Die Howaldtswerke-Deutsche Werft (HDW), ein Unternehmen der ThyssenKrupp Marine System, setzen seit 2008 in der Entwicklung ihrer U-Boote die Software Fibersim ein und haben den Anteil der Verbundwerkstoffe in den neuen U-Booten damit um jährlich 10 Prozent erhöht. Das Unternehmen rechnet damit, dass diese Übernahmerate weiter steigen wird.

Derzeit werden über 800 qm der neuen U-Boot-Klasse (mit einer Länge von bis zu 65 Metern) aus Verbundwerkstoffen hergestellt. Das größte Verbundwerkstoffteil ist eine doppelt gekrümmte, etwa 100 qm große Platte, deren Seitenlängen 10 m x 6 m betragen. Alle Verbundwerkstoffteile von HDW werden nun mithilfe der Software entwickelt.

„Wenn ein U-Boot der Klasse 212A oder 214 auftaucht, sieht man nur aus Verbundwerkstoffen hergestellte Teile“, so Marc Tillmanns, leitender Verbundwerkstofftechniker der HDW. Ebenso wichtig ist, dass die Werft mithilfe der Technik die Entwicklungszeit verkürzen und die Qualität der Verbundwerkstoffteile verbessern konnte. Zudem ließ sich die zur Herstellung erforderliche Arbeitszeit um 20 bis 30 Prozent reduzieren.

Schneller, leiser, tiefer mit Brennstoffzellentechnik

HDW erzielt bereits seit über einem Jahrhundert Meilensteine beim Bau von U-Booten. Der Bau des ersten Test-U-Boots fand 1897 statt. Das erste U-Boot-Dockschiff „Vulkan“ wurde 1908 von der Howaldtswerke an die kaiserliche Marine geliefert. Es stellte damals Spitzentechnologie dar und sollte die neu entstehende U-Bootwaffe der kaiserlichen Marine unterstützen. Dieses Schiff wurde richtungsweisend für weitere Nachbauten. Der Aufstieg von der Werft zum führenden Hersteller konventioneller U-Boote in der modernen Welt begann mit dem Aufbau der U-Boot-Flotte für die Deutsche Marine ab 1960. Heute ist die Werft weltweit führend im Bau von nicht-nuklearen U-Booten. Mit 61 Booten ist die Klasse 209 das bisher meistgebaute dieselelektrische U-Boot der Nachkriegszeit.

Einzigartig sind die U-Boote der Klassen 212A und 214, die mit einem außenluftunabhängigen Antriebssystem ausgerüstet sind, das auf Brennstoffzellen basiert und das Boot wochenlang unter Wasser in Fahrt hält. HDW ist das einzige Unternehmen der Welt, das heute einen serienreifen Brennstoffzellenantrieb anbieten kann. Unter dem Motto „schneller, leiser, tiefer“ kommen die HDW-U-Boote in 17 Marinen der Welt zum Einsatz.

Mit Verbundwerkstoffen nicht nur das Gewicht reduzieren

Verbundwerkstoffe sind seetüchtig und bieten viele Vorteile. Sie sind der rauen, salzigen Meeresumgebung gewachsen, korrosionsbeständig und weisen bessere Alterungseigenschaften auf als Metalle. Darüber eröffnen Verbundwerkstoffe die Möglichkeit des „Materialdesigns“, da Fasern und Harze auf unterschiedliche Weise kombiniert und die Fasern auf Last- und Spannungspfade ausgerichtet werden können. Dadurch lassen sich die Verhältnisse von Gewicht zu Festigkeit und von Gewicht zu Steifigkeit reduzieren.

Verbundwerkstoffe erleichtern weiterhin die Herstellung nahtloser komplexer Formen für eine bessere hydrodynamische Performance und Tarnkappen-Eigenschaften, da sie sich im Unterschied zu Metallblechen weitgehend über abgerundete Oberflächen legen lassen. Mit dem RTM-Verfahren (Resin Transfer Molding) beziehungsweise der gleichzeitigen Aushärtung großer Bauteile ohne eine Vernietung oder Verbindung kleiner Teile wird außerdem eine Verschmelzung und Reduzierung der Teileanzahl möglich. Das wirkt sich wiederum positiv auf die Fertigungsdurchlaufzeiten und Kosten aus.

Außerdem bieten Verbundwerkstoffe wertvolle mechanische Eigenschaften wie bessere Dauerfestigkeit und geringere Rissausbreitungsanfälligkeit als Aluminium und andere Metalle, gesteigerte akustische Transparenz für verstärkte Echolotübertragung, beispielsweise im Bugdom sowie geringere Lebensweg- und Wartungskosten als Metallstrukturen.
Derzeit wird die Entwicklungssoftware von HDW zur Entwicklung und Herstellung verschiedener Glas- und Kohlefaserausrüstungsteile genutzt. Davon betroffen sind das gesamte obere Deck sowie die Kielabdeckungen, Turmverkleidung, Propellerblätter und Ruder. Der U-Boot-Hersteller beabsichtigt, den Einsatz der Software auf die Konstruktion von Strukturteilen, beginnend mit einem neuen, leichteren Ablagegestell für Torpedos, auszuweiten. „Mit Fibersim lässt sich der Wechsel von Metall zum Verbundwerkstoff schneller bewerkstelligen und durch die Überprüfung der Fertigungsdaten vor dem Fertigungsbeginn können Risiken minimiert werden“, erklärte Tillmanns.

