複合材料を鋼に接続する

このブログは、2019年12月の特集記事「複合材を使用した船の軽量化への障壁の除去」の関連記事であり、いくつかの詳細とビジュアルを共有しています。

HYCONNECT GmbH（ハンブルク、ドイツ）は、ドイツの海事産業のR＆DセンターであるCentre of Maritime Technologies（CMT、ハンブルク、ドイツ）の造船技師であり、10年のベテランであるDr. LarsMolterによって設立されたスタートアップです。 「メガヨットとクルーズ船を製造しているドイツの企業はすべて同じ問題を抱えています」とモルターは言います。 「彼らの顧客は、より多くの機器、別のデッキ、ノイズや温度に対する断熱性、または湾曲した形状や統合された照明などの新しい設計機能を追加したいと考えています。アルミニウムや鋼でこれらの設計を行うことができたとしても、それは非常に時間とコストがかかります。」

船は通常、ここに示すように、組み立てを高速化するために溶接鋼部品のブロックに組み込まれています。 FAUSSTジョイントシステムは、大きな複合壁パネルまたは他の構造をこれらの鋼フレームワークに溶接することを可能にし、現在の船舶製造方法を使用して軽量構造を提供します。ソース|マイヤー・ヴェルフト

ハイブリッド構造での接着剤による接着の問題

モルターや他の多くの人々は、複合材料が船にもたらす利点を理解できますが、現在、船は鋼で造られています。全複合船の開発に取り組んでいる人はたくさんいますが、それまでの間、さまざまな複合部品を使用して船の重量と排出量を削減する大きなチャンスがあります。ただし、1つの問題は、それらを船の鉄骨フレームにどのように結合するかです。 「私たちは接着を検討しましたが、すべての船で使用できる標準化されたジョイント設計はなく、SOLASで接着剤による接着を適用する方法に関する一般的な規則はありません。」と彼は説明します。

国際海事機関（IMO、ロンドン、英国）によって発行されたSafety Of Life At Sea（SOLAS）規則では、MSC / Circの2002年まで、商用船を鋼で建造することが義務付けられていました。 1002が発行され、代替設計が可能になりました。ただし、これらの代替案では、リスク分析を実行する必要があります。これは、代替案の設計と構造が鋼と同等であることを示しています。これは、建造される船舶ごとに長く、費用がかかり、特注のプロセスです。

「私たちはDNVGLに、異種材料の接合部に対して何を承認するかを尋ねました」とMolter氏は言います。 「彼らは、一次構造は通常、機械的な取り付けが必要になると述べました。余分な留め具がないと、純粋な接着は簡単に認定されません。」冗長ファスナーと純粋に接着された一次構造に対する特注の認証と規制当局の要件に関するこれらの問題は、民間航空機にも同様に存在します。 「また、ボンディングでは、環境とプロセスを制御する必要があります」と彼は言い、造船所の建設を支配する溶接と切断の中でこれは難しいと述べています。

FAUSSTジョイント

ガラス繊維と鋼繊維を組み合わせたFAUSSTハイブリッドファブリック。ソース| Hyconnet

「そのため、接着なしのソリューションが必要でしたが、機械的なアタッチメントが必要でした」とMolter氏は言います。 「私たちは、繊維を金属にどのように接続するのか疑問に思っていました。」 CMTは、Fritz Moll Textilwerke（Altshausen、Germany）と共同で、100％ガラス繊維から100％鋼に移行するハイブリッドワープニットテキスタイルを開発した、ドイツが資金提供したFAUSST（繊維と鋼の標準ジョイント）プロジェクトで答えます。繊維。

ファブリックアーキテクチャは、鋼とガラス繊維が蛇行して重なり合うように設計されており、摩擦による荷重伝達と交差点でのインターロックを実現します。このアーキテクチャはまた、ジョイントを介して荷重を運ぶための一方向繊維と機械的インターロックのためのニット生地のバランスを取ります。生地は、電子制御の編み機で最大100メートル/時の速度で製造されます。

