FSM-Bericht 11/2026: Aufgeklebte Profile zur Versteifung von flächigen Bauteilen in maritimen Strukturen (KlebProfi)

Dipl.-Wirt.-Ing. Sebastian Veller (geb. Myslicki)
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM

Dr.-Ing. Matthias Albiez, Dr.-Ing. Jannis Damm, M.Sc. Peter Haase
Karlsruher Institut für Technologie – Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine

Das IGF-Vorhaben 01IF22351N Aufgeklebte Profile zur Versteifung von flächigen Bauteilen in maritimen Strukturen (KlebProfi) der Forschungsvereinigung Schiffbau und Meerestechnik e.V. (FSM) wurde im Rahmen des Programms Industrielle 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 der erzielten Ergebnisse im Forschungsvorhaben  

Das vorliegende Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der systematischen Untersuchung, Entwicklung und Validierung des Einsatzes von Klebverbindungen im Schiffbau. Ziel ist es, das Potenzial der Klebtechnik für die Versteifung großflächiger Bauteile aufzuzeigen, unter praxisnahen Bedingungen zu evaluieren und in einem methodischen Fertigungs- und Bemessungskonzept zusammenzuführen. Damit leistet das Projekt einen Beitrag, innovative Fügetechnologien in der maritimen Industrie als Alternative oder Ergänzung zur etablierten Schweißtechnik zu etablieren.
Zu Beginn des Projekts erfolgt eine umfassende Recherche und Analyse der spezifischen Anforderungen an Klebverbindungen im Schiffbau. Dabei stehen insbesondere die besonderen Randbedingungen im Vordergrund, die sich aus den maritimen Einsatzbedingungen ergeben. Hierzu zählen unter anderem spezifische Anforderungen durch das Kleben auf Shopprimern und das Kleben von großskaligen Strukturen. Auf dieser Basis werden geeignete Klebstoffsysteme und Oberflächenvorbehandlungen ausgewählt und detailliert charakterisiert. Es konnte nachgewiesen werden, das auch auf Shopprimern strukturelle Klebungen realisiert werden können.
Ein wesentlicher Arbeitsschwerpunkt liegt auf der Entwicklung und Validierung eines klebtechnischen Fertigungs- und Montageprozesses. Dieser wird so konzipiert, dass er unter Berücksichtigung der realen Bedingungen im Schiffbau praktikabel, effizient und robust umgesetzt werden kann. Durch experimentelle Voruntersuchungen, beispielsweise zur Applikation der Klebstoffe und zum Vermeiden von Lufteinschlüssen, lassen sich zentrale Prozessschritte optimieren. Zudem konnte gezeigt werden, dass dem Kleben nachgelagerte Schweißprozesse (z.B. Stirnplattenstoß) auch ohne eine irreversible Schädigung der Klebung möglich sind.
Zur Bewertung der strukturellen Leistungsfähigkeit werden experimentelle Untersuchungen an klebtechnisch versteiften Strukturen durchgeführt. Diese umfassen Bauteilversuche mit einer Steife sowohl als auch mit mehreren Steifen, bei denen die Tragfähigkeit und das Verformungsverhalten unter statischer Biegebeanspruchung ermittelt werden. Ergänzt werden die Versuche durch numerische Simulationen, die eine detaillierte Analyse der Spannungs- und Dehnungsverteilungen in den Klebschichten sowie der Gesamtstruktur ermöglichen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die untersuchten Klebverbindungen signifikante Tragfähigkeitsreserven aufweisen. In zahlreichen Fällen tritt die Plastifizierung des Stahlprofils ein, bevor ein Versagen der Klebschicht oder des Primers erfolgt. Besonders auffällig ist, dass die Art des Versagens maßgeblich von der Anschlusskonfiguration abhängt. Während bei Laschenstößen mitunter ein vorzeitiges Versagen der Klebschicht beobachtet wird, dominieren bei Stirnplattenstößen die Plastifizierung des Steifenprofils. Diese Erkenntnisse unterstreichen die Notwendigkeit einer differenzierten Betrachtung der Verbindungstypen bei der Bemessung. Im Vergleich zwischen den Profilgrößen zeigt sich ein deutlicher Größeneffekt: IPE120-Profile erreichen ein erheblich höheres Lastniveau als IPE80-Profile, was den Einfluss der Querschnittsgeometrie auf die Ge-samttragfähigkeit bestätigt.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass das Vorhaben erfolgreich den Nachweis erbringt, flächige Bauteile im Schiffbau durch aufgeklebte Profile wirksam zu versteifen. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist somit aus Sicht der Forschungseinrichtungen und dem PA erreicht. Darüber hinaus liefern die entwickelten Fertigungs- und Bemessungskonzepte eine wertvolle Grundlage für die industrielle Umsetzung, insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen der maritimen Zulieferindustrie.

