Бесшовная интеграция композитных материалов со стальными конструкциями

Этот блог — спутник моей статьи за декабрь 2019 года «Устранение барьеров для облегчения судов с композитами», делясь ещё несколькими деталями и визуалами.

HYCONNECT GmbH (Гамбург, Германия) — стартап, основанный д-ром Ларсом Молтером, корабельным архитектором и 10-летним ветераном Центра морских технологий (CMT, Гамбург, Германия), НИОКР-центра для немецкой морской промышленности. «Немецкие компании, строящие мегаяхты и крейсеры, все имеют одну и ту же проблему», — говорит Молтер. «Их клиенты хотят добавить больше оборудования, ещё одну палубу, больше изоляции от шума и температуры или новые дизайнерские фичи, такие как изогнутые формы и интегрированное освещение. Даже если они могут сделать эти дизайны с алюминием или сталью, это очень затратно по времени и стоимости».

Корабли обычно строятся блоками сварных стальных компонентов для более быстрой сборки, как показано здесь. Система соединений FAUSST позволяет вваривать крупные композитные стеновые панели или другие структуры в эти стальные рамы, предлагая лёгкое строительство с использованием текущих методов судостроения. ИСТОЧНИК | Meyer Werft

Проблемы клеевого соединения в гибридных структурах

Молтер и многие другие видят выгоды, которые композиты могут дать для судов, но сейчас корабли строятся из стали. Многие работают над разработкой полностью композитных судов, но тем временем существует значительная возможность снизить вес и выбросы судов с различными композитными компонентами. Одна проблема, однако, — как присоединить их к стальной раме корабля. «Мы смотрели на клеение», — объясняет он, — «но нет стандартизированного дизайна соединения, которое можно использовать во всех судах, и нет общих правил о том, как применять клеевое соединение в SOLAS».

Регламент Безопасности жизни на море (SOLAS), изданный Международной морской организацией (IMO, Лондон, Великобритания), требовал, чтобы коммерческие корабли строились из стали до 2002 года, когда был выпущен MSC/Circ. 1002, разрешающий альтернативные дизайны. Эти альтернативы, однако, требуют проведения анализа рисков, показывающего, что альтернативный дизайн и строительство эквивалентны стали — процесс, который долог, дорог и индивидуален для каждого строящегося судна.

«Мы спрашивали DNV GL, что они одобрят для соединений из разных материалов», — говорит Молтер. «Они сказали, что первичная структура обычно требует механического крепления; чистое клеение не будет сертифицировано легко без избыточных крепежей». Эти проблемы с индивидуальной сертификацией и требованием регуляторных органов избыточных крепежей против чисто клеёных первичных структур идентично присутствуют в гражданской авиации. «Кроме того, с клеением вы должны контролировать среду и процесс», — говорит он, отмечая, что это сложно среди сварки и резки, которые обычно доминируют в судостроении.

Соединения FAUSST

Гибридная ткань FAUSST, комбинирующая стекловолокно и стальное волокно. ИСТОЧНИК | Hyconnet

«Так что нам нужно решение без клея, но с механическим креплением», — говорит Молтер. «Мы продолжали думать: как соединить волокна с металлом?» CMT ответила на это в немецко-финансируемом проекте FAUSST (Fiber and Steel Standard joint), который разработал, в сотрудничестве с Fritz Moll Textilwerke (Альтхаузен, Германию), гибридную вязаную ткань, переходящую от 100% стекловолокна к 100% стальному волокну.

Архитектура ткани спроектирована так, что стальные и стекловолокнистые нити меандрят и перекрываются, что достигает передачи нагрузки за счёт трения и зацепления в точках пересечения. Эта архитектура также балансирует вязаную ткань для механического зацепления с однонаправленными волокнами для переноса нагрузки через соединение. Ткань производится на электронно-управляемой вязальной машине со скоростью до 100 метров в час.

Следующий шаг — прикрепить это к металлическому соединителю, который может быть пластиной или полым профилем. Стальные волокна сварены к соединителю с использованием контактного швового сварки (пресс-сварки) с большим медным электродным колесом. Молтер объясняет, что это похоже на точечную сварку в авто, но адаптировано для производства длинного непрерывного шва. Этот процесс позволяет эффективно производить соединители FAUSST с одним или несколькими слоями ткани, используя надежный и хорошо известный процесс.

