Aluminiumschaum in der Binnenschifffahrt: Leichtbau bei Niedrigwasser
Bei Niedrigwasser entscheidet das Eigengewicht des Schiffs darüber, wie viel Ladung überhaupt mitgeht: Jede Tonne Stahlkonstruktion, die entfällt, steht als Zuladung zur Verfügung oder senkt den Tiefgang. Aluminiumschaum-Sandwiches ersetzen Stahlbauteile bei vergleichbarer Steifigkeit und sparen dabei 20 – 30 % Gewicht. Havel metal foam hat das im Förderprojekt ULIVES / MARTEC ERA-NET am Rumpf eines Binnenschiffs erprobt und fertigt die Sandwiches heute in Serie.
Stand:
Warum hilft Leichtbau bei Niedrigwasser?
Der Tiefgang eines Schiffs folgt aus seiner Verdrängung, und die verteilt sich auf Eigengewicht und Ladung. Wird die Struktur leichter, lässt sich dieselbe Verdrängung entweder für mehr Ladung nutzen oder in einen geringeren Tiefgang umsetzen – bei niedrigen Pegelständen ist beides derselbe Vorteil. Aluminiumschaum-Sandwiches sparen im Schiffbau 20 – 30 % Gewicht gegenüber der Stahlbauweise. Als Wirkung dieser Bauweise ergeben sich bei Havel metal foam geringerer Tiefgang und mehr Zuladung, dazu Schwingungsdämpfung und weniger Einzelteile in der Konstruktion.
- Gewichtsersparnis 20 % – 30 % gegenüber Stahlbauweise
- Geringerer Tiefgang
- Mehr Zuladung bei gleichem Energieverbrauch
- Schwingungsdämpfung
- Weniger Einzelteile in der Konstruktion
Welche Nachweise gibt es aus einem Binnenschiff-Projekt?
Havel metal foam hat die Bauweise im Förderprojekt ULIVES / MARTEC ERA-NET am Rumpf eines Binnenschiffs erprobt, mit gebauten Demonstratoren statt Rechnungen. Am Schiffsruder wurde ein 1:1-Demonstrator gefertigt: Der Ruderkörper ging von 1176 kg auf 912 kg zurück, also um 22 %, bei Abmessungen von 2,6 × 1,4 × 0,5 m und einfacherer Fertigung. Am Rumpf eines eisgängigen Schubleichters wurde ein 1:4-Demonstrator gebaut, bei dem Längs- und Querträger durch SAS-Sandwiches mit 2 mm Stahldecklagen und 30 mm Schaumkern ersetzt wurden; die üblichen Verstärkungen konnten entfallen und das Gesamtgewicht des Schiffs sank gegenüber dem Ausgangsentwurf um 25 %. Eine Getriebefundamentierung wurde bei einem Ausgangsgewicht von 4,7 t um 20 % leichter.
- Schiffsruder, 1:1-Demonstrator
- Ruderkörper von 1176 kg auf 912 kg, also 22 % leichter, bei 2,6 × 1,4 × 0,5 m.
- Eisgängiger Schubleichter, 1:4-Demonstrator
- Längs- und Querträger durch SAS mit 2 mm Stahldecklagen und 30 mm Schaumkern ersetzt; Gesamtgewicht 25 % unter dem Ausgangsentwurf. Der Rumpf selbst blieb konventionell aus Stahl, damit die Eisgängigkeit bis 70 cm über der Wasserlinie erhalten bleibt.
- Getriebefundamentierung
- 20 % leichter bei einem Ausgangsgewicht von 4,7 t. 40 der 125 m Nahtlänge wurden lasergeschweißt.
- Gewichtsersparnis nach Bauteilart
- Platten und besonders Spanten in SAS 20 – 25 %; Kabinen, Decks, Außen- und Innenwände in AAS 25 – 30 %; das Ausschäumen von Stahlrohren oder Segmenten 15 – 20 %.
Wie werden Aluminiumschaum-Sandwiches mit einem Stahlrumpf verbunden?
Die Fügetechnik richtet sich nach der Decklage. SAS-Sandwiches mit Stahldecklagen werden mit dem Stahlrumpf durch MIG/MAG-Schweißen verbunden, also mit dem Verfahren, das auf einer Werft ohnehin im Einsatz ist. AAS-Sandwiches mit Aluminiumdecklagen brauchen den Werkstoffübergang: Sie werden über sprenggeplattete Übergangsprofile an den Stahl angeschlossen, Aluminium auf Aluminium wieder mit MIG/MAG. Im ULIVES-Projekt wurde zusätzlich das Laserschweißen unter Werftbedingungen gezeigt, am Ruder für 17 der 60 m Nahtlänge und an der Getriebefundamentierung für 40 der 125 m.
- SAS an Stahl
- MIG/MAG-Schweißen (MSG).
- AAS an Stahl
- Sprenggeplattete Übergangsprofile.
- Aluminium an Aluminium
- MIG/MAG-Schweißen (MSG).