FSM-Bericht 10/2026: Berührungslose Temperaturüberwachung zur Qualifizierung des Flammrichtens von Aluminium im Schiffbau (SpectroStraight)

Dipl.-Phys. Gregor Gött, Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uhrlandt
Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP)

M.Sc. Anton Konstanz, Dr.-Ing. Oliver Brätz, Dr.-Ing. Andreas Gericke, Prof. Dr.-Ing. habil. Knuth-Michael Henkel
Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP

Das IGF-Vorhaben 01IF22120N der Forschungsvereinigung Schiffbau und Meerestechnik e.V. (FSM) wurde im Rahmen des Programms Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

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Zusammenfassung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten Ergebnisse  

Das im Projekt entwickelte Verfahren zur berührungslosen Temperaturüberwachung beim Flammrichten von Aluminiumstrukturen stellt einen bedeutenden wissenschaftlich-technischen Fortschritt mit hohem wirtschaftlichem Nutzen dar – insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) in der Metallverarbeitung. Durch die gezielte Erweiterung des Anwendungsbereichs des Flammrichtens auf Aluminiumbleche, insbesondere im Schiffbau, wird eine reproduzierbare und kontrollierte Bearbeitung ermöglicht, die bisherige Verfahren wie das WIG-Richten oder das induktive Richten in Bezug auf Effizienz, Prozesskontrolle und Materialeinsatz deutlich übertrifft. Der innovative Beitrag des Projekts liegt in der Integration eines berührungslosen Temperaturmonitorings, das eine präzise Prozessführung beim thermischen Richten erlaubt und so qualitätsgerechte Ergebnisse bei gleichzeitig reduziertem Ressourcen- und Zeitaufwand liefert. Weiterhin wurde eine Methodik zur Erprobung geeigneter Richtansätze mittels numerischer Simulation entwickelt. Die genaue Abbildung der Richtflamme als Wärmequelle in der FEM bietet die Möglichkeit für komplexe Strukturen effektive Richtstrategien zu entwickeln. Für KMU mit häufig wechselnden Fertigungsaufträgen und kleinen Losgrößen bedeutet dies eine erhebliche Erhöhung der Flexibilität und Planungssicherheit bei gleichzeitiger Reduktion von Nacharbeit und Ausschuss. Insbesondere in Hinblick auf die begrenzte Verfügbarkeit von Richtschmieden und fehlenden Wissenstransfer der stark erfahrungsbasierten Ausführung bietet die thermomechanische Simulation des Richtprozesses großes Potenzial. Neben einer direkten industriellen Anwendung im Schiffbau eröffnet das Verfahren ein breites Transferpotenzial in andere Branchen wie den Fahrzeug- und konstruktiven Ingenieurbau, was die industrielle Verwertbarkeit und die volkswirtschaftliche Bedeutung der erzielten Ergebnisse zusätzlich unterstreicht.

Im Projekt ist eine grundlegende Hardwarelösung skizziert und aufgebaut worden, die durch Weiterentwicklung in ein marktfähiges Gerät umgewandelt werden kann. Die reinen Hardwarekosten, um ein Messsystem zu bauen liegt bei etwa 200 €. Dieser Betrag kann durch Massenproduktion signifikant gesenkt werden.

FSM-Bericht 9/2025: Brandbeständige Hybrid-Faserverbundwerkstoffe auf Basis optimierter organisch-anorganischer Systeme (HybridComp)

Arthur Konrad Wieland, M.Sc., Nicco Stroetmann, M.Sc., Dr.-Ing. Stefan Schmidt, Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge
Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP

Dr. rer. nat. Tobias Urbaniak, Dr. Gideon Abels, Dr. Laura Boskamp, Dr.-Ing. Katharina Haag, Prof. Dr. Bernd Mayer
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM

Das IGF-Vorhaben 01IF22400N der Forschungsvereinigung Schiffbau und Meerestechnik e.V. (FSM) wurde im Rahmen des Programms Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

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Zusammenfassung

Für Bauteile im kommerziellen Schiffbau gelten hohe Brandschutzanforderungen. Der Einsatz klassischer Faserverbundwerkstoffe (FVW) ist aufgrund ihrer organischen Matrix, die unter hoher Wärmefreisetzung und Rauchgasentwicklung verbrennt, nicht ohne weiteres möglich. Eine Alternative bieten Faserverbundwerkstoffe mit anorganischer Matrix, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung zwar grundlegend nicht brennbar sind. Sie bieten allerdings nicht die gewünschten Festigkeiten und Duktilität, um metallische Bauteile zu ersetzen.

Durch eine Kombination der jeweils positiven Eigenschaften von organischen und anorganischen FVW werden im Projekt HybridComp Faserverbundbauteile mit verbesserten mechanischen und Brandschutzeigenschaften zum Einsatz im Schiffbau realisiert. Zur Erreichung dieses Ziels werden im Rahmen des Vorhabens zwei Lösungsansätze parallel verfolgt. Der erste Lösungsansatz verfolgt eine chemische Kombination hochtemperatur- und flammbeständiger Benzoxazine und anorganischer nicht-brennbarer Geopolymere als Matrixsysteme (Homo-Hybrid-FVW). Die entwickelten Materialien besitzen gute mechanische Eigenschaften und mittlerem Brandschutz. In Fertigungsversuchen wird ein Prepregprozess entwickelt, der einen flexiblen Einsatz des Homo-Hybrides in einen Laminataufbau ermöglicht.

Im zweiten Lösungsansatz wird eine konstruktive Kombination abgegrenzter Einzelschichten aus FVW mit organischer und anorganischer Matrix umgesetzt (Hetero-Hybrid-FVW). Dabei wird ein mehrschichtiger anorganisch-organisch Hybrid-Faserverbundbauteile für erhöhte Brandschutzanforderungen entwickelt. Anorganische FVW-Schichten mit Geopolymermatrix übernehmen die Funktion des Brandschutzes und organische FVW-Schichten mit Benzoxazinmatrix sind für die strukturelle Integrität des Faserverbundbauteils zuständig. Die Charakterisierung der Materialien bestätigt eine symbiotische Verbindung mit hohen mechanischen Eigenschaften und einer guten Bruchdehnung. Der Brandschutz des hybriden FVWs wird durch externe Brandversuche belegt. Anhand von Demonstratorbauteilen werden Anwendungsbespiele für den industriellen Einsatz aufgezeigt.

