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).