rookproductie en brandrisico in de ruimte van herkomst, maar ook op scheepsglobaal veiligheidsniveau. "Voor brandprestaties ontwikkelen we een lokale equivalentiebenadering, die omgaat met brandveiligheid op lokaal niveau gebaseerd op de brandklassen van de schotten en andere structurele afscheidingen in elke ruimte van het schip," zegt Paboeuf. "De tweede benadering, globale equivalentie, gaat om brand op scheepsniveau, rekening houdend met alle systemen (actieve en passieve brandbescherming, detectie, evacuatie, etc.) die de brandveiligheid van het schip als geheel beïnvloeden, niet alleen elke verdeelde ruimte."

"Wijder adoptie van composieten in scheepsbouw zal stap voor stap gaan," zegt hij. "Het zal beginnen met kleine onderdelen zoals dekken en superstructuur, of toestellen zoals aslijnen en schroeven, voordat het voortgaat naar constructie van hele schepen, wat aanvankelijk voornamelijk speciaaldoelschepen zullen zijn zoals onderzoek en seismische testvaartuigen en hoge-snelheid patrouillevaartuigen."

Fig. 1 RAMSSES 80-meter composietschip
Damen Shipyard (DSNS) ontwikkelt een volledig-composiet offshore patrouille-type schip in het RAMSSES-project. De 6-bij-6-bij-3-meter volschaal rompsectie demonstrator zal in 2020 gebouwd worden met harsinfusie in samenwerking met InfraCore Company (ICC) en Airborne International (AIR). Bron | Damen Shipyard en RAMSSES

Volledig-composiet scheepsdemonstrators

Naast de 85-meter FRV die gedemonstreerd wordt door FIBRESHIP, wordt een 80-meter lang offshore patrouille-type schip ontwikkeld binnen RAMSSES om de eerste, volledig-composiet SOLAS-schip te zijn. Geleid door Damen Shipyard Group (Gorinchem, Nederland), voert dit werk resultaten voort van zijn Bluenose-project gestart in 2014. Binnen RAMSSES werkpakket 17, leidt Damen de demonstratie van een 6-bij-6-bij-3-meter volschaal composiet rompsectie van dit schip gemaakt met vacuüminfusie, legt Matthias Krause, R&D-ingenieur bij het Center of Maritime Technologies (CMT, Hamburg, Duitsland) en mede-coördinator van het RAMSSES-project samen met CETENA (Genua, Italië), uit. "Evonik heeft een nieuwe hars voor deze demonstrator rompsectie ontwikkeld en 6-meter hoge tooling is geproduceerd. Damen werkt ook met Airborne International (Den Haag, Nederland), een luchtvaartindustrieleverancier die ook grote geïnfuseerde structuren heeft gebouwd." Evonik (Essen, Duitsland) heeft zijn rol uitgelegd om de impactweerstand en vermoeidheidsgedrag van de glasvezel/vinylester geïnfuseerde romp te verbeteren.

Een andere partner in deze demonstrator is InfraCore Co. (Rotterdam, Nederland), dat nieuwe toepassingen ontwikkelt voor de InfraCore-technologie die door zusterbedrijf FiberCore Europe (Rotterdam) gebruikt wordt in meer dan 1.000 composietbruggen en sluisdeuren wereldwijd. "We zijn oorspronkelijk bij Damen aangesloten in dit project om een 12- tot 14-ton helidek te bouwen," legt InfraCore operations manager Laurent Morel uit. "We werken nu met hen om de dekken, schotten en rompstructuur te bouwen. We zullen zowel horizontale als verticale infusie gebruiken om de rompsectie in één keer te produceren. Tot nu toe hebben we geïnfuseerd tot een hoogte van 9,8 meter." Eenmaal voltooid, zal deze demonstrator getest worden voor structurele en brandprestaties, met resultaten en geleerde lessen ingevoerd in RAMSSES's nieuwe FTA-modules.