FSM-Bericht 8/2025: Elektrodynamische Antifouling-Beschichtung optischer Oberflächen von Schiffen und Meerestechnik (ELEKTRA)

Dr.-Ing. Uwe Specht
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM

Dr. Michael Baune
Universität Bremen, Zentrum für Umweltforschung und Umwelttechnologie (UFT)

Dr. Fei Du
Technische Universität Dresden, Institut für Wasserchemie, Professur für Hydrochemie und Wassertechnologie

Das IGF-Vorhaben 01IF22337N der Forschungsvereinigung Schiffbau und Meerestechnik e.V. (FSM) wurde im Rahmen des Programms Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

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Zusammenfassung

Das Forschungsprojekt ELEKTRA beschäftigte sich mit der Entwicklung einer elektrodynamischen Antifouling-Beschichtung für optische Oberflächen in maritimen Anwendungen. Die Projektlaufzeit erstreckte sich vom 01.03.2022 bis zum 30.04.2024 und wurde von der Forschungsvereinigung Schiffbau und Meerestechnik e.V. (FSM) administrativ begleitet. Beteiligt waren das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM), die Universität Bremen (UFT) und die Technische Universität Dresden (TUD). Das Hauptziel des Projekts war die Entwicklung einer robusten, nanometerdicken Beschichtung zur aktiven Selbstreinigung von optischen Komponenten wie Sensoren und Kameras. Da diese Oberflächen im maritimen Umfeld häufig mit Biofouling konfrontiert werden, wurde ein neuartiges Verfahren auf Basis der Elektrohydrodynamik (ACElektrokinetik) entwickelt, das eine kostengünstige Nachrüstung bestehender Systeme ermöglicht. In der ersten Phase des Projekts wurden Zielgewässer definiert und die physikalischen Eigenschaften des Meerwassers analysiert, um die Elektrodengeometrie zur Unterdrückung von Biofouling zu optimieren. Darauf folgte die Entwicklung geeigneter ITOElektroden mittels selektivem Laserabtrag. Die Laborprüfungen zeigten, dass die entwickelten Elektroden eine signifikante Antifouling-Wirkung aufwiesen, unterstützt durch verschiedene elektrokinetische Effekte. Feldversuche in der Nordsee bestätigten die Wirksamkeit der ELEKTRA-Beschichtung, indem die Lichtdurchlässigkeit der beschichteten Oberflächen über einen Zeitraum von 36 Tagen signifikant höher blieb als bei Referenzoberflächen. Zukünftige Arbeiten konzentrieren sich auf die Optimierung der Elektrodengeometrie, die Reduktion des Energieverbrauchs und die Erprobung weiterer Beschichtungen.
Die Ergebnisse des Projekts bieten nicht nur einen innovativen Ansatz zur Bekämpfung von Biofouling, sondern haben auch das Potenzial, die Wettbewerbsfähigkeit kleiner und mittelständischer Unternehmen in der maritimen Technologie zu steigern. Die entwickelten Verfahren und Erkenntnisse sollen in zukünftige industrielle Anwendungen überführt werden.

FSM-Bericht 7/2025: Entwicklung und Validierung von Laboralterungszyklen für die Zulassung von schiffbaulichen Klebverbindungen (Klebschichtalterung)

M.Sc. Linda Fröck, M.Sc. Nele Kayser
Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP

Dr. Oliver Klapp
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM

Das IGF-Vorhaben 01IF21189N der Forschungsvereinigung Schiffbau und Meerestechnik e.V. (FSM) wurde im Rahmen des Programms Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

