Rationelle Fertigung dank standardisiertem Design - Einsatz von Faserverbund-Sandwichplatten im Schiffbau

Sonderdruck aus lightweightdesign 3/2008

    Einsatz von Faserverbund-Sandwichplatten im Schiffbau

    Rationelle Fertigung
    dank standardisiertem Design
Großformatige GFK-Sandwichplatten ermöglichen die wirtschaftliche und qualitativ hoch-
wertige Herstellung von Schiffen, die nur noch die Hälfte des Brennstoffes herkömmlicher
Modelle benötigen. Am Beispiel des Baus eines Katamarans lässt sich eindrucksvoll schildern,
welche Möglichkeiten solche standardisierten Platten eröffnen.




D
         er Einsatz von Leichtbautechniken eröffnet bei der Herstel-            können. Um dem späteren Verwendungszweck gerecht zu werden,
         lung von schnellen Schiffen ein enormes Energie-Einspar-               müssen Layout und spezifische Anforderungen an das Schiff in en-
         potenzial. Heute sind Konstruktionen möglich, mit denen                ger Zusammenarbeit mit dem Kunden ausgearbeitet und in das
erhebliche Brennstoffeinsparungen erzielt werden können. So                     Design integriert werden.
gelingt es zum Beispiel der Baltec Werft in Lübeck, durch innovativen           Das sich ergebende Einsparpotenzial im Vergleich zu den neuesten
Leichtbau hochfeste Sandwichschiffe herzustellen, die im Vergleich              herkömmlichen Schiffen lässt sich an dem neu entwickelten P240
zu herkömmlich gefertigten Modellen bei gleicher Wasserlinienlän-               Lotsenkatamaran verdeutlichen (Bild 2): Mit 2 x 368 kW beträgt der
ge weniger als halb so schwer sind und auch etwa nur halb so viel               Brennstoffverbrauch bei 20 Knoten Service Speed lediglich 6 Liter/nm
Bennstoff verbrauchen (Bild 1).                                                 (Seemeile). im Einzelfall kann die Brennstoffersparnis somit bereits
                                                                                die Leasingrate des Schiffes decken.
DiE ScHiFFE
Die Baltec Werft in Lübeck fertigt Leichbauschiffe für verschiedene             DiE TEcHNiK
Einsatzzwecke, hat sich aber insbesondere auf den Bau besonders                 Die Herstellung der großformatigen GFK (glasfaserverstärkten Kunst-
treibstoffeffizienter Katamarane für die professionelle Schifffahrt spe-        stoff-) Sandwichplatten erfolgt in einer 12 x 2,4 Meter großen beheiz-
zialisiert. Neu entwickelt wurde das so genannte OceanRunner De-                baren Vakuumpresse (Bild 3). Dabei können die Kern- und Deckla-
sign, das perfekt auf die Anforderungen, die sich aus dem Leichtbau             gen-Materialien entsprechend dem späteren Verwendungszweck
ergeben, abgestimmt ist. Des Weiteren spiegelt das Design der                   der Platte zusammengestellt werden (Bild 4). Die Decklagen be-
Schiffe optimierte Formen aus abwickelbaren Flächen wieder, die                 stehen aus vorgefertigten vorimprägnierten Laminaten (Epoxy-
notwendig sind, um Schiffe in Plattenbauweise überhaupt bauen zu                Prepreg), die sich hinsichtlich ihres Harz- und Fasergehaltes sowie




                                          »Moderne GFK-
                                          Schiffe verbrauchen
                                          nur halb so viel
                                          Bennstoff.«
                                          Dipl.-Ing. (FH) Tina Kohn, Baltec Werft GmbH, Lübeck
BiLD 1     Dank konsequentem Leichtbau gelingt es, Schiffe herzustellen, die halb so viel Brennstoff verbrauchen wie herkömmliche Modelle gleicher Wasserlinienlänge
           (links: A200 Workboat mit einem Verbrauch von 5 Litern pro Seemeile bei 20 Knoten Service Speed, rechts; P200 Pilot Boat mit einem Verbrauch von 5 Litern
           pro Seemeile bei 20 Knoten Service Speed)