Lichte dekken

Composieten zijn al gedemonstreerd in de eerste roll-on/roll-off autovrachtschip dat een composiet vrachtdek gebruikt, ontworpen en gebouwd door Uljanik Groep (Pula, Kroatië) als onderdeel van RAMSSES werkpakket 14 (zie "Low weight on the high seas"), alsook een lichtgewicht zondek voor een 110-meter lang riviercruiseschip (zie "Composite deck reduces river ship draft") en een composiet tussendek voor een 200-meter lang algemene vrachtschip. "Een tussendek is een verwijderbaar dek dat je kunt installeren om de vrachthoude te verdelen om verschillende soorten vracht te faciliteren," legt Arnt Frode Brevik, manager bij Compocean (Sandvika, Noorwegen), een leverancier van composietoplossingen die ontsproten is uit de olie- en gasindustrie, uit.

"We hebben gewerkt met Oshima Shipbuilding (Nagasaki, Japan) en DNV GL voor diverse jaren om een lichtgewicht tussendek te ontwikkelen met het doel om het gewicht met 50% te verminderen ten opzichte van staal," zegt Brevik. Dit resulteerde in een 9-bij-2-meter GRP-prototype dat getest werd voor impact en maximale belasting en getoond op NOR-Shipping 2017.

Compocean heeft deze ontwikkeling nu uitgebreid naar een nieuw project met Oshima, DNV GL en scheepseigenaar Masterbulk Pte Ltd. (Singapore) om een volschaal 27-bij-12-meter prototype composiet tussendek te bouwen, dat volgend jaar geïnstalleerd zal worden en getest tot eind 2021.

"Oshima zocht om items te optimaliseren om brandstof- en afhandelingskosten te verminderen," zegt Brevik. "Hoewel er niet veel tussendekken per schip zijn, is het een gemakkelijk onderdeel om mee te beginnen bij het introduceren van nieuwe materialen omdat het geen deel is van de primaire structuur van het schip." Het ontwerp is gebaseerd op een polyesterhars-geïnfuseerde glasvezelplaat met hoedverstijvers eronder. "We gebruiken een mix van ±45-graden, 0-graden en 0-graden/90-graden opbouw voor alle onderdelen maar in verschillende verhoudingen. De dekstructuur moet ook veel verzorgingspunten integreren om de vracht te bevestigen." De plaat zal gebonden worden aan de hoedverstijvers met een structurele lijm terwijl bouten gebruikt zullen worden in combinatie met het verzorgingssysteem. Een geboute staal eindbeugel zal het composiet verbinden met de staalscheepsstructuur. "We zullen in de toekomst ook een ontwerp met puur lijmverbindingen nastreven," voegt Brevik toe.

Fig. 2 Composiet tussendek
Oshima Shipbuilding's nieuwe 65k open-hatch algemene vrachtschipontwerp zal Compocean's prototype composiet tussendek gebruiken, wat 50% gewicht bespaart vs. staal en zal bestaan uit meerdere geïnfuseerde FRP hoedverstijvers (inset) gebonden aan een FRP bovenplaat met geboute verbindingen van het composiet naar de staalscheepsstructuur. Bron | Compocean en DNV GL

Na ontvangst van definitieve goedkeuring van DNV GL voor het volschaal tussendekontwerp, heeft Compocean de vormen geproduceerd en gefabriceerd en getest. "Het volschaal composiet dek zal gebouwd worden door een partner in Maleisië die het via sleepboot naar het schip zal transporteren," zegt Brevik. De volgende stap is om nog veel meer gewichtsreductie te nastreven, bijvoorbeeld composiet luiken bovenop vrachtopeningen (platte platen bovenop groene "dozen" in scheepsrendering hierboven). "Er zijn zeven grote luikdeksels op dit type vrachtschip," merkt hij op. "Om deze goedgekeurd te krijgen door DNV GL zal enkele nieuwe uitdagingen poseren, maar succes met het tussendek zal helpen."