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Zusammenfassung

Die Klebtechnik bietet als Fügeverfahren auch im Schiffbau und der maritimen Produktion große Vorteile. Der Einsatz ist aufgrund des Fehlens von Kenntnissen und geregelten Prüfverfahren zum Alterungsverhalten, nur mit enormem Aufwand möglich und dadurch stark gehemmt. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, durch die Identifikation der, für die Alterung von Klebverbindungen relevanten Parameter, beschleunigte Laboralterungsprozeduren nachzuweisen, mit deren Hilfe die Beständigkeit von Klebverbindungen unter maritimen Einsatzbedingungen nachgewiesen werden kann. Die gewonnenen Erkenntnisse und Alterungsprozeduren ermöglich insbesondere KMU einen einfachen und sicheren
Einsatz von Klebverbindungen in der maritimen Produktion.
Um dieses Ziel erreichen zu können, wurden im ersten Schritt Bereiche des Schiffes mit ähnlichen Alterungsbedingungen geclustert. In diesen unterschiedlichen Zonen wurden Messungen hinsichtlich Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf einem Schiff durchgeführt. Diese Ergebnisse wurden mit Rechercheergebnissen aus Regelwerken von Klassifikationsgesellschaften abgeglichen. Anschließend wurden maximale Parameter für relevante Zonen auf dem Schiff festgelegt. Im nächsten Schritt wurden die zu verwendenden Materialien, Probenformen und Beobachtungsgrößen definiert. Es wurden sowohl zwei Strukturklebstoffe als auch zwei hochelastische Dickschichtklebstoffe in Form von Verbund- und Substanzproben untersucht.
Die Untersuchung fand in zwei parallelen Strängen statt. Einerseits wurden im Labor zunächst isolierte Parameter, wie Feuchtigkeit, Temperatur, Salz, UV-Strahlung sowie die Kombination von Temperatur und Feuchte und mechanischen und hygrothermischen Belastungen untersucht. Andererseits wurden Proben auf einem Schiff im Außen- und Innenbereich und zudem auf Helgoland in der Spritzwasserzone am Kai und im Bereich einer atmosphärischen Bewitterung betrachtet. Die Proben der Feldalterung verblieben dort für 6, 12 und 24 Monate.
Basierend auf den Erkenntnissen aus den Laboralterungen und den ersten Ergebnissen der Feldalterungen wurden vier jeweils einwöchige Kurzalterungen abgeleitet und hinsichtlich einer Korrelation zu den Feldalterungen untersucht. Es zeigte sich, dass eine sieben-tägige Auslagerung unter den gewählten Bedingungen keine mit den Feldalterungen vergleichbare Abminderung erzielt.
Im nächsten Schritt wurden mehrwöchige beschleunigte Laboralterungen durchgeführt. Es zeigte sich, dass hiermit höhere Abminderungen realisiert werden können, die mit den Ergebnissen der Feldalterungen vergleichbar sind. Somit ist eine beschleunigte Alterung von Klebverbindungen unter maritimen Bedingungen grundsätzlich möglich. Es zeigt sich auch, dass hinsichtlich ihres Alterungsverhaltens Strukturklebstoffe und hochelastische Dickschichtklebstoffe unterschieden werden müssen, da andere Schädigungseffekte kritisch für die beiden Gruppen sind.
Die Erkenntnisse wurden in einem Merkblattentwurf zusammengefasst.

Bericht P 1562 (2024): Erhöhung der Speicher- und Transporteffizienz für Flüssigwasserstoff in Stahl- Faserverbundtanks durch thermisch gespritzte TBC-Schichten

Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA)

Forschungsvereinigung Schiffbau und Meerestechnik e.V. (FSM)

Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. (DECHEMA)

Dr.-Ing. Michél Hauer, Dr.-Ing. Stefan Schmidt, Dr.-Ing. Andreas Gericke, M.Sc. Nicco Stroetmann, M.Sc. Leonhard Sattler, Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge
Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP

Das IGF-Vorhaben 39 LBR der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) wurde im Rahmen des Programms Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

Der Bericht kann bei der FOSTA (FOSTA-Berichte – Matplus Shop) oder beim FSM (info(at)fsm-net.org) bestellt werden.

Kurzzusammenfassung

Wind power-to-gas concepts have great potential to sustainably cover the increasing demand for green hydrogen as an energy source and raw material. In the past, it has been shown that there is an enormous level of energy overproduction, which currently remains unused due to the shutdown of wind power plants. This is due to the emerging market and therefore a lack of experience in transporting large quantities of liquid hydrogen (LH2). Current tank designs are based on standard applications for storage and transportation on land with vacuum-insulated, double-walled constructions made of austenitic stainless steel, which have comparatively high thermal diffusivity and conductivity as well as increased weight. This currently reduces efficiency due to the increased boil-off and the unfavorable gravimetric storage density. New tank concepts are therefore required for the maritime production and transportation of LH2. In order to meet these requirements, the focus initially shifted to special fiber-reinforced plastic (FRP) steel hybrid tank concepts, which guarantee high mass-specific strength and increased protection against corrosion and have been established in space travel. In the course of the project, questions relating to interactions with coatings, production, material, temperature resistance and design for commercial use were investigated in particular. Another requirement is the need to increase the insulation effect with regard to boil-off losses. With current double-walled and vacuum-insulated tanks, the boil-off is approx. 2 % of the storage volume per day, which leads to large storage losses and inefficiency in the case of longer storage and transportation times, e.g. over several days. In order to counteract the boil-off and to additionally protect the tank shell from dynamic sloshing forces, thermal barrier coatings (TBC) applied by thermal spraying came into focus due to their high insulating effect and wear resistance. However, the application of TBC was previously limited to use at high temperatures and was extended to the cryogenic temperature range during the project. The investigations concentrated on the validation of standard MCrAlY alloys and innovative ((partly)) amorphous iron-based coatings with regard to mechanical-technological and insulating properties in the low temperature range by varying different spraying processes and parameters. In the course of the project, it was shown that a combination of the two approaches is possible and easy to implement in terms of manufacturing technology. This allowed both the TBC coatings and the fiber windings to be applied in sufficient thickness and in a defined sequence. These successful tests formed the basis for the complete coating, fiber winding and subsequent testing of a small prototype tank.

