강에 합성물 연결

이 블로그는 2019년 12월 특집 기사 "복합 재료를 사용한 선박 경량화에 대한 장벽 제거"의 동반자로서 몇 가지 추가 세부 정보와 시각 자료를 공유합니다.

HYCONNECT GmbH(독일 함부르크)는 독일 해양 산업을 위한 R&D 센터인 Center of Maritime Technologies(CMT, Hamburg, Germany)의 해군 건축가이자 10년 베테랑인 Dr. Lars Molter가 설립한 신생 기업입니다. Molter는 “메가요트와 유람선을 만드는 독일 회사는 모두 같은 문제를 가지고 있습니다. “그들의 고객들은 더 많은 장비, 다른 데크, 소음과 온도에 대한 더 많은 단열재 또는 곡선 모양 및 통합 조명과 같은 새로운 디자인 기능을 추가하기를 원합니다. 알루미늄이나 강철로 이러한 디자인을 할 수 있다 하더라도 시간과 비용이 많이 듭니다.”

선박은 일반적으로 여기에 표시된 대로 더 빠른 조립을 위해 용접된 강철 구성요소 블록으로 제작됩니다. FAUSST 조인트 시스템을 사용하면 대형 복합 벽 패널 또는 기타 구조물을 이러한 강철 프레임워크에 용접할 수 있으며 현재 선박 생산 방법을 사용하여 경량 구조를 제공합니다. 출처 | 마이어 베르프트

하이브리드 구조의 접착 결합 문제

Molter와 다른 많은 사람들은 복합 재료가 선박에 제공할 수 있는 이점을 볼 수 있지만 현재 선박은 강철로 제작됩니다. 복합 선박을 개발하기 위해 많은 노력을 기울이고 있지만 그 동안 다양한 복합 구성 요소를 사용하여 선박 중량과 배출량을 줄일 수 있는 상당한 기회가 있습니다. 그러나 한 가지 문제는 선박의 강철 프레임워크에 이들을 결합하는 방법입니다. "우리는 본딩을 살펴보았지만 모든 선박에서 사용할 수 있는 표준화된 조인트 설계가 없으며 SOLAS에서 접착제 본딩을 적용하는 방법에 대한 일반적인 규칙도 없습니다."

국제해사기구(IMO, London, UK)에서 발행한 SOLAS(Safety Of Life At Sea) 규정에 따르면 MSC/Circ. 1002가 발행되어 대체 디자인이 허용되었습니다. 그러나 이러한 대안은 위험 분석을 수행해야 하며 대안 설계 및 건설이 강철과 동등함을 보여줍니다. 이는 건조되는 각 선박에 대해 길고 비용이 많이 들며 맞춤형 프로세스입니다.

Molter는 "DNV GL에 이종 재료 조인트에 대해 무엇을 승인할지 물었습니다. "그들은 기본 구조가 일반적으로 기계적 부착을 필요로 한다고 말했습니다. 여분의 패스너 없이 순수한 본딩은 쉽게 인증되지 않습니다." 이중화 패스너 대 순수 접합 기본 구조에 대한 맞춤형 인증 및 규제 기관 요구 사항과 관련된 이러한 문제는 상업용 항공기에도 동일하게 존재합니다. "또한 본딩을 사용하면 환경과 프로세스를 제어해야 합니다."라고 그는 말합니다. 일반적으로 조선소 건설을 지배하는 용접 및 절단 중에는 이것이 어렵습니다.

FAUSST 조인트

유리 섬유와 강철 섬유를 결합한 FAUSST 하이브리드 패브릭. 출처 | 하이코넷

"그래서 우리는 기계적으로 부착된 노본드 솔루션이 필요했습니다."라고 Molter는 말합니다. "우리는 섬유를 금속에 어떻게 연결하는지 계속 궁금했습니다." CMT는 Fritz Moll Textilwerke(Altshausen, Germany)와 협력하여 100% 유리 섬유에서 100% 강철로 전환되는 하이브리드 경편직물을 개발한 독일 자금 지원 FAUSST(Fiber and Steel Standard joint) 프로젝트에서 이에 대한 답변을 제공합니다. 섬유.

직물 구조는 강철과 유리 섬유가 구불구불하고 겹치도록 설계되어 마찰과 교차점에서의 맞물림으로 인한 하중 전달을 달성합니다. 이 아키텍처는 또한 조인트를 통해 하중을 전달하기 위해 단방향 섬유와 기계적 연동을 위한 편직물의 균형을 유지합니다. 직물은 시간당 최대 100미터의 속도로 전자 제어되는 편직기로 생산됩니다.

