2021年复合材料行业市场前瞻——船舶及海洋篇

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新冠疫情期间船舶销售激增,碳纤维随着对电力、水翼航行和性能的需求而持续增长,而船用玻璃纤维复合材料、3D打印和回收利用则取得了进展。

美国国家船舶制造商协会(NMMA,美国伊利诺伊州芝加哥)在2020年10月报告称,与2019年同期相比,机动船的零售额今年迄今增长了8%。自年初至今,水上摩托(PWC)、浮筒船和淡水钓鱼艇的销售额分别增长2%、9%和10%,而海钓游艇、拖船、巡洋舰和豪华游艇的销售额与2019年相比均实现了11%至15%的两位数增长。NMMA商业智能主管Vicky Yu说:“2020年是新动力船零售销售的标志性一年,我们预计年底机动船的年销售额将达到13年来的最高水平。”。

帆艇和动力艇的一个日益增长的趋势是水翼飞行——也就是说,使用被称为水翼艇的水下机翼将船体提离水面并“飞行”。虽然水翼已经存在了几十年,但它的好处在2013年美国杯赛期间被广泛传播,新西兰队和美国甲骨文队都使用水翼在17节的微风中实现了40节/46英里/小时的航行速度,比以前的美国杯赛选手在11-13节(13-15英里/小时)的速度要快得多。

水翼通常是穿透水面的V形叶片或留在水面以下的T形叶片。有些船将两者结合使用。与飞机上的机翼相似,它们会产生升力,因此,随着船速的提高(在大多数应用中为15至18节),其船体会从水中升起。水翼通常在较低速度下缩回,由电子元件驱动。

由于水翼船是从水面升起的,因此它们的阻力和阻力较小,因此效率更高-许多人声称油耗降低了30-40%。一个例子是Candela Boats(瑞典利丁厄)的7.7米长的电动船“Seven”,它的能源效率要比汽油动力滑行船高4-5倍,拥有成本降低95%。Seven开始以14-15节的速度进行水翼飞行,以22节的速度航行,最大速度为30节,航程为50海里。

水翼通常由碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料制成。Seven的水翼由单向(UD)碳纤维带制成,注入Sicomin环氧树脂系统(法国沙图努夫les Martigues)SR1710环氧树脂,室温固化,然后进行40°C后固化。“Seven”的船体由相同的碳纤维和环氧树脂制成,这也是一种趋势,因为这些“飞行”船对轻量化和刚性的需求不断增加。

复合材料水翼和水翼船的另一家制造商是荷兰复合材料公司(荷兰莱利斯塔德)。其品牌DNA Performance Sailing可生产长5.5至14米的高性能水翼多体船。Holland Composites的联合管理合伙人Sven Erik Janssen说:“我们的小船是行业中第一个水翼双体船。” 该公司还生产创纪录的赛艇用复合水翼,与Candela一样,使用碳纤维和灌注材料,也使用热压罐固化的预浸料,具体取决于性能和成本要求。他补充说:“我们拥有一种内部技术,可以制造出真正高负荷的零件而不会发生故障,并且为这些超高性能水翼提供了独特的一次性生产方法。”

复合水翼还在豪华游艇Nemesis One上出现,该游艇由Nemesis Yachts(阿拉伯联合酋长国迪拜)于8月首次亮相,由多体船专家VPLP Design(法国巴黎)设计。

一些制造商称,尽管水翼船的成本通常高于传统传播,但只需要广泛的开发和计算机辅助设计,以及碳纤维等轻质材料,性能的提高通常只需三年就能弥补这一差距。另一个因素是,随着对更环保船只的不断推进,水翼船提供了一种改善电力划船性能的方法。Candela Boats传播总监Mikael Mahlberg在2020年8月的《Soundings Trade o
nly Today article》杂志上发表的文章“We have liftoff.”里说到:“如果您想用电池走得更远和快,那么水翼是唯一的方法。”