Bericht P 1561 (2024): Modellierung und Bewertung der Logistikketten für den Wasserstofftransport für die Stahlindustrie unter besonderer Berücksichtigung transportbedingter Energieverluste

Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA)

Forschungsvereinigung Schiffbau und Meerestechnik e.V. (FSM)

Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. (DECHEMA)

M.Sc. Patrick Zimmerman, Dipl.-Ing. Ralf Fiedler, Prof. Dr.-Ing. Carlos Jahn
Fraunhofer-Center für Maritime Logistik und Dienstleistugen CML

M.Sc. Leonhard Sattler, Dr.-Ing. Stefan Schmidt, Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge
Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP

Das IGF-Vorhaben 38 LBG der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) wurde im Rahmen des Programms Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

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Kurzzusammenfassung

Industrielle Großverbraucher aus der Roheisenproduktion oder der Chemiebranche können einen erheblichen Teil ihrer CO2-Emissionen durch die Substitution fossiler Energieträger mit Wasserstoff eliminieren. Die Umstellung der bisherigen Herstellungsprozesse der Stahlwerke von der Hochofenroute auf die Direktreduktion erfordert dabei grünen Wasserstoff in großen Mengen. Die Wasserstoffversorgung im großen Maßstab stellt hierbei laut Stand der Technik ein unbekanntes Feld für alle an diesem Vorhaben beteiligten Parteien (Produzent, Lieferant, etc.) dar. Zusätzlich bilden verschiedene Hochlaufszenarien sowohl bereitstellungs- als auch verbraucherseitig weitere Unsicherheiten. In diesem Forschungsprojekt werden somit logistische Betrachtungen der Transportketten, durchgeführt vom Fraunhofer CML, und für eine realitätsnahe Abbildung der Szenarien, Implementierungen von Verlustgrößen notwendig, welche angesichts des flüchtigen Wasserstoffes und der hohen Transportmengen einen bedeutsamen Einfluss auf die Logistik haben. Das Fraunhofer IGP entwickelt daher anhand der Datengrundlage und Anwendbarkeit Simulationsmodelle der unterschiedlichen Verlustmechanismen. Der Transport von Wasserstoff in Mengen, wie sie die Roheisenherstellung oder die Chemieindustrie benötigen, muss über Pipelines abgedeckt werden. Für die kapazitative Auslegung wurde in dem Projekt ein Tool entwickelt, dass für die Dimensionierung von Pipelines genutzt werden kann. Es berücksichtigt Materialeigenschaften, ökonomische und Bau-spezifische Faktoren bei der Auslegung von Pipelines. Weiterhin ist anzunehmen, dass die großen H2-Verbraucher eine Hochlaufphase durchlaufen werden. In diesen Hochlaufphasen können konventionelle Verkehrsträger wie Lkw, Güterzüge oder Binnenschiffe eingesetzt werden. Um deren Leistungsfähigkeit vor dem Hintergrund der spezifischen Energie- und Ladungsverluste zu bewerten, wurde ein Modell für die Simulation von Logistikkonzepten für die Versorgung von H2-Verbrauchern entwickelt. Eine Simulation eines Usecases zeigte auf, dass besonders beim Transport von LH2 die Energie- und Ladungsverluste eine Rolle bei der wirtschaftlichen Wahl des Verkehrsmittels spielen. Die Erarbeitung von Verlustgrößen orientiert sich an der zugrundeliegenden Datengrundlage. Sofern für das jeweilige Transportkettenelement der recherchierte Verlustdatensatz als ausreichend bewertet wird, ist dieser einer daran angelehnten Modellbildung vorzuziehen, um Simulationstiefen im sinnvollen Rahmen zu halten. Bei einem Datenmangel absoluter Verluste ist alternativ ein Modell numerischen oder analytischen Ansatzes aufzubauen. Sollte für ein Transportkettenelement ein großer Datenmangel bestehen, wird eine Verlustannahme getroffen. Für alle drei Lösungsansätze gilt das Berücksichtigen globaler Einflussparameter. Unter Einbringung adäquater Verlustgrößen in Form einer Programmschnittstelle wurden erste holistische Logistik-Simulationsmodelle entwickelt, verifiziert und validiert. Weitere Usecases von KMU können simuliert werden. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Bericht P 1560 (2024): Einfluss korrosiver Medien auf die Schwingfestigkeit von Offshore-Windenergieanlagen

Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA)

Forschungsvereinigung Schiffbau und Meerestechnik e.V. (FSM)

Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. (DECHEMA)

Dr.-Ing. Sulaiman Shojai, Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann, Prof. Dr. sc. ETH Elyas Ghafoori
Institut für Stahlbau, Leibniz Universität Hannover

Dr.-Ing. Christian Woitzik, DSc.(Tech.) Rüdiger U. Franz von Bock und Polach
Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen, Technische Universität Hamburg

Das IGF-Vorhaben 37 LN der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) wurde im Rahmen des Programms Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