                                                                                                                       BiLD 2       Nach modernen Leichtbau-
                                                                                                                                    konzepten entwickelter Lotsen-
ihrer Faserrichtung exakt definieren lassen. Dies garantiert eine gleich
                                                                                                                                    katamaran
bleibende, reproduzierbare Qualität standardisierter Platten. Damit
die Platten im weiteren Verlauf der Fertigung uneingeschränkt
einsetzbar sind, werden sie nach dem Tempervorgang beidseitig
geschliffen und damit für eine einwandfreie Haftung des Epoxid-
harzklebstoffs vorbereitet.                                                        Einsparpotenzial, bezogen auf 20 Dienstjahre:
Für den Bau von Schiffen werden im nächsten Schritt die großen
Sandwichplatten nach einer cAD-Abwicklung der Außenbeplan-                         → ca. 5.500 Tonnen weniger CO2 Emission
kung des jeweiligen Schiffes, seiner Spanten und anderer Einzelteile               → ca. 2.000.000 Liter Brennstoffersparnis
exakt zugeschnitten. Hierbei ist auf die Abwickelbarkeit der Fläche
                                                                                   → min. 2.000.000 € weniger Betriebskosten
für die spätere Konstruktion besonders zu achten, da gebogene oder
gar sphärisch verformte Flächen nur bedingt realisierbar sind. So-
wohl Plattenfertigung als auch der Zuschnitt erfolgen in getrennten
Werkstattbereichen und können als separate Arbeitsprozesse indivi-                 BiLD 3       Die Herstellung der großformatigen GFK (glasfaserverstärkten Kunst-
duell vorbereitet, ausgeführt und somit optimiert werden.                                       stoff-) Sandwichplatten erfolgt in einer 12 x 2,4 Meter großen beheiz-
in der Fertigungshalle erfolgen nun die Zusammenstellung und                                    baren Vakuumpresse.
Positionierung der Einzelteile, wobei – wie im Schiffbau üblich – von
„innen nach außen“ gearbeitet wird (Bild 5). Nach dem Mischen von
Harz und Härter im exakten Verhältnis mit Hilfe einer industriellen
Spritzmaschine werden unter konstantem Druck Hohlkehlen zum
Verkleben der einzelnen Elemente gezogen, wobei sich ein aufwän-
diges Nacharbeiten per Hand erübrigt.
Das Zusammensetzen der Schiffe erfolgt in einem sauberen Umfeld
mit nur begrenzten Mengen an flüssigen Harzen und Handlaminaten.
So sind die Bootsbauer dank der trockenen Plattenbauweise keiner
zu starken Belastung aus flüssigen Harzen und deren Gasen aus-
gesetzt. Der Kontakt von Harz an Haut sowie Arbeitskleidung ist
minimiert und das Unfall- und Allergierisiko stark reduziert. Der                  BiLD 4       Kern- und Decklagen-Materialien
Anteil der Verwendung flüssiger Harze beschränkt sich auf die von                               können entsprechend dem
Hand laminierten Verstärkungen zum Beispiel im Außenbereich des                                 späteren Verwendungszweck der
Kaskos oder an konstruktiven Versteifungen.                                                     Platte zusammengestellt werden.
BiLD 5    im Schiffbau wird von „innen nach außen“ gearbeitet (links: Positionierung der Einzelteile; rechts und kleines
          Bild: konstruktive Verklebung von Außenbeplankung mit Rahmenspant mittels Epoxidharz).




D i E Q UA L i TäT S S i c H E R U N G                                                Um das Verhalten der GFK-Platten im täglichen Dauereinsatz im Verlauf
Das häufigste Versagensbild der GFK-Sandwichplatte wird – wie im                      der geforderten 20 Dienstjahre analysieren zu können, wurden Sand-
Bild 6 dargestellt – bei Beanspruchung auf Flächendruck durch                         wichstreifen in Ermüdungsversuchen 10 Millionen dynamischen Last-
Schub im Kernmaterial verursacht.                                                     wechseln ausgesetzt. Auch nach zweimonatiger Prozedur waren weder
                                                                                      auf den äußeren Decklaminaten, noch im Kernmaterial Ermüdungser-
                                                                                      scheinungen sichtbar. Auch war keine bleibende Verformung erkennbar;
                                                                                      das Material besaß immer noch seine gerade Ausgangsform. Erst im Bie-
                                                                                      gebruch ließen sich Versagensart, Biege- und Schubfestigkeiten vor und
                                                                                      nach dem Versuch vergleichen und eine Abnahme der Schubfestigkeit
                                                                                      um lediglich 10 Prozent ermitteln, was aber in Anbetracht der Testdauer
                                                                                      und der vorhandenen Restsicherheit kaum eine Rolle spielen dürfte.
                                                                                      Neben den üblichen 3- und 4-Punkt-Biegeversuchen können in der
                                                                                      betriebseigenen Universalprüfmaschine zusätzliche Versuche u. a. zur
                                                                                      Ermittlung von Laminatfestigkeiten, zum Ablösen der Deckschichten
                                                                                      und punktuelle Druckversuche durchgeführt werden (Bild 7).

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