次のステップは、これを金属コネクタに接続することです。金属コネクタは、プレートまたは中空のプロファイルである可能性があります。鋼繊維は、大きな銅電極ホイールを使用した抵抗シーム溶接（プレス溶接）を使用してコネクタに溶接されます。 Molterは、これは自動車のスポット溶接に似ていますが、長く連続した継ぎ目を生成​​するように適合されていると説明しています。このプロセスにより、堅牢でよく知られたプロセスを使用して、1層または複数層のファブリックを備えたFAUSSTコネクタを効率的に製造できます。

Hyconnectは、シーム溶接を使用してFAUSSTファブリックをスチールコネクタに接合します。ソース| Hyconnect。

これがHYCONNECTが販売しているものです。スチールコネクタに溶接されたファブリックです。 「造船所またはその複合構造物のサプライヤーは、当社の共同システムを使用することを決定しました」とMolter氏は説明します。 「彼らはジョイントの負荷と鋼製コネクタのタイプを指定し、次にFAUSSTジョイントを設計および製造します。これが私たちが提供するものであり、彼らはそれを複合構造に注入し、造船所はこれらを船の鉄骨構造に溶接します。」

剛性とCTEの不一致の管理

FAUSSTハイブリッドファブリックでは、スチールファイバーとグラスファイバーの間に剛性の不一致があります。 Molterは、これはファブリックの製造方法によっていくらか軽減されると説明しています。荷重伝達に大きなピークは必要ありません。これらの層とその構成繊維、たとえばガラス繊維の割合や方向などを変更することで、剛性を変更できます。」より高いせん断応力を処理するために追加の±45°ファイバーを追加することができ、スチールコネクターとグラスファイバーコンポジット間の異なる熱膨張係数（CTE）の管理にも役立ちます。 「房状の繊維を使用して厚さ全体を補強することで、より高い荷重や特殊な構造に合わせて設計することもできます」とMolter氏は説明します。

スチールコネクタと繊維強化プラスチック（FRP）の間の厚さの不一致にも対処する必要があります。 「両方の材料の中立軸を揃える必要があります」とMolter氏は言います。 「これは通常、鋼製コネクタのエッジを30°のテーパーに機械加工し、事実上、FRPへの効率的な荷重伝達のためのテーパージョイントを作成することによって実現されます。」

Hyconnectは、FAUSSTジョイントを設計および製造します。これは、複合構造に注入され、最後に船の鉄骨フレームに溶接されます。ソース| Hyconnect。

標準化されたジョイントシステムの開発

モルターはCMTを去り、FAUSST共同技術を商業化するために2018年にHYCONNECTを設立しました。同社は、さまざまな業界パートナーや規制当局と協力して、テストを実行し、共同設計を繰り返してきました。目標は、FAUSST共同製品の「ファミリー」を開発することです。 「FAUSSTファブリックの層を増やすことで、耐荷重能力が直線的に向上します」とMolter氏は説明します。 「したがって、基本製品は、1メートルのフラットバーが溶接された4層のFAUSSTであり、特定の引張および曲げ荷重に対して定格が定められています。次に、左側にいくつかの製品があり、定格荷重が低い場合は2層または3層を使用し、定格荷重が高い場合は5層または6層などの右側にある製品があります。これらの詳細はまだ完成していませんが、目標は標準化された使いやすいシステムです。」

4層のFAUSSTファブリックで構成されるジョイントのハイコネクトテストにより、217 kN / Mのライナージョイント強度が得られます。ソース| Hyconnect。

FAUSSTジョイント製品の機械的特性評価はまだ進行中ですが、Molterはそれらが接着ジョイントと競合していると指摘しています。 「また、溶接部の超音波またはX線検査を使用して100％検査することもできます」と彼は付け加えます。プロトタイプは現在、選択された顧客向けに作成されており、2020年にスケールアップする予定です。

一方、HYCONNECTは、鉄道用途に関心のある自動車会社やメーカーからも関心を持っています。 「この技術を金属インサートに使用する可能性があり、建物の建設にも応用できる可能性があります」とMolter氏は言います。 「ますます多くの業界が、ハイブリッド構造の価値と、事前に装備された半製品を使用した短い組み立て時間の可能性を認識しています。」