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Kurzzusammenfassung

 Offshore Stahlstrukturen sind zum Teil harschen Umweltbedingungen ausgesetzt. Gleichzeitig sind sie aufgrund zyklischer Belastungen aus Wind, Wellen und Betriebs- bzw. Verkehrslasten ermüdungsgefährdet. Sowohl die ermüdungsgefährdete Stahlkonstruktion als auch der Korrosionsschutz, der über die Jahre degradiert, haben eine begrenzte Lebensdauer. Wenn der Korrosionsschutz seine Lebensdauer erreicht hat und ausfällt, ist der Stahl freier Korrosion ausgesetzt. Um die Tragwerke in diesen Zustand weiterzubetreiben, ist es notwendig, den Einfluss von Korrosion auf die Ermüdungsfestigkeit zu untersuchen. Hierfür sind neue Methoden zu entwickeln, mit denen der tatsächliche Zustand von korrodierten Komponenten der Tragstrukturen erfasst und in Prognosen für eine (Rest-) Lebensdauer integriert werden kann. Stahlkonstruktionen weisen i. d. R. zahlreiche geschweißte Verbindungen auf. Diese verhalten sich aufgrund der bereits vorhandenen Spannungskonzentrationen durch die Schweißnahtgeometrie sowie den Eigenspannungen aus dem Schweißvorgang anders als das Grundmaterial. Deshalb wurden Ermüdungsversuche an korrodierten Grundmaterial-, Kehlnaht- und Stumpfnahtproben durchgeführt. Zusätzlich erfolgten 3D-Scans und Eigenspannungsmessungen. Anschließend wurden die Ermüdungsversuche mit lokalen Ermüdungskonzepten, unter Berücksichtigung der realen Probengeometrie aus den 3D-Scans und den gemessenen Eigenspannungen nachgerechnet. Es konnte gezeigt werden, dass die Kerbspannungen einen großen Einfluss auf die Prognose der Lebensdauer haben. Zusätzlich stellte sich heraus, dass die Eigenspannungen eine wichtige Rolle spielen und zur Bewertung der Restlebensdauer von korrodierten Stahlkomponenten in Betracht gezogen werden müssen. Mit der Anwendung von lokalen Methoden konnte die Streuung in den Wöhlerkurven minimiert und somit die Zuverlässigkeit gesteigert werden. Es konnte für geschweißte Proben gezeigt werden, dass die Berücksichtigung des realen Zustandes von korrodierten Komponenten in der Berechnung der Ermüdungsfestigkeit möglich ist. Mit der Replikatechnik, bei der Abdrücke von korrodierten Komponenten im Rahmen von Bauwerksinspektionen erstellt werden, konnte gezeigt werden, das die Ergebnisse aus den vorangegangenen Untersuchungen auf Basis der Kerbspannungen auf reale Bauwerke übertragbar sind. Weitere Untersuchungen mit insgesamt 12 Monate korrosiver Einwirkungsdauer haben gezeigt, dass die Ermüdungsfestigkeit nicht bei allen Probengeometrien stetig und gleich abfällt. Der Reduktion der Ermüdungsfestigkeit bei Grundmaterialproben beispielsweise ist größer als bei geschweißten Proben, was auf eine geringere Kerbwirkung im Ausgangszustand vor korrosiver Einwirkung zurückgeführt werden kann. Außerdem konnte gezeigt werden, dass es bei langer Korrosionsdauer einen Angleichsungseffekt gibt, der dazu führt, dass unterschiedliche Probengeometrien mit unterschiedlicher Ermüdungsfestigkeit im unkorrodierten Zustand, nach Korrosionseinwirkung ähnliche Ermüdungsfestigkeiten aufweisen. Zurückzuführen ist dies auf die unterschiedliche Interaktion von Korrosion und Schweißnahtkerben. Scharfen Anfangskerben werden durch Korrosion milder und milder Anfangskerben durch Korrosion schärfer.

Bericht P 1559 (2024): Integriertes Planungstool für die Kosten und 3D-Strukturplanung für Offshore-Windparks zur Erzeugung von H2

Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA)

Forschungsvereinigung Schiffbau und Meerestechnik e.V. (FSM)

Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. (DECHEMA)

BA.Sc.Martin Hayduk
Hochschule Stralsund Institut für Regenerative EnergieSysteme (IRES)

M.Sc. Oliver Kühn
Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik (Fh IGP)

Das IGF-Vorhaben 36 LBR der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) wurde im Rahmen des Programms Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

Der Bericht kann bei der FOSTA (FOSTA-Berichte – Matplus Shop) oder beim FSM (info(at)fsm-net.org) bestellt werden.

Kurzzusammenfassung

Aufgrund des Klimawandels besteht der akute Handlungsbedarf, einen Wechsel von fossilen Energieträgern hin zu erneuerbaren Energiequellen vorzunehmen. Offshore- Windparks bieten dabei die Möglichkeit, große Mengen an Strom aus regenerativen Energiequellen bereitzustellen. Allerdings treten bei der Stromproduktion periodische Schwankungen auf, die in den dynamischen Umgebungsbedingungen begründet sind. Um eine Zwischenspeicherung der umgewandelten Energie zu ermöglichen, ist die Herstellung von Wasserstoff aus Offshore-Windenergie sinnvoll. Der dazu verwendete Prozess wird als Elektrolyse bezeichnet. Somit ist es möglich, die Produktion und den Verbrauch der grünen Energie zeitlich zu entkoppeln.

Problemstellung

Bisher haben Offshore-Windparks mit integrierter Wasserstoffinfrastruktur aufgrund ihrer Neuartigkeit nur ein geringes Technology Readiness Level (TRL). In der Gestaltung, Planung und Projektdurchführung fehlt das Erfahrungswissen. Es werden flexible Planungsverfahren benötigt, da das Spektrum an Konfigurationsmöglichkeiten breit ist. So müssen die verschiedenen Arten der Elektrolyse sowie Transporttechnologien mit ihren jeweiligen Stärken und Schwächen betrachtet und für den konkreten Anwendungsfall bewertet werden. Zudem sind die Systemkosten und die Energieproduktion von den Umgebungsparametern abhängig, welche für jedes Szenario variieren können. Diese Einflussgrößen wirken zudem aufeinander ein, wodurch sich die Komplexität der Planung des Gesamtsystems erhöht und eine Einschätzung der Durchführbarkeit anhand wirtschaftlicher Kennzahlen im Augenblick nur mit sehr hohem Aufwand realisierbar ist.