다음 단계는 이것을 플레이트 또는 중공 프로파일일 수 있는 금속 커넥터에 부착하는 것입니다. 강철 섬유는 큰 구리 전극 휠과 함께 저항 심 용접(프레스 용접)을 사용하여 커넥터에 용접됩니다. Molter는 이것이 자동차의 스폿 용접과 비슷하지만 길고 연속적인 이음매를 생성하도록 조정되었다고 설명합니다. 이 프로세스는 강력하고 잘 알려진 프로세스를 사용하여 하나 또는 여러 레이어의 패브릭으로 FAUSST 커넥터를 효율적으로 생산할 수 있습니다.

Hyconnect는 솔기 용접을 사용하여 FAUSST 패브릭을 강철 커넥터에 결합합니다. 출처 | 하이커넥트.

이것이 HYCONNECT가 판매하는 것입니다:강철 커넥터에 용접된 직물. Molter는 "조선소 또는 복합 구조 공급업체가 우리의 조인트 시스템을 사용하기로 결정했습니다. “그들은 조인트 하중과 강철 커넥터 유형을 지정하고 우리는 FAUSST 조인트를 설계하고 생산합니다. 이것이 우리가 제공한 것입니다. 그런 다음 그들은 복합 구조에 그것을 주입하고 조선소는 이를 선박의 강철 프레임워크에 용접합니다."

강성 및 CTE 불일치 관리

FAUSST 하이브리드 직물에서 강철 섬유와 유리 섬유 사이에는 강성 불일치가 있습니다. Molter는 이것이 직물이 제조되는 방식에 의해 다소 완화된다고 설명합니다. 로드 전송에서 큰 피크를 원하지 않습니다. 우리는 이러한 층과 그 구성 섬유(예:유리 섬유의 비율 및 방향 등)를 수정하여 강성을 수정할 수 있습니다.” 더 높은 전단 응력을 처리하기 위해 추가 ± 45° 섬유를 추가할 수 있으며 강철 커넥터와 유리 섬유 합성물 사이의 다양한 열팽창 계수(CTE)를 관리하는 데도 도움이 됩니다. Molter는 "또한 터프트 섬유를 사용하여 두께를 강화하여 더 높은 하중이나 특수 구조를 설계할 수도 있습니다."라고 설명합니다.

강철 커넥터와 섬유 강화 플라스틱(FRP) 간의 두께 불일치도 해결해야 합니다. "두 재료의 중립 축이 정렬되어야 합니다."라고 Molter는 말합니다. "이는 일반적으로 강철 커넥터의 가장자리를 30° 테이퍼로 가공하여 FRP로의 효율적인 하중 전달을 위한 테이퍼 조인트를 생성함으로써 달성됩니다."

Hyconnect는 FAUSST 조인트를 설계 및 생산한 다음 합성 구조물에 주입하고 최종적으로 선박의 강철 프레임워크에 용접합니다. 출처 | 하이커넥트.

표준화된 공동 시스템 개발

Molter는 FAUSST 공동 기술을 상용화하기 위해 2018년 CMT를 떠나 HYCONNECT를 설립했습니다. 이 회사는 테스트를 수행하고 공동 설계를 반복하기 위해 다양한 업계 파트너 및 규제 당국과 협력했습니다. 목표는 FAUSST 공동 제품의 "패밀리"를 개발하는 것입니다. Molter는 "FAUSST 원단을 더 많이 덧대면 하중 전달 능력이 선형적으로 증가합니다."라고 설명합니다. “따라서 기본 제품은 특정 인장 및 굽힘 하중에 대해 평가된 1미터 플랫 바가 용접된 4개의 FAUSST 레이어일 수 있습니다. 그런 다음 왼쪽에는 더 낮은 정격 하중에 대해 2개 또는 3개의 레이어를 사용하고 더 높은 정격 하중에 대해 5개 또는 6개 레이어와 같이 오른쪽에 사용할 수 있는 제품이 있습니다. 이러한 세부 사항을 아직 마무리 짓고 있지만 목표는 표준화되고 사용하기 쉬운 시스템입니다.”

4층의 FAUSST 패브릭으로 구성된 조인트의 하이커넥트 테스트는 217kN/M 라이너 조인트 강도를 제공합니다. 출처 | 하이커넥트.

FAUSST 조인트 제품의 기계적 특성화는 아직 진행 중이지만 Molter는 이 제품이 접착 조인트와 경쟁력이 있다고 지적합니다. "또한 초음파 또는 X선 검사를 사용하여 용접부를 100% 검사할 수 있습니다."라고 그는 덧붙입니다. 현재 선별된 고객을 위해 프로토타입이 생산되고 있으며 2020년에 확장될 예정입니다.

한편 HYCONNECT는 철도 애플리케이션에 관심이 있는 자동차 회사 및 제조업체의 관심도 받았습니다. Molter는 "금속 인서트에 이 기술을 사용할 가능성이 있으며 건물 건설에도 적용할 수 있다고 보고 있습니다."라고 말합니다. "점점 더 많은 산업에서 하이브리드 구조의 가치와 미리 장착된 반제품을 사용하여 조립 시간을 단축할 수 있는 가능성을 보고 있습니다."