Bedeutet Hightech bei der Kernrumpfkonstruktion hohe Qualität? - Praktischer Seemann (2024)

An der Kernkonstruktion ist grundsätzlich nichts auszusetzen, wenn sie richtig gemacht wird. Im Laufe der Jahre kam es jedoch bei Practical Sailor zu einer Reihe von Kernausfällen, die zu kostspieligen Reparaturen führten. Es gibt fünf häufige Arten von Fehlern: schlechte Verarbeitung, übermäßige Biegung (schlechte Technik), Punktbelastung, schlechte Chemie und Eindringen von Wasser. Selbst mit einem großzügigen Sicherheitsfaktor kann im Werk noch etwas schief gehen. Hightech-Materialien und KonstruktionMethoden lösen nicht unbedingt Qualitätskontrollprobleme.

Denken Sie, Sie haben Probleme mit dem Boot? Stellen Sie sich Folgendes vor: Ein High-End-Hochseerennfahrer, kaum ein Jahr alt, taucht mit topfgroßen Blasen auf der glatten, blauen Haut in einer Bootswerft auf. Ein bekannter Gutachter wird beauftragt, das Problem zu definieren. Nach einigen Tests verkündet er, dass die Lösung ziemlich einfach sei.

Alles, was dieses neue, fast 1 Million US-Dollar teure Boot braucht, ist ein komplettes Facelift. Das gesamte Außenlaminat muss entfernt werden. Sollte der Kern durch das Abziehen der Außenhaut beschädigt werden, muss er erneut verkleidet werden. Als nächstes muss eine neue Außenhaut aus Kevlar und S-Glas vakuumverpackt werden und der Rumpf muss in einem Ofen nachgehärtet werden. Abschließend muss die fertige Oberfläche bearbeitet werden (was Hunderte von Arbeitsstunden erfordert), bevor der Rumpf mit Epoxidharz grundiert und die Oberseiten mit linearem Polyurethan gestrichen werden können.

Man kann sich fast vorstellen, dass Dollarzeichen in den Augen der Werftmanager zu sehen sind, wenn diese Nachricht bekannt gegeben wird.

In diesem konkreten Fall gab der Harzhersteller dem Hersteller des Kernmaterials die Schuld. Der Kernhersteller gab der Harzchemie die Schuld. Niemand war mit dem Bootsbauer zufrieden. Gerade diese Art von astronomischer Reparaturarbeit hat dazu geführt, dass viele neue Versicherungspolicen den Umfang der Deckung für diese Art von „Verfall“ des Rumpfes begrenzen.

Die technische Philosophie hinter jeder Verbundkonstruktion besteht darin, dass die Festigkeit des fertigen Produkts größer ist als die Summe seiner einzeln getesteten Komponenten (siehe „Kernkonzept“, Seite 34). Ursprünglich war das Garboard eines Glasfaserbootes so dick wie die Planke, die es ersetzte. Leistungsorientierte Bootsfahrer erkannten bald, dass leichter schneller war, und einige – aber leider nicht alle – Bootsbauer erkannten, dass bessere Technik mit allen Plänen zur Entfernung von Struktur einhergehen musste. Die Umstellung auf eine Rumpf- und Deckkonstruktion mit Kernkern brachte großes Potenzial für Gewichtseinsparungen mit sich, brachte aber auch neue Herausforderungen mit sich. Bei der Kernkonstruktion wird ein Material mit geringer Dichte zwischen Schichten aus faserverstärktem Kunststoff (FRP) mit hohem Modul eingelegt, was zu einer starken, aber leichten Platte führt. Solange die Verbindung zwischen Außenhaut und Kern erhalten bleibt, weist dieses leichte Bauteil außergewöhnliche strukturelle Eigenschaften auf. Kernplatten sind mittlerweile die Norm für die meisten Segelbootdecks. Rümpfe hingegen können aus Vollkern, Teilkern oder massivem FRP-Laminat bestehen.

An der Kernkonstruktion ist grundsätzlich nichts auszusetzen, wenn sie richtig gemacht wird. Im Laufe der Jahre jedochPraktischer SeglerEs gab eine Reihe von Kernausfällen, die zu kostspieligen Reparaturen führten. Es gibt fünf häufige Arten von Fehlern: schlechte Verarbeitung, übermäßige Biegung (schlechte Technik), Punktbelastung, schlechte Chemie und Eindringen von Wasser. Jedes davon führt zum Verlust der Verbindung zwischen der Innen- und Außenhaut, ähnlich wie der Verlust der Spannweite, die die Ober- und Unterseite eines I-Trägers verbindet. Das Ergebnis ist ein massiver Rückgang der Steifigkeit und eine erhöhte Biegung, und wenn dies unbeaufsichtigt bleibt, kann dies zu einem kritischen Ausfall der Komponente führen. Wenn es sich bei dem betreffenden Bereich um den Garboard-Bereich eines Rumpfs mit Kern handelt, kann der Fehler darin bestehen, dass sich der Ballast vom Rumpf löst. Solche Ausfälle sind bei Fahrtenbooten selten, bei Rennbooten jedoch keine Seltenheit. Die Gründe dafür verdeutlichen eine gute Lektion über Spannungen und Kanten – die festgelegten Maße für Strukturbauteile.