Zielstellung und Lösungsweg

Ziel dieses Forschungsvorhabens war daher die Erstellung einer Planungsmethodik sowie die Entwicklung eines Werkzeuges für die 3D-Struktur- sowie Kostenplanung von Offshore-Windparks mit integrierter Wasserstoffinfrastruktur. Zusätzlich wurde ein systemdynamisches Modell erstellt, mit dem die Zusammenhänge von Einflussfaktoren dargestellt werden. In dem Projekt wurden verschiedene Möglichkeiten der Systemstruktur betrachtet und ein Anwendungsszenario definiert. Mithilfe von konfigurierbaren Parametern (technisch, ozeanografisch etc.) konnten Kennzahlen für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung erstellt werden, wodurch eine szenarioanalytische Betrachtungsweise umgesetzt wurde. Als Datengrundlage für die Umgebungsparametern wurden Geoinformationssystem-Daten (GIS-Daten) in das System integriert, um Umgebungsparameter und standorttypische Faktoren in den Planungsprozess einzubeziehen (Entfernung zur Küste, Wassertiefe etc.). Anhand dieser Parameter erfolgte die Kalkulation des produzierten Wasserstoffs sowie dessen Verrechnung mit den Systemkosten.

FSM-Bericht 6/2024: Verbesserte Nutzung des Betriebsfestigkeitspotentials von freien thermisch geschnittenen Kanten in schiffbaulichen Stahlkonstruktionen (Brennschnittkanten)

Technische Universität Hamburg – Institut für Konstruktion und Festigkeit von Schiffen
M.Sc. Jan-Hendrik Grimm

Technische Universität Braunschweig – Institut für Füge- und Schweißtechnik IfS
Dipl.-Ing. Markus Köhler

Das im Folgenden dargestellte Forschungsprojekt „Verbesserte Nutzung des Betriebsfestigkeitspotentials von freien thermisch geschnittenen Kanten in schiffbaulichen
Stahlkonstruktionen“ wurde gefördert von der gemeinnützigen Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V. Zweck der Stiftung ist die Förderung der Forschung auf dem Gebiet der Stahlverarbeitung und –anwendung in der Bundesrepublik Deutschland. Geprüft wurde das Forschungsvorhaben von
einem Gutachtergremium der Forschungsvereinigung der Arbeitsgemeinschaft der Eisen und Metall verarbeitenden Industrie e.V. (AVIF), das sich aus Sachverständigen der Stahl anwendenden Industrie und der Wissenschaft zusammensetzt. Begleitet wurde das Projekt von einem Arbeitskreis des Verbandes für Schiffbau und Meerestechnik e.V. (VSM) sowie der Forschungsvereinigung Schiffbau und Meerestechnik e.V. (FSM).

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Zusammenfassung

Die Stahlkonstruktionen von Schiffen zeichnen sich dadurch aus, dass mit Hilfe von Profilen und Trägern ausgerüsteten Paneelen ganze Sektionen des Schiffskörpers gefertigt werden. Neben diesen geschweißten Komponenten werden einzelne Bereiche immer mit Öffnungen versehen, um beispielsweise Lukenecken im Oberdeck von Containerschiffen oder großen Fenstern in Passagierschiffen zu erhalten. Gerade die letztgenannten Fensteröffnungen haben sich im Laufe der letzten Jahre im europäischen Schiffbau zu einem wichtigen Konstruktionsdetail entwickelt, da die Entwürfe im Schiffsdesign einen Trend zu immer größeren Fenstern im Bereich von Außenkabinen beim Bau von Kreuzfahrtschiffen und Yachten zeigen. Größere Öffnungen und damit verminderte Strukturen sind bei der Betrachtung im Festigkeitsnachweis immer einem besonderen Augenmerk aufgrund der zu erwartenden Spannungskonzentrationen zu unterziehen. Das bedeutet, dass jegliche Art von Ausschnitten aus den schiffbaulichen Paneelen im globalen und lokalen Festigkeitsnachweis zu berücksichtigen und mit den geltenden Regelwerken der Klassifikationsgesellschaften zu bewerten sind. Weiterhin ist der Trend wahrzunehmen, die stahlbauliche Konstruktion aus der Motivation der Gewichtsersparnis mit immer geringeren Plattendicken zu gestalten. Um die Tragfähigkeit der Struktur im Gleichschritt mit einer ausreichenden Festigkeit zu versehen, finden zunehmend höherfeste und in Zukunft unter Umständen auch hochfeste Stähle mit Streckgrenzen von bis zu 690 N/mm2 Einsatz.

Diese Optimierung der schiffbaulichen Strukturen ist gleichwohl mit der Anforderung versehen, das Strukturverhalten korrekt bewerten zu können. Im Nachweis der Festigkeit des Schiffskörpers wird im Falle der Betriebsfestigkeit traditionell den geschweißten Verbindungen eine große Bedeutung eingeräumt. Doch auch die freien Blechkanten werden aus den zuvor genannten Gründen immer bedeutsamer in ihrer Auslegung. Diese Blechkanten entstehen in der Regel auf den Fertigungsanlagen der Werften durch thermische Trennverfahren wie dem Plasmaschneiden oder dem autogenen Brennschneiden. Solche Blechkanten werden im fortlaufenden Fertigungsprozess im Regelfall mit Hilfe unterschiedlicher Werkzeuge bearbeitet, um eine möglichst kerbarme Geometrie zu erhalten und den Anforderungen an Beschichtungssysteme zu entsprechen.