Lichte superstructuur, modulaire hutten

RAMSSES heeft zes werkpakketten gefocust op composiet superstructuren en componenten gebruikt boven het hoofddrek, meeste met demonstrators en testresultaten die in 2020 gepresenteerd zullen worden. Werkpakket 16, geleid door Naval Group (Parijs, Frankrijk), demonstreert een lichtgewicht composiet superstructuurmodule verbonden met een staalddek. De aanwal demonstrator vertegenwoordigt een standaardblok voor een offshore patrouille-type vaartuig. "Scheepsbouw in metallische materialen is gebaseerd op constructie in blokken om tijd en kosten te verlagen," legt Jurado uit. "Het bouwen van dergelijke blokken met composieten presenteert issues met de behoefte aan grote vormen alsook verbindingstechnieken en gezichtsveiligheidseisen. FIBRESHIP heeft dit bestudeerd en enkele aanbevelingen ontwikkeld over verbinden van composiet-gebaseerde blokken, inclusief de montagevolgorde." In RAMSSES heeft Naval Group drie typen zandwichstructuren onderzocht inclusief GF/polyester/balsakern, FR epoxy/PET schuimkern en GF/polyester/3D vezel-versterkte schuimkern. Het ontwikkelt ook een structurele gezondheidsmonitoring (SHM) systeem binnen de verbinding en composietpanelen.

Werkpakket 18, geleid door Chantiers de l'Atlantique (Saint Nazaire, Frankrijk) ontwikkelt een gemodulariseerde oplossing voor passagiershutten. "Deze komen doorgaans zonder vloer omdat ze op het schip's staaldelen gelast worden," zegt Krause. "Het idee is om ze van composieten te maken, vooruitgerust met alle auxiliaire systemen zoals verwarming en lucht, elektrisch, etc. Door een composietvloer te includeren, kunnen deze in een staalframework ingeschoven worden (als een lade) versus gelast op een massief staalddek, wat veel gewicht bespaart." Hoewel het project composieten beoordeelt om productie- en montagetijd voor muren, plafonds en badkamerunits te verminderen, omdat het vervangen van het staalddek een geschatte 125 kilogram per vierkante meter zou besparen, zijn composietvloeren een hoofdfocus. Hutchinson (Parijs, Frankrijk) heeft voorgesteld zijn ZALTEX mineraalvezel-versterkte composietschuim te gebruiken, dat temperaturen van -190°C tot 1.000°C weerstaat.

Werkpakket 13, geleid door cruiseschipbouwer Meyer Werft (Papenburg, Duitsland), is ook gericht op efficiënte processen voor montage, maar richt zich op schotten. Het doel is twee demonstrators te bouwen – een aanwal, een offshore (zeetest) – waar composietmuren aan staalframestructures verbonden zullen worden en vervolgens onderwerp zullen zijn van 80 mechanische tests. Projectpartner InfraCore heeft analyses uitgevoerd om eisen te definiëren voor warmte- en geluidsisolatie, eigenfrequentie (trilling), vervorming en maximum breedte en hoogte voor composietmuren. "We zijn gevraagd om multifunctionele binnen- en buitenmuren te ontwikkelen," legt Morel bij InfraCore uit. "Om tijd, kosten en gewicht te besparen, moeten we isolatie en een goed interieurafwerking integreren met het lichtgewicht structurele paneel. Er zijn tot 6800 vierkante meter van deze muren op elk cruiseschip. We hebben een opening om deze aan boord van een cruiseschip in midden-2020 te plaatsen, wat de eerste SOLAS-goedgekeurde composietmuren op een cruiseschip wereldwijd zou kunnen zijn."

In werkpakket 10, Podcomp (Öjebyn, Zweden) ontwikkelt een alternatief binnen-/buitenpaneel met bio-gebaseerde composieten dat brandvertragend en competitief geprijsd moet zijn. Drie zandwichconcepten gebaseerd op GF/polyfurfurylalcohol (PFA) prepreg van Composites Evolution (Chesterfield, VK) en verschillende kernmaterialen werden onderzocht. Slechts één concept doorstond kegelcalorimeter en andere brandtesten uitgevoerd door RISE Research Institutes of Sweden (Borås). Het wordt nu geoptimaliseerd voor gewicht en kosten.