HEISSE SPOTS

Wie in unserem aktuellen Sonderbericht zum Versagen von Glasfaserrümpfen erläutert („Lehren aus dem Boneyard“, August 2007), ist ein Stress-Riser ein Brennpunkt der Energie. Auf Segelbooten sind die Bereiche in der Nähe von Kielbolzen, Kettenplatten, Ruderlagern und der Maststufe gute Beispiele für solche Hochenergie-Hotspots. Die besten Bauherren verwenden in diesen Bereichen gut verstärktes Massivlaminat, wodurch eine konische Verbindung zwischen Massiv- und Kernlaminat entsteht, die die auf solche Hotspots konzentrierten Kräfte besser verteilt.

Durch den Einsatz von Computersoftware, die Finite-Elemente-Analysen durchführt, können sich Schiffsarchitekten ein klares Bild davon machen, wo in einem neuen Design Hotspots liegen könnten. Diese Programme liefern grafische Bilder des Rumpfes, der mit farblich gekennzeichneten heißen Zonen „bemalt“ ist, die mit hohen Belastungen verbunden sind. Anhand dieser Daten können Konstrukteure und Ingenieure die Laminatpläne für Rumpf und Deck ändern, um besser auf sich ändernde Lastdynamiken zu reagieren. Obwohl diese Computermodelle durch tatsächliche Daten bestätigt werden können, die von Bordsensoren gesammelt wurden (sowie durch Forensik nach einem Ausfall), ist die Computermodellierung von Segellasten keine exakte Wissenschaft. Die Häufigkeit und das Ausmaß der Ausfälle beim letzten Volvo Ocean Race („Leben im Extrem“, August 2006) bestätigt dies.

Im Laufe der Jahre haben die Redakteure von Practical Sailor Boote gesehen – sowohl mit massiven Laminatrümpfen als auch mit Kernrümpfen –, die aufgrund von Mängeln oder Konstruktion eindeutig für ihren Zweck unzureichend gebaut sind. In einem extremen Fall konnten ein aktueller Redakteur und ein Freund ihre Füße auf den Kiel eines frühen Modells Pearson 365 stellen, das in den Travel Lift-Tragegurten hing. Mit erschreckend geringem Druck gelang es den beiden, den Kiel wie ein Pendel hin und her schwingen zu lassen. Die Rumpfhaut im Garboardbereich bildete bei jeder Schwingung eine Vertiefung und Vertiefung. Jedes Mal, wenn das Schiff wendete, zerstörte das sich biegende Garboard mehr und mehr von der FRP-Harz-Verbindung, ein Prozess, der schließlich zu einem katastrophalen Versagen geführt hätte.

Die gute Nachricht ist, dass die meisten Hersteller im Bootsbau aus Verbundwerkstoffen besser geworden sind und ihre Bemühungen, stark beanspruchte Bereiche zu verbessern, besser geworden sind. Bei Kielbefestigungspunkten auf Fahrtenbooten gibt es normalerweise eine lange, breite Verbindungsstelle, an der Blei auf faserverstärkten Kunststoff trifft, und das Gewicht zusätzlicher Verstärkung durch zusätzliches Laminat spielt keine Rolle.

Allerdings ist der moderne Bulb-Kiel auf einem Rennboot oder Racer-Cruiser normalerweise schwerer und tiefer, was zu einem größeren Aufrichtmoment und mehr Druck auf den Befestigungspunkt zwischen Kiel und Rumpf führt. Der obere Teil des Kiels ist normalerweise schmal und dünn, was bedeutet, dass die Krängungskräfte auf einen kleinen Bereich des Rumpfes konzentriert sind. Ein inneres Strukturgitter und ausgereifte Kielverbindungen sind unerlässlich, aber selbst die am besten gebauten Rümpfe dieser Bauart können bei schwerer Grundberührung anfällig sein. Ein Aufprall auf einen harten Boden kann zu versteckten Schäden führen, die weit über offensichtliche Fehler im Garboard-Bereich hinausgehen.

