Internationaal onderzoeksproject hybride constructies schepen

Jaap van Peperstraten

Verbindingen en lijmen centraal.

In de scheepvaart is er grote belangstelling om bij de bouw van nieuwe schepen over te stappen op hybride constructies, dus staal verbonden met composiet. De voordelen zijn legio, maar de grote vraag is: hoe krijg je een betrouwbare verbinding tussen het staal en de composiet die gedurende lange tijd bestand is tegen de omstandigheden op zee? En hoe kom je tot goede regels voor de certificering van schepen met hybride constructies? Sinds enkele jaren loopt er een Europees onderzoeksproject dat op dit soort vragen antwoorden wil geven.

Het zogeheten Interreg onderzoeksproject “Enabling Qualification of Hybrid Structures for Lightweight and Safe Maritime Transport” is gestart in 2017 en eindigt in 2020. Er is een consortium gevormd, bestaande uit elf deskundige organisaties die op bepaalde onderdelen specifieke kennis bezitten (zie Interreg Onderzoeksproject). Daaromheen nemen 16 organisaties deel aan het project als observer. Vereniging ION is er daar één van. Als projectcoördinator fungeert het Materials innovation institute (M2i) in Delft, een netwerkorganisatie die gespecialiseerd is in materiaalonderzoek. De persoon bij M2i die ons alles over de ins en outs van het onderzoeksproject kan vertellen, is dr.ir. Jesus Mediavilla Varas:

“De belangstelling voor hybride constructies in de scheepvaart is makkelijk te verklaren. Door die constructies worden de schepen lichter, hebben ze minder brandstof nodig en daalt de emissie naar de lucht. Daarnaast neemt de stabiliteit van het schip toe, want het gewicht bovenop de stalen romp wordt minder. Maar een hybride constructie betekent ook dat je een verbinding moet maken tussen het staal en de composiet. Dat doe je door te lijmen, maar lijmen is tamelijk nieuw voor de scheepsbouw. Dus welke lijm moet je toepassen? Hoe garandeer je de kwaliteit gedurende 25 jaar op zee? Daar zijn ook helemaal geen regels voor. Die moeten er wel komen om een schip gecertificeerd te krijgen. En om die regels op te kunnen stellen, moet je goed begrijpen hoe lijmverbindingen op zeeschepen werken. Met dit project willen we daar antwoorden op krijgen. Daarom zitten in het consortium niet alleen partijen met specifieke technische expertise, maar ook twee certificeringsmaatschappijen.”

Jesus Mediavilla Varas

Jesus Mediavilla Varas

JUISTE TESTMETHODEN

Voor het ontwerp en de certificering van veilige schepen met hybride constructies bestaan momenteel geen regels. Die kunnen pas geschreven worden als de risico’s helder in kaart zijn gebracht en als deze risico’s door bepaalde onderbouwde maatregelen zijn verminderd tot een aanvaardbaar niveau. Onderzoek naar nieuwe materialen,

verbindingstechnieken en lijmen die bestand zijn tegen de omstandigheden op zee is dus nodig. Dit moet leiden naar onderbouwde uitspraken over de lange termijn invloed van bijvoorbeeld mechanische belasting, vermoeiing, zeewater en UV-straling op de toegepaste verbinding en materialen. Het uit te voeren onderzoek bestaat voor een groot deel uit simulaties en een grote verscheidenheid aan testen.

Jesus Mediavilla Varas: “Allereerst was er de vraag naar de juiste testmethoden,   omdat je via versnelde testen uitspraken wilt doen over prestaties op lange termijn. Het is een uitdaging om over zoiets als vermoeiing of de invloed van UV-straling onderbouwde uitspraken te doen. Enkele consortiumpartners zijn hierbij van betekenis. Het Bureau Veritas in Frankrijk is gespecialiseerd in inspectie en certificatiediensten en heeft onder meer simulaties ontworpen en toegepast om de belasting op een schip door de golven vast te stellen. Op basis daarvan konden we de testen op verschillende schalen ontwerpen en worden er inspectietechnieken en protocollen ontwikkeld. Ook voor bijvoorbeeld het testen van vermoeiing worden testprocedures ontwikkeld. Verder wordt gekeken naar het effect van corrosie en waterdiffusie op de mechanische eigenschappen van de verbindingen. Daartoe creëren onze academische partners materiaalmodellen, waarmee we simulaties uitvoeren om die eigenschappen te kunnen voorspellen. Onderweg moet je onvermijdelijk wel enige aannames doen, maar ook die doen we zo doordacht en zo onderbouwd mogelijk.”

Bovenbouw van een boot

Deze bovenbouw is nog in staal uitgevoerd, maar zou een voorbeeld kunnen zijn van een bovenbouw van composiet op weg naar de stalen onderbouw.

VOORTGANG

Bij de start van het onderzoeksproject zijn drie doelen geformuleerd:

  1. De lange termijn prestaties in beeld krijgen van gelijmde hybride constructies van schepen onder representatieve praktijkomstandigheden
  2. Het ontwikkelen van een betrouwbare inspectie- en onderhoudsmethode voor gelijmde hybride constructies
  3. Een procedure ontwikkelen voor de certificering van gelijmde hybride samenstellingen van primaire structuren in de scheepsbouw.