Na pogingen met aluminium en wrijflassen, gaat Baltic Workboats (Nasva, Estland) nu vooruit met composieten om voorbestelde, verstevigde panelen te ontwikkelen voor het dekhuis/superstructuur van aluminium werkboten (werkpakket 15). Paneelontwerp, verbinding met andere panelen en met de rest van de dekhuisstructuur, structurele analyseprocedures en isolatieoplossing zullen gedemonstreerd worden, alsook boordinstallatietechnieken.

Een andere oplossing voor lichte superstructuur wordt ontwikkeld door BaltiCo (Hohen Luckow, Duitsland), een scheepstoestellenproducent die een nieuwe startup heeft om complete boten te bouwen met robot-geplaatste koolstofvezel omwikkeld om trussstructuur. "Je bouwt het skelet van de structuur die je wilt produceren, plaatst GFRP kruisstructuur of ribben om de halve meter, en dan wikkelt een robot koolstofvezel eromheen," legt Krause uit. Het doel is een ultra-lichtgewicht modulair systeem met een hoog geautomatiseerd proces. Demonstratie zal productie en montage van twee zelfondersteunende romp- en dekmmodules in een non-SOLAS lichtgewicht zonne-geenergie catamaran omvatten.

Gelaste FRP-staal verbindingen

"We geloven dat de toekomst van scheepsbouw ligt in het combineren van FRP composieten, staal en andere materialen in hybride structuren," zegt Dr. Lars Molter, een 10-jarige veteran bij CMT. "We keken naar lijmen, maar er is geen gestandaardiseerd verbindingsontwerp dat je in alle schepen kunt gebruiken en er zijn geen algemene regels over hoe lijmverbindingen in SOLAS-schepen toe te passen. Ook moet je de omgeving en het lijmproces controleren." Hij merkt op dat dit moeilijk is midden in de lassen en snijden die typisch scheepswerfconstructie domineren. "We vroegen DNV GL wat ze zouden goedkeuren voor ongelijksoortige materiaalverbindingen," zegt Molter. "Ze zeiden dat primaire structuur doorgaans een mechanische bevestiging zou vereisen; puur lijmen zou niet gemakkelijk gecertificeerd worden zonder redundante bevestigingsmiddelen."

Molter en CMT reageerden met het Duits-gefinanciede FAUSST (Fiber and Steel Standard joint) project, dat een hybride geweven stof ontwikkelde die overgaat van 100% glasvezel naar 100% staalvezel. De laatste wordt gelast aan een staalconnector (bijv. platte plaat, rechthoekig profiel, etc.), wat dan gemakkelijk in een schip's staalstructuur gelast kan worden (Fig. 3). Het glasvezeleinde wordt verbonden met de composietstructuur met harsinfusie. "Dit verbindingsontwerp biedt 100% NDT inspectie omdat je UT (ultrasone) of Röntgen op de las kunt gebruiken," zegt Molter. FAUSST voerde mechanische, omgevings- en vermoeidingstesten uit op dit type verbinding en verkrijgde ook goedkeuring in principe van de klassifikatemaatschappijen, maar er was nog veel werk te doen om de technologie in een commercieel product te transformeren. Dus verliet Molter CMT en richtte HYCONNECT GmbH (Hamburg, Duitsland) op in 2018.

