複合材と鋼構造のシームレス統合、FAUSSTジョイントシステムで船舶軽量化

このブログは、2019年12月の特集記事「複合材で船舶軽量化の障壁を除去する」のコンパニオンピースとして、さらなる詳細とビジュアルを共有します。

HYCONNECT GmbH（ドイツ・ハンブルク）は、ドイツ海事産業のR&DセンターであるCenter of Maritime Technologies（CMT、ハンブルク）で10年間働いた船舶技師Dr. Lars Molter氏が設立したスタートアップです。「メガヨットとクルーズ船を建造するドイツ企業はすべて同じ問題を抱えています」とMolter氏。「顧客は更なる設備、もう一層のデッキ、騒音・温度対策の更なる断熱、曲面形状や統合照明などの新デザイン機能を求めます。アルミや鋼でもこれらの設計は可能ですが、非常に時間とコストがかかります。」

船舶は通常、溶接鋼コンポーネントのブロックで建造され、より速い組立を実現します（写真参照）。FAUSSTジョイントシステムにより、大型複合材壁パネルや他構造物をこれらの鋼フレームワークに溶接組み込みでき、現在の造船生産手法を用いた軽量建造を可能にします。Source: Meyer Werft

ハイブリッド構造における接着接合の課題

Molter氏をはじめ多くの人が複合材の船舶へのメリットを見ていますが、現在は鋼で建造されています。オールコンポジット船の開発も進んでいますが、その間にも多様な複合材コンポーネントで船体重量と排出量を削減する大きな機会があります。しかし課題は、それらを船の鋼フレームワークにどう接合するかです。「接着を検討しました」と同氏。「しかし、全船に使える標準化されたジョイント設計がなく、SOLASでの接着接合の適用に関する一般的ルールもありません。」

国際海事機関（IMO、英国ロンドン）が定める海上人命安全（SOLAS）規則では、2002年まで商船は鋼で建造することが義務付けられていました。その後MSC/Circ.1002により代替設計が許可されました。しかしこれらの代替案には、代替設計・建造が鋼と同等であることを示すリスク分析の実施が必要で、これは長く、高コストで、建造船舶ごとに個別対応が必要です。

「DNV GLに異種材ジョイントで何が承認されるか尋ねました」とMolter氏。「一次構造には通常機械的固定が必要で、純粋な接着は冗長ファスナーなしでは容易に認定されない、との回答でした。」純粋接着一次構造への規制当局の冗長ファスナー要求と個別認定の問題は、商用航空機でも全く同じです。「また接着では環境とプロセスを管理しなければなりませんが、造船所では溶接と切断が主導する中でこれは困難です」と同氏。

FAUSSTジョイント

「だから、機械的固定を伴う非接着ソリューションが必要でした」とMolter氏。「繊維を金属にどう接続するか、ずっと考えていました。」CMTがドイツ資金援助のFAUSST（Fiber and Steel Standard joint）プロジェクトで答えを出しました。Fritz Moll Textilwerke（ドイツ・アルトシャウゼン）と協力し、100%ガラス繊維から100%鋼繊維へ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ました。

ファブリック構造は、鋼繊維とガラス繊維が蛇行・重なるように設計され、摩擦と交差点でのインターロックにより負荷伝達を実現。この構造は、機械的インターロック用のニットファブリックと、ジョイントを貫く負荷担持用の単方向繊維を両立させています。電子制御編み機で時速100メートルまでの速度で生産されます。

次のステップは、これを金属コネクタ（プレートや中空プロファイル）に取り付けることです。鋼繊維を大型銅電極ホイールを用いた抵抗シーム溶接（プレス溶接）でコネクタに溶接します。Molter氏は、これは自動車のスポット溶接のようなものだが、長い連続シームを生成するよう適応させたと説明します。このプロセスにより、FAUSSTコネクタを1層または複数層のファブリックで、堅牢でよく知られたプロセスで効率的に生産できます。

HYCONNECTが販売するのは、鋼コネクタに溶接されたこのファブリックです。「造船所やその複合構造物サプライヤーが我々のジョイントシステムを採用すると決めた場合」とMolter氏は説明します。「ジョイント荷重と鋼コネクタタイプを指定し、我々がFAUSSTジョイントを設計・生産します。これが納品され、彼らが複合構造物に注入し、造船所が船の鋼フレームワークに溶接組み込みます。」

剛性とCTEミスマッチの管理

FAUSSTハイブリッドファブリックの鋼繊維とガラス繊維間には剛性ミスマッチがあります。Molter氏は、ファブリック製造方法でこれはある程度緩和されると説明します。「5-7プライで糸がインターロックし、鋼繊維がガラス繊維ファブリックにどの程度食い込むかを調整します。負荷伝達の大きなピークは避けたい。これらの層と構成繊維を変更することで剛性を調整できます。例えばガラス繊維の割合や方向など。」追加の±45°繊維でより高いせん断応力に対応でき、鋼コネクタとガラス繊維複合材の異なる熱膨張係数（CTE）の管理にも役立ちます。「タフテッドファイバーで厚み方向に補強し、より高荷重や特殊構造にも設計対応できます」とMolter氏。

鋼コネクタと繊維強化プラスチック（FRP）の厚みミスマッチも対処必要です。「両材料の中立軸を揃えなければなりません」とMolter氏。「通常、鋼コネクタのエッジを30°テーパーに機械加工し、実質的にFRPへの効率的負荷伝達のためのテーパージョイントを作ります。」

HYCONNECTがFAUSSTジョイントを設計・生産し、複合構造物に注入、最終的に船の鋼フレームワークに溶接組み込みます。Source: Hyconnect.

標準化ジョイントシステムの開発

Molter氏は2018年にCMTを離れHYCONNECTを設立し、FAUSSTジョイント技術の商業化を進めています。同社は多様な業界パートナーと規制当局と協力し、試験とジョイント設計の反復を行ってきました。目標はFAUSSTジョイント製品の「ファミリー」を開発することです。「FAUSSTファブリック層を増やすことで荷重担持能力が線形に向上します」とMolter氏。「ベース製品は、1メートルフラットバー溶接の4層FAUSSTで、特定の引張・曲げ荷重定格。左側には2-3層で低荷重定格製品、右側には5-6層で高荷重定格製品を配置。詳細はまだ最終調整中ですが、標準化され使いやすいシステムを目指しています。」

HYCONNECTの試験では、4層FAUSSTファブリックのジョイントで217kN/mのライナージョイント強度を実現。Source: Hyconnect.

今後の展開

FAUSSTジョイント製品の機械的特性評価は進行中ですが、Molter氏は接着ジョイントと競合可能と指摘します。「また、溶接の超音波やX線検査による100%検査も可能です」と付け加えます。プロトタイプは選定顧客向けに現在生産中で、2020年にスケールアップ予定です。

一方、HYCONNECTには自動車メーカーや鉄道用途メーカーからも関心が寄せられています。「金属インサートへの応用可能性があり、建築分野でも可能性を見ています」とMolter氏。「より多くの業界がハイブリッド構造の価値と、プレアウトフィット済み半製品による短時間組立の可能性を認識しつつあります。」