Volgens Jesus Mediavilla Varas zitten we wat de eerste twee punten betreft nu op de helft, en kan het derde punt pas opgepakt worden als de eerste twee punten vergevorderd zijn. Er zijn onder meer testen ontwikkeld en uitgevoerd om materialen en hun verbindingen te karakteriseren. Er zijn twee verschillende lijmen getest, waarna de ene voorlopig terzijde is gelegd. De lijm die nu verder wordt beproefd, is een methacrylate die momenteel al door scheepsbouwer Damen wordt gebruikt. Een aandachtspunt bij deze lijm is bijvoorbeeld de dikte: is de lijm te dik, dan kan de temperatuur omhooggaan, wat negatieve gevolgen kan hebben voor de lijmkracht. Ook is men met het oog op inspectie en monitoring van plan om sensoren op een varend schip van Damen te plaatsen, om de betrouwbaarheid van deze sensoren te testen. Het uiteindelijke doel is natuurlijk om met testen en simulaties, en het valideren daarvan via experimenten, voorspellende uitspraken te kunnen doen over de prestaties van een verbinding.

Een verbinding met stalen flens

De verbinding met stalen flens zoals die op het schip wordt geïnstalleerd. Deze afbeelding komt uit het Bonded Joints project van TNO, DSNS, DMO. Sponsor & initiatiefnemer: Ministerie van Defensie.

DE VERBINDING

Over de vorm en grootte van de verbinding is natuurlijk ook al nagedacht. Bij een hybride constructie is de romp van het schip gewoon van staal, maar de bovenbouw zou voor het overgrote deel uit een composiet kunnen bestaan. Deze wordt dan met een grote kraan op de romp geplaatst. De verbinding bestaat uit een Y-vormige stalen constructie, bestaande uit een sandwichpaneel met koolstof-composiet buitenlagen en een houten kern. Daarop komt dan de lijm en vervolgens wordt het gehele sandwichpaneel tegen het met staalgrit gestraalde staal (ruwheid SA 2,5) aangedrukt. De randen van de verbinding zullen na de plaatsing gekit worden, om te voorkomen dat er water bij kan komen.

Jesus Mediavilla Varas: “Heel belangrijke woorden in dit hele project zijn risico’s en betrouwbaarheid. Al die testen en simulaties zijn erop gericht om die in de vingers te krijgen. Pas dan kun je regels gaan schrijven voor de certificering. Tegenover die risico’s staan winsten en besparingen. Een schip met een hybride constructie is niet alleen lichter, maar ook sterker. En dan is er de milieuwinst: een gewichtsreductie van een schip met tien procent resulteert in zeven procent minder brandstofgebruik. Met dit project willen we impact hebben in de internationale scheepsbouw. Zodra de certificeringsregels bestaan, weet iedereen waar hij bij het ontwerp en de bouw van schepen op moet letten. Ook hebben we dan de basis voor een monitoring- en inspectieprotocol. De oppervlaktebehandeling is in dit verhaal geen eindstap, maar een tussenstap. Na het stralen en lijmen is er niet persé een oppervlaktebehandeling nodig.”

Proefstukken die worden verlijmd

Proefstukken worden in scheepvaartcondities verlijmd op de werf waarbij de werkelijke toepassing wordt benaderd.

ANDERE MARKTEN

Weliswaar is de toepassing van lichtgewicht materialen en lijmen in de luchtvaart en automobielindustrie aardig ingeburgerd, maar daar vindt de productie plaats in gecontroleerde omstandigheden; in de scheepsbouw is dat vaak in de open lucht, met wisselende invloeden van stof, vuil, temperatuur, etc. De resultaten uit dit project kunnen daarom tevens interessant zijn voor andere markten, zoals de offshore windenergie. Niet voor niets zit ook het bedrijf Parkwind uit Leuven in het consortium.

INTERREG ONDERZOEKSPROJECT

Het consortium van het Interreg onderzoeksproject “Enabling Qualification of Hybrid Structures for Lightweight and Safe Maritime Transport” bestaat uit elf partners, uit verschillende landen. Uit Engeland zijn dat BAE Systems Naval Ships, Cambridge University en Lloyd's Register EMEA; uit België de Universiteit Gent, Com&Sens en Parkwind; uit Frankrijk het Bureau Veritas Marine & Offshore SAS en uit Nederland de Technische Universiteit Delft, Damen scheepsbouw, de Stichting Kenniscentrum Windturbine Materialen en Constructies en M2i. De totale projectsom bedraagt bijna 3,8 miljoen euro, waarvan 60 procent door Europa wordt gesubsidieerd. De initiatiefnemer van het project is het scheepsbouwbedrijf Damen. Via M2i werd een consortium samengesteld en de procedure voor het Europese onderzoeksproject in gang gezet. Interreg betekent in dit geval dat, als je de scherpe punt van een passer in het Kanaal zou zetten en een cirkel trekt met een straal van pakweg 150 kilometer, bijna alle projectdeelnemers zich dan in die cirkel bevinden.

Reacties