Fig. 3 HYCONNECT gelaste staal-FRP verbinding
FAUSST hybride staal-glasvezel stof (linksboven) wordt persgelast aan een staalplaat of andere connector (rechtsboven) en kan dan geïntegreerd worden in een composietstructuur via harsinfusie (linksonder). Dergelijke hybride composietstructuren worden dan gemakkelijk in staal scheepsframing gelast (rechtsonder).
Bron | HYCONNECT

"We hebben gesproken met scheepswerven, DNV GL en BV en ontwikkelen een product dat gecertificeerd kan worden," zegt Molter. "Je bestelt simpelweg je composietonderdelen met dit verbindingssysteem en dan kun je ze in je schip lassen. Dat is onze visie. We ontwerpen de composiet-naar-staal verbinding en leveren dan een product dat stof gelast is aan een staalconnector (plaat, profiel, etc.)."

Hij legt uit dat het verbindingsontwerp en stof in een stapsgewijs systeem gecertificeerd zullen worden: "Door meer lagen FAUSST stof toe te passen, is er een lineaire toename in belastingdraagend vermogen." Bijvoorbeeld, het basispunt zou vier lagen FAUSST met een 1-meter plat staaf gelast aan het, gewaardeerd voor een bepaalde trek- en buigbelasting. Dan zouden er enkele producten beschikbaar zijn aan de linkerkant (bijv. twee-drie lagen totaal voor een lagere belastingwaardering) en rechterkant (bijv. zes lagen totaal voor een hogere belastingwaardering). "We zijn deze details nog aan het finaliseren, maar het doel is een gestandaardiseerd en gemakkelijk te gebruiken systeem," merkt Molter op.

HYCONNECT heeft de stoftechnologie aangepast om het verschil in stijfheid en coëfficiënt van thermische uitdijting (CTE) tussen staal en composieten te hanteren; het gebruik van geweven vezels voor mechanische vergrendeling met unidirectionele vezels voor belastingdoorvoer door de verbinding; en de techniek vereist voor hoogwaardig perslassen van de staalvezel aan de staalconnector (zie "Connecting composites to steel"). "Deze oplossing is gebaseerd op continue testen," zegt Molter. "Omdat FAUSST bestaat uit gestandaardiseerde kant-en-klaar subproducten, kan het snel geleverd worden, binnen dagen." Prototypes worden momenteel geproduceerd voor geselecteerde klanten, en HYCONNECT zal in 2020 met volle productie beginnen.

Composiet roeren

Scheepsroeren worden ook ontwikkeld als FRP-staal hybriden. Als onderdeel van RAMSSES werkpakket 12, ontwikkelt Becker Marine Systems (BMS, Hamburg, Duitsland) een lichtgewicht composiet flap voor een staal roer ontworpen voor grote containerschpen. Zulke roeren wegen typisch meer dan 200 ton, zegt Jörg Mehldau, hoofd R&D bij BMS. "Door een achterste flap toe te voegen, kun je het roeroppervlak aanzienlijk verminderen." BMS was pionier in deze flap roer, die de draaistraal van het schip dramatisch vermindert en koersvasthouding en manoeuvreerbaarheid verbetert, wat aanmeren zonder sleepbotoondersteuning mogelijk maakt. Een composiet flap verlaagt niet alleen het gewicht maar stelt ook meer functionele vormen in alsook meer hydrodynamisch- en belasting-geoptimaliseerde ontwerpen.

Fig. 4 Composiet roerflap
Becker Marine Systems werkt met InfraCore om een lichtgewicht, hars-geïnfuseerde roerflap te ontwikkelen voor de grootste containerschpen. Meetend 11,8 meter lang en 0,9 meter breed met een 2,9 meter koord, moet de volschaal flap 100 ton/m² belasting weerstaan. Een 2-meter hoge demo zal in 2Q 2020 getest worden. Bron | Becker Marine Systems