Vorausschauend simulieren statt Trial-and-Error

Als sich die Werft nach einem Anbieter von Verbundwerkstoff-Software umsah, konnte Vistagy mit umfangreicher Erfahrung in den Branchen Luft- und Raumfahrt, Kraftfahrzeug und Windenergie aufwarten. Die Kenntnisse und Technologien, die der Anbieter aus den Lektionen dieser Branchen gewonnen hatte, konnten auf die Marinefertigungsumgebung übertragen werden.

HDW wandte sich den Verbundwerkstoffen ursprünglich mit dem Ziel zu, das Gewicht zu reduzieren und eine bessere Bootsstabilität zu erzielen. Andere technische Herausforderungen waren auch die Entdeckungswahrscheinlichkeit zu verringern, die Echolotübertragung zu verstärken und Herstellungskosten durch die Verschmelzung von Teilen zu senken.

Der Schritt von der manuellen zur automatisierten Lösung mithilfe von des Entwicklertools erlaubt den Konstrukteuren, erste Entwürfe schneller umzusetzen und sich bereits in einer frühen Entwicklungsphase einen Überblick über mögliche Folgen von Konstruktionsänderungen zu verschaffen.

„Fibersim erleichtert den Prozess, weil wir dank der Designüberprüfungstools wesentlich mehr Einzelheiten über die endgültigen Verbundwerkstofflaminierungen festhalten und sicherstellen können, dass sie richtig sind und den Spezifikationen entsprechen“, sagte der leitender Verbundwerkstofftechniker Tillmanns. „Dazu gehören auch die Möglichkeiten des 3D-Schnitts und der Kernprobung.“

Durch den Einsatz der Machbarkeitssimulation lassen sich präzise Flachmuster erstellen, die für die Fertigung erforderlich sind. Die Platzierung von Ankerstiften und Klebestellen erfolgt nun mit diesem virtuellen Fertigungssimulationsansatzes – ein erheblicher Fortschritt im Vergleich zu den Trial-and-Error-Methoden der Vergangenheit, die große Zeit- und Materialverluste mit sich brachten. Da verschiedene Verbundwerkstoffe eingesetzt werden, haben sich die erweiterbare Datenbank und die Anwendbarkeit der Simulation auf ein großes Werkstoffspektrum wie NCF-Werkstoffe als wertvoll erwiesen.

Verbesserte Verknüpfung

Mit dem Simulationstool ist es möglich, mit vergleichsweise dicken Laminaten zu arbeiten. Über und unter der dicken Kernschicht können solche Laminate viele zusätzliche Schichten aufweisen. Die Software verfolgt exakt die in das Verbundwerkstoffteil einfließenden Werkstoffmengen, wodurch die Konstrukteure das Werkstoffgewicht, den Schwerpunkt und andere Trägheitseigenschaften genau ermitteln können, die für das strukturelle Design des U-Boots kritisch sind.

Der Schiffbauer stellte fest, dass die Fehlerwahrscheinlichkeit durch den Einsatz der Software verringert wurde, da Konstruktion und Fertigung verknüpft wurden. Hierdurch wird die Gefahr einer Fehlinterpretation seitens der Logistikkette verringert, wobei das Schneiden der Verbundwerkstoffschichten wird extern in Auftrag gegeben. Mit der Fibersim Laser Projection-Software können HDW-Konstrukteure außerdem Konstruktionsfehler verringern und die Prozesszeiten beim Schichtaufbau der Verbundstoffteile deutlich reduzieren, da die Konturen der einzelnen Schichten direkt mithilfe des Layup-Tools angezeigt werden können.
„Fibersim ermöglichte uns eine verbesserte Verknüpfung zwischen den einzelnen Konstruktionswerkzeugen und der Flexibilität bei der Erstellung von Dokumentationsmaterial und Schichtunterlagen, damit die Konstrukteure in der Fertigungshalle schnell und einfach auf wichtige Daten zugreifen können“, so Tillmanns. „Dadurch können wir die Gesamtqualität über den gesamten Entwicklungsprozess von der frühesten Planungsphase bis hin zur Fertigung verbessern und rationalisieren.“

Des Weiteren dient die Software zur Entwicklung von Teilen für mehrere Fertigungsprozesse, darunter das RTM-Verfahren sowie manuelles Prepreg- und Nass-Layup. „Es steht außer Zweifel, dass die Verbundwerkstoffe bei uns in der Zukunft eine immer wichtigere Rolle spielen werden“, erklärte der Verbundwerkstofftechniker . „Unsere Strategie, eine erstklassige Methodik rund um Fibersim zu entwickeln, um unseren gesamten Prozess von der Planung bis hin zur Fertigung ständig zu verbessern, ist daher ein wichtiger Bestandteil unseres nachhaltigen Erfolgs.“


Erhöhte Marktchancen

Komplexer bei reduziertem Risiko konstruieren

Eine zuverlässige Simulation verringerte das mit dem Einsatz von Verbundwerkstoffen in einem größeren Teilespektrum verbundene Risiko und sorgte somit für ein geringeres Gesamtgewicht des U-Boots. Mit dem prädiktiven Designprozess können Konstrukteure Probleme vor der Fertigung erkennen und korrigieren. In der Folge verkürzt sich Fertigungszeit bei verbesserter Qualität. Durch konsistente Daten innerhalb der Lieferkette erhöhte sich zudem die Teilegenauigkeit und -qualität.

 

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Dr. Olivier Guillermin