QUALITÄTSKONTROLLE

Abgesehen von der Tatsache, dass Kreuzfahrtsegler auf Grund laufen, untergetauchte Objekte stoßen und in Stürme segeln, ist der relative Mangel an Qualitätskontrolle in der Bootsbauindustrie ein weiteres starkes Argument für einen großzügigen Sicherheitsfaktor beim Entwurf eines Reiseboots. In gewisser Weise hat die Luft- und Raumfahrtindustrie die Bootsbauer in Schwierigkeiten gebracht, weil sie zu gut darin ist, Verbundstrukturen herzustellen. Fachkräfte sind in der Lage, unter labornahen Bedingungen dauerhaft faserverstärkte Strukturen herzustellen, die höchsten Ansprüchen genügen. Die Produktprüfung umfasst die sorgfältige Analyse von Prüfmustern und die Röntgenprüfung.

Durch diese sorgfältige Vorgehensweise entstehen Verbundplatten, die den Belastungen, für die sie ausgelegt sind, zuverlässig standhalten. Dazu gehören gewöhnliche Zug- und Druckspannungen, die senkrecht zur Platte verlaufen, sowie komplexere Scher- und „Verdrehungsbelastungen“, die tangential zur Materialoberfläche verlaufen (siehe „Kernkonzept“).

Leider werden die in der Luftfahrtindustrie gesammelten Daten oft direkt an Bootskonstrukteure und -bauer weitergegeben, wo der Herstellungsprozess weitaus weniger kontrolliert wird. In vielen Fällen sind Laminatoren die am schlechtesten bezahlten Arbeitnehmer mit der höchsten Fluktuationsrate aller Mitarbeiter im Unternehmen. Letztendlich führen Herstellungsfehler dazu, dass der Rumpf weit hinter den Idealen der Ingenieure zurückbleibt.

Massive Schiffsrümpfe sind nicht vor Problemen der Qualitätskontrolle gefeit. Vor Mitte der 1980er Jahre gab es kaum eine Klimakontrolle, sodass Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Werk oft dem saisonalen Profil von Mutter Natur folgten. Das Ergebnis war und ist eine weniger strenge Kontrolle der Herstellungsvariablen und eine größere Wahrscheinlichkeit von Panel-Inkonsistenzen. In jenen frühen Tagen neigte übermäßiger Bau dazu, die Nachteile einer ungenauen Methodik zunichte zu machen. Frühe Glasfaser-Bootsbauer standen dem neuen Material skeptisch gegenüber und neigten dazu, den massiven FRP-Rümpfen zusätzliche Schichten hinzuzufügen. Das einfache, nasse Laminierverfahren von Hand war zwar harzreich, aber wenn das Team seine gezackten Walzen fleißig einsetzte und darauf achtete, dass sich die Kanten von Matte und Vorgarn überlappten, lief alles ziemlich gut – vorausgesetzt, die Chemie stimmte.

Polyester- und Vinylesterharz härten aus oder werden thermisch fixiert, wenn ein Katalysator und ein Promotor reagieren, was zu Oxidation und anschließender Wärmeerzeugung führt, die das Harz aushärten lässt. Wenn von einem Inhaltsstoff zu viel und von dem anderen zu wenig vorhanden ist, kommt es zu einer unparteiischen Aushärtung, und nicht reagierte Chemikalien bleiben im Material zurück. Das Harz erreicht nie die vorgeschriebene Härte.

Einige Hersteller kaufen Harz, dem bereits Promoter zugesetzt wurde, während andere es vorziehen, je nach Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit ihren eigenen Promoter einzumischen. In vielen unglücklichen Situationen fügten die Anwender entweder zusätzlichen Promoter hinzu oder, noch schlimmer, ließen ihn ganz weg, was zu einem unausgehärteten oder unzureichend ausgehärteten Laminat führte. Allzu oft bestand die Lösung darin, die folgende Schicht mit einer „heißen“ Harzcharge aufzutragen, die hoffentlich die darunter liegende Schicht vollständig aushärten würde. Oftmals war dies nicht der Fall, und das Boot verließ die Fabrik mit unausgehärtetem oder unzureichend ausgehärtetem Laminat zwischen den ausgehärteten Schichten – im Wesentlichen eine Polyester-Zeitbombe, die schließlich in Mega-Blasen explodierte, was einigen zukünftigen Eignern kolossale Kopfschmerzen bereitete.

