Der Einsatz von Leichtbauwerkstoffen in großen Schiffen nimmt Fahrt auf – nicht zuletzt dank neuer Verbindungstechnologien. Das Projekt HyFive soll der Entwicklung weiteren Schub geben.
Hybride Textilien aus Glas- und Metallfasern lassen sich in Faserverbundbauteile integrieren und zugleich mit einem metallischen, und damit schweißbaren Anschlusselement versehen
Saertex
Es gibt viele gute Gründe für den Leichtbau von Schiffen: Ein geringeres Eigengewicht bedeutet weniger Treibstoffverbrauch, höhere Nutzlasten oder einen geringeren Tiefgang, wodurch neue Schiffsrouten erschlossen werden könnten. Zudem ist die Schifffahrt für mindestens 2,5 Prozent der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich.
Demgegenüber steht Stahl als weiterhin dominierender Werkstoff für den Bau von Tankern Container- oder Kreuzfahrtschiffen. Doch es tut sich etwas im Schiffbau: Leichtere und nichtmagnetisierbare Werkstoffe wie Aluminiumlegierungen und Kunststoffe sowie neue Schweiß- und Fertigungstechniken halten nach und nach Einzug, wie Hansgeorg Hofmann und Jürgen Spindler im Kapitel Anwendungsgebiete neuer Werkstoffe im Buch Aktuelle Werkstoffe schreiben. Neue Werkstoffe und Verbindungstechniken ermöglichen die im Schiffbau geforderten einfachen Konstruktionsweisen bei zugleich ausreichender Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit:
- Verbindungen von Stahl und Aluminium: Hierfür werden Streifen aus Verbundprofilen oder explosionsgeschweißte Platten herausgeschnitten und mit dem gleichen Metall gefügt.
- Aluminiumlegierungen mit Magnesium und Mangan: Alumiumrümpfe werden dabei grundsätzlich als ausgesteifte und geschweißte Blechkonstruktion konstruiert.
- Faserkunststoffverbunde, beispielsweise in Vinyl- oder ungesättigten Polyesterharzen eingebettete Aramidfasern oder, für hochbelastete große dreidimensionalen Formteile, glasfaserverstärkte (GFK) oder kohlefaserverstärkte Kunststoffverbunde (CFK).
- Sandwichbauweisen, beispielsweise das unter dem Markennamen SPS bekannte Sandwich-Plate-System, einem Verbund aus Stahl und Polyurethan, oder in Phenolharz getränkte Polyamidwaben mit hochfesten Decklagen.
Was den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen hemmt
Obwohl insbesondere Kunststoffverbunde die Anforderungen an moderne Schiffe erfüllen, stehen ihrer breiteren Nutzung bislang verschiedene Gründe entgegen, wie Rafael Luterbacher und Lars Molter in einem Beitrag für die lightweight.design 2/2018 erläutern. Zum einen erschwert der Zeitdruck beim Bau der bis zu 800 Millionen Euro teuren, nur ein einziges Mal produzierten Schiffe die Einführung neuer Technologien. Weiterhin hat eine Regelung der Internationalen Seeschifffahrts-Organisation IMO den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen noch bis vor wenigen Jahren aus Feuerschutzgründen untersagt.
Die Autoren gehen davon aus, dass Mischbauweisen aus Metall und Faserverbundwerkstoffen in künftigen Schiffen dominieren werden. Da mechanische und klebtechnische Verbindungstechnologien beim Fügen der Materialklassen jedoch spezifische Nachteile aufweisen, haben Forschende um die ehemaligen Mitarbeiter Luterbach und Molter am Center of Maritime Technologies (CMT) einen Standardverbinder für Metall- und Faserverbundwerkstoffe entwickelt, der den geltenden Schiffbaunormen entspricht und sich problemlos in die Fertigung auf Werften integrieren lässt. Der Fausst genannte Verbinder besteht aus einem metallischen Anschlusselement, zum Beispiel einem Flacheisen, an das eine oder mehrere hybride Gewirke angeschweißt werden. Mittels Laminieren können diese hybriden Textilien in den Herstellungsprozess von Faserverbundbauteilen integriert werden. Nach dem Aushärten verfügt das Bauteil dann über einen Stahlflansch, der mit gängigen schiffbautechnischen Methoden gefügt werden kann. Der Fausst-Verbinder wird heute als Produkt von der durch Molter ausgegründeten Firma Hyconnect angeboten.
Schweißen statt Kleben
Das kürzlich gestartete Forschungsprojekt HyFive (Hybride Fügetechnologie für Verbindungen im maritimen Einsatz) setzt nun die Erforschung und Entwicklung neuer Fügetechnologien für Stahl und Faserverbundwerkstoffe fort. Insbesondere sollen dabei Alternativen zu Klebverfahren entwickelt werden, da sie den zeitlichen und kostentechnischen Ansprüchen des Schiffbaus oftmals nicht genügen, wie eine Pressemitteilung zum Projekt wissen lässt. Neue Prozesse und Methoden für klebefreie Fügetechnologien sollen für unterschiedliche Anwendungen im Schiffbau evaluiert und mittels Demonstratoren und Brandversuchen verifiziert werden. Das Konsortium setzt sich zusammen aus den Unternehmen Saertex, AR Engineers, Fritz Moll Textilwerke, Hyconnect, Eikboom, SKZ sowie dem Faserinstitut Bremen und der Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt Halle.