SLV Mecklenburg-Vorpommern
Dr. Rigo Peters
Center of Maritime Technologies e.V.
Dr. Lars Molter, Dr. Rafael Luterbacher Mus, Juliane Jahnke, BSc
Das IGF-Vorhaben 18785 BG des Center of Maritime Technologies e.V. (CMT) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.
Der Bericht kann beim FSM bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an info(at)fsm-net.org
Zusammenfassung
Leichtbau bewegter Strukturen vereint zahlreiche Vorteile: Je kleiner das beschleunigte und transportierte Eigengewicht, desto kleiner ist der Treibstoffverbrauch, desto besser ist die CO2-Bilanz und desto geringer sind die Transportkosten. Manche Anwendungsfälle haben die Erhöhung der Nutzlast oder der Reichweite zum Ziel. Weiterhin wirkt sich leichteres Leergewicht oft in Form sogenannter Knock-on-Effekte aus, die etwa dazu führen, dass kleinere Motoren benutzt werden können und so wiederum Gewicht eingespart wird. Zwei verschiedene Vorgehen existieren für die Reduzierung des Gewichtes. Einerseits die Anwendung von Leichtbaudesignprinzipien, wie zum Beispiel Rippenstrukturen, und anderseits die Materialsubstitution von Stahl durch Verbundwerkstoffe. Die Luft- und Raumfahrt ist in der Materialsubstitution führend. Während Aluminiumlegierungen bei den in den 80er-Jahren entwickelten Airbus A320 circa 65 % des Strukturgewichtes ausmachten, liegt dieser Anteil beim A350 nur noch bei 20 %. Im Gegensatz dazu ist der Anteil von Verbundwerkstoffen von 13 % auf 53 % gestiegen. Dieser Trend zur Mischbauweise und die vermehrte Applikation von faserverstärkten Kunstoffen (FVK) lassen sich auch im Schienenfahrzeugbau oder Automobilbau erkennen. An der kommerziellen Schifffahrt scheint der Trend zu Leichtbau und Materialsubstitution vorbei zu gehen. Dabei ist die Schifffahrt für circa 4,5 % der globalen Treibhausgas-Emissionen verantwortlich. Im Wesentlichen sind Containerschiffe, Tanker und Kreuzfahrtschiffe generell aus Stahl gebaut und werden aus einzelnen Strukturen zusammengeschweißt. Dies ist insoweit überraschend, als der Boots- und Yachtbau ein Pionier in der Anwendung von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen in der industriellen Fertigung war. So wird heutzutage die im Bootsbau entwickelte Fertigungstechnologie Scrimp (Seemann Composite Resin Infusion Process) abgewandelt in der Produktion der Druckkalotte des Airbus A380 verwendet. Im militärischen Bereich lassen sich ebenfalls verschiedene Anwendungen finden, zum Beispiel die Visby-Klasse der schwedischen Marine, in denen erfolgreich FVK-Konzepte umgesetzt und damit die Machbarkeit vom Einsatz neuer Materialien im Schiffbau nachgewiesen wurde.
Trotz dieser Vorteile werden FVK im Schiffbau aus drei wesentlichen Gründen nicht angewendet: (1) Schiffe sind sehr komplexe Bauvorhaben im Volumen von 400 bis 800 Millionen Euro im Falle von Kreuzfahrtschiffen. In der Branche sind hohe Konventionalstrafen Standard, sodass Auslieferungsverspätungen hohe Kosten zur Folge haben. Bei den hergestellten Schiffen handelt es sich im Allgemeinen um Einzelstücke, sodass jede Neuentwicklung mit dem Schiff finanziert werden muss. Die Normenlage ist strikt und konservativ. So werden die auf internationalem Wasser fahrenden Schiffe nach der IMO-Regelung „Safety of life at seas (Solas)“ Regel ausgelegt. Bis vor kurzem waren als einzige Strukturmaterialien aus Feuerschutzgründen Stahl und Aluminium vorgesehen, jedoch wurde diese Normenlage in den letzten Jahren aufgeweicht, sodass nun ebenfalls FVK eingesetzt werden kann, solange äquivalente Sicherheit gezeigt wird.
Mischbauweise ist die Zukunft des Schiffbaus, da es aus technischen und wirtschaftlichen Gründen wenig Sinn macht, die gesamte Stahlstruktur durch FVK zu ersetzen. Daher ist die Fügetechnik von größter Bedeutung. Die gängigen Fügemethoden für Metall und FVK sind Kleben oder mechanische Verbindungen. Diese können jedoch nicht eins zu eins auf den Schiffbau übertragen werden, wo die bevorzugte Verbindungstechnik Schweißen ist.
Um eine schiffbaugerechte Verbindung zu entwickeln, wurde das geförderte Forschungsprojekt FAUSST (Faser und Stahl Standard Verbinder) von der Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern (SLV) und dem Center of Maritime Technologies (CMT) ins Leben gerufen. Das Ziel ist es eine Verbindung zwischen FVK und Stahl herzustellen, welche einerseits den Schiffbaunormen entspricht und anderseits keine speziellen Fertigungsschritte auf der Werft mit sich führt.
Die entwickelte Verbindung wird den Ansprüchen der Schiffbau- und der FVK-Technik gerecht. Der FAUSST-Verbinder besteht aus einem metallischen Anschlusselement, zum Beispiel einem Flacheisen, an das eine oder mehrere hybride Gewirke angeschweißt werden. Diese hybriden Textilien können via Laminieren in den FVK-Herstellungsprozess integriert werden. Nach dem Aushärten erhält man ein mit einem Stahlflansch gesäumtes FVK-Bauteil. Dieser Stahlflansch kann dann mit gängigen schiffbautechnischen Methoden an die Stahlstruktur angepasst und gefügt werden.