Der Kernbau bringt ganz neue Herausforderungen mit sich. Diese I-Träger-ähnliche Struktur reduziert die Menge an FRP-Material, die zum Erreichen der gewünschten Rumpfsteifigkeit erforderlich ist, erheblich. Um die Biegung zu reduzieren, benötigten frühe feste FRP-Rümpfe zwei- bis dreimal mehr Harz und Fasern als ein moderner Rumpf mit Kern heute. Leider machen die von Bootsbauern verwendeten Kernmaterialien und Techniken diese Boote im Allgemeinen anfälliger für das Eindringen von Wasser, was ein großer Nachteil ist.

Das Wasser muss nicht aus Regen oder Meerwasser stammen. Eine gängige Abkürzung von Bootsbauern, die eventuell zu Problemen führen kann, sind gekapselte Tanks (solche, bei denen die Innenhaut des Rumpfes als eine Seite des Tanks genutzt wird). In einem bestimmten Fall stellte ein Schiffsgutachter fest, dass Fäkalientankreste aus dem vorderen Teil des Rumpfes austraten, nachdem eine Grundberührung das Laminat beschädigt hatte. Der Aufprallpunkt befand sich 20 Fuß vom gekapselten Vorratstank entfernt, und ein internes Leck hatte alle Hohlräume (unten beschrieben) in der Rumpfhaut mit Abwasser gefüllt. Diese scharfe Überraschung ist eigentlich keine so große Katastrophe, wie wenn das gleiche Problem bei einem Dieselkraftstofftank auftritt und ölige Rückstände im Kern verteilt werden.

KERF-PROBLEME

Eine ständige Herausforderung beim Bau eines Rumpfs oder Decks mit Kern besteht darin, Hohlräume in den Schnittfugen zu minimieren, den Kanälen, die in eine Kernplatte eingekerbt werden, damit sie in komplexe Kurven geformt werden kann (siehe Fotos, Seite 32). Um die Integrität der Verbundstruktur besser zu gewährleisten, sollten diese Kanäle gefüllt werden. Typischerweise erfolgt dies entweder mit einer harzreichen Hacklitzenmatte oder einem Kernklebstoff, der auch den Kern mit der Außenhaut verbindet. Wenn ein Rumpf in eine Matrize gelegt wird, zeigen diese Schnittfugen nach unten (in Richtung der Außenhaut), was zu einer „blinden Verbindung“ führt, die während des Baus nicht visuell überprüft werden kann, es sei denn, ein klares Gelcoat wird verwendet und die Außenhaut wird mit LPU lackiert.

Ungefüllte Schnittfugen und andere Hohlräume gefährden nicht nur die Integrität der Platte, sie bieten auch ein wirksames Kanalsystem für den Wassertransport und schwächen größere Bereiche des Kerns. Ein Experte aus der Schifffahrtsindustrie hat kürzlich behauptet, dass ein nasser Kern kein Grund zur Sorge sei. Im Gegenteil, nasser Kern ist ein Vorläufer von Balsafäule und strukturellem Versagen.

In kalten Klimazonen spaltet die Ausdehnung, die beim Gefrieren von Wasser auftritt, die Bindungen im FRP. Selbst im flüssigen Zustand hat Wasser interessante Auswirkungen auf den restlichen Promotor und/oder Katalysator, der im Laminat eingeschlossen ist. Es kann auch die wasserlösliche Verbindung angreifen, die jedes Glasfilament umhüllt, und es ihm ermöglichen, sich mit Harz zu verbinden. Schließlich kann der Kontakt mit nassem Kernmaterial zu einer Kapillarwirkung führen, die dazu führt, dass Wasser tief in das Laminat eindringt, wodurch die mechanischen Eigenschaften geschwächt werden, die zum Zusammenhalten des Laminats beitragen.

Heutzutage werden vakuumunterstützte Auflegetechniken wie das Vakuumverpacken (bei dem Vakuumdruck verwendet wird, um harzimprägnierte Laminate während der Aushärtephase zusammenzudrücken) und die Harzinfusion (bei dem Vakuumdruck verwendet wird, um Harz durch trockenes Laminat zu ziehen) verwendet (sowie das Zusammendrücken der Laminate) kann dabei helfen, Schnittfugen zu füllen. Diese Prozesse können Hohlräume deutlich reduzieren und so zu einem Verbundwerkstoff mit besserer Qualität führen. Diese neuen Bautechniken erfordern jedoch qualifiziertere Techniker. Und wenn etwas schiefgeht, können die Folgen schwerwiegend sein.

In einem Fall bei Pearson Yachts hatte der Harzfluss in einem mit Harz getränkten Rumpf aufgehört, bevor er die gesamte Scherlinie erreicht hatte. Eine 30 Fuß lange Länge von Deckflansch und Rumpf blieb so trocken wie beim Abrollen des Laminats. Die Reparatur erforderte eine sekundäre Verbindung – eine minderwertige Verbindung zwischen einer neuen FRP-Schicht und dem bereits ausgehärteten Laminat – und machte damit einen entscheidenden Vorteil der Harzinfusion zunichte.