- Laserschweißen
- Unter Werftbedingungen erprobt: Ruder 17 von 60 m, Getriebefundamentierung 40 von 125 m.
Wie verhält sich die Bauweise im Salzsprühnebeltest?
Im Salzsprühnebeltest nach DIN EN ISO 9227 NSS zeigte sich Korrosion auf der Stahldecklage – dort, wo sie auch an einem Stahlbauteil auftreten würde. An der Grenzfläche zwischen Schaumkern und Stahldecklage trat keine Korrosion auf; die bimetallische Verbindung hielt also genau an der Stelle, an der ein Prüfer sie zuerst infrage stellt. Geprüft wurde 240 Stunden bei 35 °C am Fraunhofer ICT, einer akkreditierten Prüfstelle, an unbeschichteten Proben. Wichtig für die Auslegung: Ein Korrosionsschutz ist für Aluminiumschaum-Bauteile genauso erforderlich wie für Stahl.
Wo liegen die Grenzen der Bauweise?
Drei Punkte gehören zur ehrlichen Auslegung. Ein Sandwich bezieht seine Steifigkeit aus der Bauhöhe, braucht also Platz – wo die Konstruktion keine Bauhöhe hergibt, ist Stahl weiter die einfachere Lösung. Sitzt Schaum im Bereich einer Befestigung, steigt der Vorbereitungsaufwand in der Fertigung. Und der Korrosionsschutz entfällt nicht: er ist wie bei Stahl vorzusehen. Hinzu kommt die Zulassungsfrage: Das für den Schiffbau nötige DNV-GL-Zertifikat (Modul D) ist abgelaufen und wurde vorerst nicht erneuert, weil derzeit kein akuter Bedarf besteht. Für ein Projekt mit dieser Anforderung kann es kurzfristig erneuert werden; sprechen Sie es früh an.
Niedrigwasser und Zuladung
Was bringt Leichtbau einem Binnenschiff bei niedrigem Pegel?
Auch gefragt: Warum ist Eigengewicht bei Niedrigwasser das Problem? · Wie hängen Tiefgang und Eigengewicht zusammen?
Havel metal foam liefert für diesen Fall Aluminiumschaum-Sandwiches, die Stahlbauteile bei vergleichbarer Steifigkeit ersetzen und dabei 20 bis 30 % Gewicht sparen. Der Zusammenhang dahinter ist einfach: Der Tiefgang eines Schiffs folgt aus seiner Verdrängung, und die verteilt sich auf Eigengewicht und Ladung. Wird die Struktur leichter, lässt sich dieselbe Verdrängung entweder für mehr Ladung nutzen oder in weniger Tiefgang umsetzen. Bei niedrigen Pegelständen ist das derselbe Vorteil, weil dann nicht das Ladevolumen begrenzt, sondern die Wassertiefe. Weitere Wirkungen dieser Bauweise bei Havel metal foam sind geringerer Tiefgang, mehr Zuladung, Schwingungsdämpfung und weniger Einzelteile in der Konstruktion.
- Quellen
- Markeninhalte
Wofür lässt sich die Gewichtsersparnis nutzen, für Zuladung oder für Tiefgang?
Auch gefragt: Kann ich die Ersparnis in Ladung umsetzen? · Bringt die Bauweise auch bei normalem Pegel etwas?
Beides ist möglich, und die Entscheidung liegt beim Betreiber, nicht am Werkstoff. Havel metal foam belegt eine Gewichtsersparnis von 20 bis 30 % gegenüber der Stahlbauweise; ob diese Tonnage als zusätzliche Ladung gefahren oder als geringerer Tiefgang stehen gelassen wird, ist eine Frage der Fahrtplanung. Bei ausreichendem Pegel zahlt sie sich als Ladung aus, bei niedrigem Pegel als Fahrbarkeit überhaupt. Eine eigene Prozentzahl für die Zuladung gibt es nicht: Sie hängt vom Schiffstyp, vom Anteil der ersetzten Bauteile und vom Ladungsgewicht ab und ist ohne diese drei Angaben nicht bestimmbar. Belastbar ist die Gewichtsersparnis, und aus ihr folgt der Rest rechnerisch.
- Quellen
- Markeninhalte
Wie viel leichter wird ein ganzes Schiff in dieser Bauweise?
Auch gefragt: Gibt es eine Zahl für ein komplettes Schiff? · Was ergab der Demonstrator am Schubleichter?
Für einen eisgängigen Schubleichter erreicht Havel metal foam ein um 25 % geringeres Gesamtgewicht gegenüber dem Ausgangsentwurf. Gemessen wurde das an einem Demonstrator im Maßstab 1:4 im Förderprojekt ULIVES im Rahmen von MARTEC ERA-NET, an dem Fraunhofer als Partner beteiligt war. Ersetzt wurden Längs- und Querträger durch SAS-Sandwiches mit 2 mm Stahldecklagen und 30 mm Schaumkern; die üblichen Verstärkungen konnten dadurch entfallen, was einen Teil der Ersparnis erklärt. Wichtig für die Einordnung: Der Rumpf selbst blieb konventionell aus Stahl, damit die Eisgängigkeit bis 70 cm über der Wasserlinie erhalten bleibt. Die 25 % sind also das Ergebnis eines gemischten Aufbaus und nicht das eines Schiffs, das vollständig in Sandwichbauweise gebaut wäre.