"De composiet flap die we ontwikkelen was geïnspireerd door de luchtvaartindustrie," merkt Mehldau op. Voor RAMSSES is de volschaal testcase gericht op een van de grootste containerschpen (~400 meter lang), een flap meetend 11,8 lang meter en 0,9 meter breed met een koord van 2,9 meter (zie Fig. 4). "We berekenden de krachten op dit roer en flap met formules gebaseerd op DNV GL regels voor dit scheepstype, gewicht en maximumsnelheid," zegt Mehldau. BMS voerde dan voorlopig ontwerp en engineeringanalyse uit, alsook trade studies voor produceerbaarheid en kosten. "We favorieten eerst filament winding maar het was te duur," merkt hij op. "Voor elk nieuw scheepsromp is het roer een enkel ontwerp." Dus harsinfusie werd gekozen, alsook een alternatief ontwerp van InfraCore. "Het was het beste voor productieflexibiliteit, kosten en structurele prestaties gecombineerd," legt Mehldau uit.

"Voor mij was dit een natuurlijke fit voor InfraCore omdat de composiet sluisdeuren die we gebouwd hebben heel vergelijkbaar zijn," zegt Morel. Hij merkt op dat containerschip roeren belasting van ruwweg 100 ton per vierkante meter moeten weerstaan met een oppervlakte van 150 vierkante meter. Dit matcht goed met InfraCore's infusie-gebaseerde technologie gebruikt in brugdekken spannend tot 142 meter. In plaats van een hoge-dichtheid structurele kern aan gezichten te lijmen, gebruikt InfraCore een lage-dichtheid schuimkern alleen als permanente vormwerk voor meerdere Z-vormige, twee-geflenste webstructuren. Deze worden overgelapt, met multiaxiale weefsels bekleed en geïnfuseerd om een robuuste constructie te vormen. InfraCore zal een 1:6 schaal demonstrator bouwen, met glasvezel en polyesterhars materialen al gecertificeerd door DNV GL om kosten laag te houden.

Morel merkt op dat het gewichtsverminderde InfraCore composiet flap kosteneffectief is, "omdat staal scheepsroeren best ingewikkeld om te produceren zijn." Mehldau stemt toe, "samen met minder onderhoud en operationele kostenvordelen, zien we een succesvol business case." De 2-meter hoge demonstrator zal klaar zijn tegen 2Q 2020, gevolgd door testen.

"We zullen dit testen met een lab testbank en luchkussens, die tot 8 bar druk kunnen aanbrengen gelijk aan ten minste 80 Mpa belasting," zegt Mehldau. "We zullen rekken en deflecitites meten om onze simulaties te verifiëren en een breukbelastingstest uitvoeren." Een lab-schaal demonstrator zal ook getest worden via zeetrials op een onderzoeksvaartuig in de Elbe Rivier door CETENA (Genua, Italië) wat fungeert als projectcoördinator voor RAMSSES samen met CMT.

Voorwaartse dynamiek

"De uitblik voor composieten in schepen is goed omdat veel van de maritieme sector stakeholders belang hebben getoond in FIBRESHIP, RAMSSES en andere projecten," zegt Jurado. "De grootste uitdagingen zijn de behoefte aan nieuwe regulaties, brandveiligheidsaspecten, lijmtechnieken en vermindering van scheepsbouwkosten. Voor het laatste, noemt hij geautomatiseerde productie in scheepswerven als een sleutelissue alsook vormconstructie en composietmaterialen inkopen en opslag. "Composieten groeien al in schepen," zegt Krause bij CMT, "maar we begonnen dit werk 20 jaar geleden, dus het is een langzaam proces. Echter, we hebben nu deze kritieke massa en de industrie is meer verbonden via E-LASS."

Jörg Bünker, hoofd R&D, applicatieservice voor SAERTEX LEO FR producten bij SAERTEX (Saerbeck, Duitsland), stemt toe: "De drijfveren om gewicht te verminderen versterken. Binnen de komende vijf tot zeven jaar zullen meer composietmaterialen in schepen verkocht worden. Dit is de juiste tijd voor meer projecten omdat IMO deze belangstelling en inspanning van de industrie moet zien. Leveranciers moeten nieuwe oplossingen tonen en scheepswerven moeten tonen waar composieten gebruikt kunnen worden, maar niemand kan het alleen doen."