Die Empfehlungen zur Bewertung der Betriebsfestigkeit solcher Details basieren zum Teil auf einige Jahrzehnte zurückliegende Forschungsergebnisse, die unter Umständen nicht mehr dem derzeitigen Stand der Technik entsprechen. Dieser Sachverhalt wurde in den Vorgesprächen mit den Vertretern der Industrie bemängelt, da er zu einer zu konservativen Gestaltung der Struktur führe. Dies ist einhergehend damit, dass in dünnwandigen Strukturen häufig Einsatzplatten mit einer größeren Materialdicke verbaut werden, um die lokale Spannungskonzentration abzumildern. Insbesondere dieses Einbringen von zusätzlichem Material bedeutet einen hohen Kosten- und Arbeitsaufwand für den jeweiligen Betrieb. Zudem ist zusätzliches Material auch immer einhergehend mit höherem Gesamtgewicht des Schiffes, was nach Möglichkeit vermieden werden sollten. Genau an diesem Punkt greift dieses Forschungsvorhaben den aktuellen Bedarf nach neuen Erkenntnissen in der Bewertung dieser Konstruktionsdetails auf. Zwar finden sich in der Literatur fortlaufende Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten unterschiedlicher thermisch geschnittener Kanten, jedoch wurde dabei bisher der Effekt einer definierten, einheitlichen Nachbehandlung der Kantengeometrie außer Acht gelassen.

Das Ziel dieses Vorhabens ist es, das Ermüdungsverhalten von thermisch geschnittenen Stahlblechkanten mit einer definierten Nachbehandlung der Kante zu untersuchen. Die Ergebnisse sollen dazu dienen, den aktuellen Stand der Technik besser abbilden zu können und schiffbauliche Strukturen konstruktiv effektiver ausschöpfen zu können. Um das Gesamtziel zu erreichen, wurden folgende Teilaufgaben definiert, die dazu dienen, abschließend Empfehlungen abzuleiten:
1. Ermittlung des aktuellen Stands der Technik auf Basis von Referenzproben, welche durch die Teilnehmer mit den jeweils üblichen Behandlungsmethoden bearbeitet wurden. Zudem wurde auf Basis dieser Versuche eine einheitliche Methode festgelegt, welche für die folgenden Untersuchungen angewendet wurde
2. Bestimmung der Werkstoffeigenschaften durch umfangreiche Charakterisierung von Probenkörpern
3. Ermittlung des Ermüdungsverhaltens unterschiedlicher Probenserien mit konstanten und variablen Lastamplituden
4. Einordnung und Analyse der Ergebnisse, Ausarbeitung von Empfehlungen für die industrielle Anwendung

Die Teilaufgaben wurden an den beiden beteiligten Forschungsstellen bearbeitet und in regelmäßigen Sitzungen mit dem projektbegleitenden Ausschuss diskutiert.

Auf Basis der genannten Arbeitspunkte konnte gezeigt werden, dass die thermisch geschnittenen Brennschnittkanten mit einer definierten Nachbehandlung ein Ermüdungsverhalten zeigen, welches zum Teil deutliche höhere Kennwerte erzielt, als in den verfügbaren Empfehlungen und Regelwerken offeriert wird. Zudem konnte gezeigt werden, dass eine Nachbehandlungsmethode, die mit werftüblichen Werkzeugen appliziert werden kann, wirksam für alle untersuchten Serien angewendet werden konnte. Für die geometrische Form wurde sich dabei für eine Fase entschieden, die mit dem Schleifprozess in Längsrichtung aufgebracht wurde.
Die gewählte Methode mittels Stabschleifer und passendem Schleifaufsatz konnte ähnliche gute Werte erzielen, wie sie an Referenzserien zu finden waren, die mittels CNC-Maschine einen Radius oder eine Fase an allen Kanten erhielten. Weiterhin konnte herausgestellt werden, dass die Streckgrenze der untersuchten Stähle einen deutlich erkennbaren Einfluss auf das Ermüdungsverhalten und die ertragbaren Lasten hat. Mit zunehmender Werkstofffestigkeit, bis zu der höchsten in diesem Vorhaben untersuchten Stahlsorte S690, konnte ein kontinuierlicher Zuwachs im Ermüdungsverhalten beobachtet werden.

In der näheren Betrachtung des Versagensverhaltens konnte herausgestellt werden, dass die Betrachtung der Anrissorte als Bewertungskriterium einer wirksamen Nachbehandlungsmethode herangezogen werden kann. Freie Blechkanten ohne eine Nachbehandlung weisen, häufig eine Rissinitiierung an den scharfkantigen Ecken auf, welche einhergehend mit der lokalen Spannungskonzentration an diesem Punkt sind. Durch Aufbringen eines Radius oder einer Fase konnte gezeigt werden, dass die Anrisse verlagert werden und von der Schnittfläche oder der Plattenoberfläche erfolgen.

Insgesamt kann festgehalten werden, dass die erzielten Ergebnisse einen merklichen Mehrwert für die Bewertung von thermisch geschnittenen Kanten im Betriebsfestigkeitsnachweis liefern. Nachfolgend werden die ausgearbeiteten Kennwerte mit den im Vorhaben beteiligten Klassifikationsgesellschaften diskutiert, um die
Erkenntnisse nach Möglichkeit in den Empfehlungen und Regelwerken zu berücksichtigen. Dieses Vorhaben trägt somit dazu bei, die Bewertungsmöglichkeiten im Festigkeitsnachweis zu verbessern und das Potential von neuen Schiffbaukonstruktionen besser auszuschöpfen.