Hyconnect использует шововую сварку для соединения ткани FAUSST со стальными соединителями. ИСТОЧНИК | Hyconnect.

Это то, что продаёт HYCONNECT: ткань, сварённая к стальному соединителю. «Судостроительный завод или его поставщик композитных структур решает использовать нашу систему соединений», — объясняет Молтер. «Они задают нагрузку на соединение и тип стального соединителя, а мы проектируем и производим соединение FAUSST. Это то, что мы поставляем, и они затем инфьюзируют это в свои композитные структуры, а судостроительный завод затем вваривает эти в стальную раму корабля».

Управление несоответствием жёсткости и КТР

Существует несоответствие жёсткости между стальными и стекловолокнистыми волокнами в гибридной ткани FAUSST. Молтер объясняет, что это смягчается немного тем, как производится ткань, «используя 5-7 слоёв, где пряжи переплетаются, и мы варьируем, как далеко стальные волокна простираются в стекловолокнистую ткань. Вы не хотите больших пиков передачи нагрузки. Мы можем модифицировать жёсткость, модифицируя эти слои и их составляющие волокна, например, процент и направление стекловолокна и т.д.». Дополнительные ±45° волокна могут быть добавлены для работы с более высокими сдвижными нагрузками и также помогают управлять разными коэффициентами термического расширения (КТР) между стальным соединителем и стекловолокнистым композитом. «Мы также можем проектировать для более высоких нагрузок или специальных конструкций, армируя через толщину с использованием tuf-волокон», — объясняет Молтер.

Несоответствие толщины между стальным соединителем и волокно-армированным пластиком (FRP) также должно быть адресовано. «Нейтральная ось обоих материалов должна быть выровнена», — говорит Молтер. «Обычно это достигается обработкой края стального соединителя к 30° конусу, создавая, в эффекте, коническое соединение для эффективной передачи нагрузки к FRP».

Hyconnect проектирует и производит соединения FAUSST, которые затем инфьюзируются в композитные структуры и, наконец, ввариваются в стальную раму корабля. ИСТОЧНИК | Hyconnect.

Разработка стандартизированной системы соединений

Молтер покинул CMT и основал HYCONNECT в 2018 году для коммерциализации технологии соединений FAUSST. Компания работала с различными промышленными партнёрами и регуляторными органами для проведения тестов и итерации дизайнов соединений. Цель — разработать «семейство» продуктов соединений FAUSST. «Существует линейный рост несущей способности при применении большего числа слоёв ткани FAUSST», — объясняет Молтер. «Так что базовый продукт может быть четырьмя слоями FAUSST с 1-метровой плаской прутком, сварным к нему, рассчитанным на определённую растягивающую и изгибающую нагрузку. Затем будут некоторые продукты доступные влево, использующие два или три слоя для более низкого рейтинга нагрузки, и некоторые вправо, такие как пять или шесть слоёв для более высокого рейтинга. Мы всё ещё финализируем эти детали, но цель — стандартизированная, лёгкая в использовании система».

Тестирование соединений Hyconnect из четырёх слоёв ткани FAUSST даёт 217 кН/м линейную прочность соединения. ИСТОЧНИК | Hyconnect.

Механическая характеристика продуктов соединений FAUSST всё ещё в процессе, но Молтер указывает, что они конкурентоспособны с клеёными соединениями. «Они также позволяют 100% инспекцию с использованием ультразвукового или рентгеновского тестирования шва», — добавляет он. Прототипы сейчас производятся для выбранных клиентов и будут масштабированы в 2020 году.

В то же время, HYCONNECT также имела интерес от автомобильных компаний и производителей, заинтересованных в железнодорожных применениях. «Есть потенциал использовать эту технологию для металлических вставок, и мы также видим возможные применения в строительстве», — говорит Молтер. «Всё больше отраслей видят ценность гибридных структур и возможность коротких времён сборки с использованием предварительно оснащённых полуфабрикатов».