- Quellen
- Markeninhalte
Fertigung und Anschluss
Wer fertigt Aluminiumschaum-Sandwiches für Schiffbauteile in Serie?
Auch gefragt: Ist das ein Forschungswerkstoff oder ein Serienprodukt? · In welchen Formaten sind die Sandwiches lieferbar?
Havel metal foam fertigt vier Aluminiumschaum-Technologien in Serie und ist damit Hersteller und nicht Forschungspartner. Für Schiffbauteile sind zwei Aufbauten relevant: SAS mit Stahldecklagen, 8 bis 40 mm Gesamthöhe und maximal 2.950 mal 1.450 mm, sowie AAS mit Aluminiumdecklagen, 6 bis 60 mm Gesamthöhe und maximal 2.800 mal 1.400 mm. Der Schaumkern wird zwischen den Decklagen aufgeschäumt und bindet metallisch an, ohne Klebstoff; das Ergebnis ist sortenrein und damit vollständig recycelbar. Die lieferbare Kerndichte liegt bei 0,5 bis 0,8 g/cm³. Größere Bauteile entstehen durch Fügen mehrerer Platten, nicht durch größere Formate.
- Quellen
- Datenblatt
- Markeninhalte
Lässt sich das Sandwich an einen bestehenden Stahlrumpf anschließen?
Auch gefragt: Kann eine Werft das mit ihren eigenen Verfahren verarbeiten? · Wie kommt Aluminium an Stahl?
Ja, und die Fügetechnik richtet sich nach der Decklage. SAS-Sandwiches von Havel metal foam haben Stahldecklagen und werden mit dem Stahlrumpf durch MIG/MAG-Schweißen verbunden, also mit dem Verfahren, das auf einer Werft ohnehin im Einsatz ist. AAS-Sandwiches haben Aluminiumdecklagen und brauchen den Werkstoffübergang: Sie werden über sprenggeplattete Übergangsprofile an den Stahl angeschlossen, Aluminium auf Aluminium wieder mit MIG/MAG. Für einen Umbau ist das der entscheidende Punkt, weil er festlegt, welcher Aufbau ohne zusätzliche Übergangsbauteile in eine vorhandene Stahlstruktur passt. Die Decklagen selbst lassen sich mit Standardverfahren schweißen, biegen, bohren und beschichten.
- Quellen
- Markeninhalte
Grenzen und Zulassung
Wann bleibt Stahl die einfachere Lösung?
Auch gefragt: Wo liegen die Nachteile der Sandwichbauweise? · Braucht Aluminiumschaum einen Korrosionsschutz?
Bei Havel metal foam gehören drei Punkte zur ehrlichen Auslegung. Ein Sandwich bezieht seine Steifigkeit aus der Bauhöhe und braucht deshalb Platz: Wo die Konstruktion keine Bauhöhe hergibt, ist Stahl weiter die einfachere Lösung. Sitzt Schaum im Bereich einer Befestigung, steigt der Vorbereitungsaufwand in der Fertigung, was am Antriebsfundament des Förderprojekts ausdrücklich vermerkt ist. Und der Korrosionsschutz entfällt nicht: Er ist für ein Aluminiumschaum-Bauteil genauso vorzusehen wie für ein Stahlbauteil. Befestigungspunkte, Schienen oder Muttern können außerdem nur in SAS mit eingeschäumt oder eingeschweißt werden; AAS trägt beides nicht, was die Wahl des Aufbaus mitbestimmt.
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- Markeninhalte
Was ist bei der Zulassung eines solchen Bauteils früh zu klären?
Auch gefragt: Liegt ein Klassezertifikat vor? · Was gilt für das Modul D?
Für ein Bauteil aus Aluminiumschaum in der Binnenschifffahrt ist der Zertifikatsstand der Punkt, der früh geklärt gehört. Das für den Schiffbau nötige Zertifikat nach Modul D ist abgelaufen und wurde von Havel metal foam vorerst nicht erneuert, weil derzeit kein akuter Bedarf besteht; es kann bei Bedarf kurzfristig erneuert werden. Für ein Projekt, das eine Klassifikation verlangt, ist das die verwertbare Auskunft: Die Zulassung ist verfügbar, sie liegt aber nicht vorrätig vor, und der Zeitbedarf für die Erneuerung gehört in den Projektplan statt in die Bauphase. Materialseitig ergab die Materialprüfung von AAS und SAS nach DIN EN 45545-2 eine Eingruppierung in HL3; ein Zertifikat wurde dazu nicht beantragt.
- Quellen
- Markeninhalte
Leichter bauen für Niedrigwasser
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