In einem anderen Fall beschwerte sich Ted Hood darüber, dass ein zu hohes Faser-Harz-Verhältnis und eine nicht ausreichende Sättigung der Fasern die Wahrscheinlichkeit einer Delaminierung erhöhen kann. Wenn das Harz-Faser-Verhältnis bewusst auf ein Minimum beschränkt wird, ist eine sorgfältige Qualitätskontrolle natürlich unerlässlich.

Punktlasten wie die Spannung eines Blechblocks auf unterstrukturierte Teile des Decks sind eine weitere berüchtigte Ursache für Kernprobleme. Das durch Punktlasten verursachte wiederholte Hin- und Herbiegen kann das Kernmaterial zerdrücken und zu einer Delaminierung führen. Das Eindringen von Wasser verschlimmert das Problem und es treten meist verräterische Risse auf (siehe „Behebung von Kernproblemen“ rechts). Wenn es unbeaufsichtigt bleibt, kann es zu katastrophalen Ausfällen kommen, wie zum Beispiel, dass eine Genuaschiene tatsächlich vom Deck gerissen wird.

Reparaturen können kompliziert sein, da der Fehler eigentlich eher ein Symptom als die Ursache des Problems war, aber das wird nicht immer so gesehen. Der eigentliche Übeltäter ist oft ein schlecht konstruiertes Bauwerk, und in diesen Fällen reicht es nicht aus, den beschädigten Bereich wieder in einen „neuwertigen“ Zustand zu versetzen. Die richtige Lösung muss eine zusätzliche Verstärkung des Bereichs umfassen, um zu verhindern, dass dasselbe Problem erneut auftritt.

Bei Metallbooten wird zusätzliche Festigkeit durch die Verwendung dickerer Platten oder das Einschweißen von mehr Längs- und Querstützen erzeugt. Dasselbe Prinzip gilt für die FRP-Konstruktion, und Schiffsarchitekten verfügen über Referenztabellen, die die Größe einer Spannweite oder eines nicht unterstützten Panels sowie die Zusammensetzung des Kerns und der Außenwände angeben, um die erwarteten Lasten bewältigen zu können. Ebenso wichtig ist der Ermüdungszyklus oder die Biegerate, die die Struktur aushält, und der Zeitrahmen, in dem das Objekt lebensfähig bleiben soll. Dieselben Konstrukteure bauen auch einen Sicherheitsspielraum ein, der die Festigkeit der Struktur um den Faktor zwei, drei oder mehr erhöht, je nachdem, wie robust das Schiff sein wird oder wie gefährlich seine Arbeitsumgebung werden könnte. Natürlich ist das durchschnittliche Serienboot, das für den Küsten-Wochenendsegler oder Motorbootfahrer gebaut wurde, weniger robust gebaut als ein Expeditionsschiff im Südpolarmeer.

Autohersteller haben die Lebensfähigkeit ihrer Produkte rückentwickelt und versucht, ein Muster für den einheitlichen Systemverfall zu entwickeln. Im Idealfall entspricht die Lebensdauer aller Nebenkomponenten, von der Abgasanlage bis zur Polsterung, der Langlebigkeit von Motor und Antriebsstrang.

Glücklicherweise haben die meisten Bootsdesigner und Bootsbauer das Konzept der absichtlichen Produktveralterung noch nicht vollständig akzeptiert. Allerdings sind Kostensenkung und die uralte Kunst, einem Schwein Lippenstift aufzutragen, ein sehr realer Teil der Branche. Daher wissen versierte Bootskäufer, dass sie durch die Bilge schauen und mit einer hellen Taschenlampe in enge Stellen kriechen müssen, um die verborgenen Teile des Rumpfs und der Decklaminate zu erkennen, und nach guten und schlechten Hinweisen auf die bestgehüteten Geheimnisse des Bootsbauers suchen müssen (siehe „Kerncheck“).

Was ist also das Endergebnis? Selbst mit einem großzügigen Sicherheitsfaktor kann im Werk noch etwas schief gehen. Hightech-Materialien und Konstruktionsmethoden lösen nicht unbedingt Probleme bei der Qualitätskontrolle. Letztendlich kann die Beauftragung eines Schiffsgutachters mit Erfahrung im GFK-Bau eine ebenso kluge Entscheidung für den Käufer eines neuen Bootes sein wie für diejenigen, die auf der Suche nach einem 20 Jahre alten Schnäppchenboot sind.