碳纤维复合材料持续增长

船主和运营商在降低油耗和环境影响的同时,也在为提高航速和性能而努力,碳纤维复合材料在海洋中的应用也在缓慢增加。例如,Holland Composites为Windcat Workboats风电场服务/维护船生产的轻质碳纤维布甲板室,它采用树脂注入碳纤维布泡沫夹层结构,以增加刚度,从而实现大的开放跨度,而机舱内没有支柱。

Janssen说:“单体外壳的甲板室重量很轻,我们可以将其放在良好的减震器上,以使其与发动机和船体的振动隔离开来。” “Windcat以其安静的航行而闻名,这些船深受大型风力发电机原始设备制造商的喜爱。所有这些风电场都必须得到维护,因此50至60英尺长的高速双体船有了一个新的市场。”

Apex Watercraft(美国田纳西州罗克岛)的Tyr钓鱼皮艇是另一个新的,性能更高的设计示例,尽管尺寸要小得多。这种全复合设计使用Premium Resin Tech(美国密歇根州休伦港)的高抗冲环氧树脂和Firestone(美国北卡罗来纳州金斯山)的碳纤维斜纹织物来匹配轻便和高性能的皮划艇 ,但其设计易于使用。12英尺长,10英寸宽的Tyr皮艇具有一个滑行船体,一端与水齐平,以方便进出,装载设备。滑行船体也更稳定,减少吃水,使皮划艇比典型的皮划艇船体行驶得更快,并且更具机动性。

Tyr的轻巧而坚固的结构使这种设计没有塑料孔的标准排水孔,而塑料孔是圆形皮划艇的标准材料,塑料皮划艇使用圆形船体以达到钓鱼时站立所必需的稳定性。公司创始人埃里克·杰克逊(Eric Jackson)说:“如果将塑料皮划艇设计成采用我的Apex船体的船体形状,将很难保持其形状。” Tyr还具有在船体中选择性使用Innegra(美国南卡罗来纳州格林维尔)纤维的特性,以提高抗冲击性和长期耐久性。

3D打印从模具转移到船体

纤维增强复合材料模具的3D打印继续稳定发展。例如,Nedcam(荷兰Heerenveen)最近添加了CEAD(荷兰Delft)AM Flexbot机器人3D打印机。Nedcam当前使用玻璃纤维增强复合材料和其他材料生产插头和模具,这些塞子和模具经常用于一次或有限使用,每年造成数吨的浪费。该公司现在将使用DSM(荷兰,Geleen)的优化纤维增强热塑性颗粒材料,为寻求大型应用的制造商提供3D打印生产服务。其目标是减少浪费并提高可持续性。Nedcam创始人Erwin van Maaren表示:“通过将DSM的3D打印和热塑性塑料专业知识与我们的生产知识和生产设施相结合,我们希望采取必要的步骤,已实现可持续和全循环的模型生产过程。”

2020年,MAMBO(电机增材制造船)完工,制造商moi composites(意大利米兰)宣称,MAMBO是第一艘使用连续玻璃纤维增强热固性复合材料的3D打印船。这艘6.5米长、2.5米宽的动力船展示了一种新的、独特的外形,这是传统制造所无法做到的。它是用机器人在生成算法的引导下进行分段印刷的,这种算法可以直接从数字模型中使用连续纤维进行印刷。然后将这些部分层压在一起,以创建最终的雕刻结构,而无需在船体和甲板之间进行传统的划分。

连续纤维增强与乙烯基酯树脂结合-因其长期耐海水作用而在海洋应用中受到青睐-使MAMBO坚固,耐用且轻便。通过创建不需要插头或模具的3D打印结构,也可以以高效且具有成本效益的方式小批量或作为一次性的独特结构来构建实际产品,而不仅仅是原型。Moi在MAMBO项目中的合作伙伴包括数字设计软件供应商Autodesk(美国加利福尼亚州圣拉斐尔)和玻璃纤维供应商Owens Corning(美国俄亥俄州托莱多)。

最近,Thermwood(美国印第安纳州戴尔)在其拥有专利的垂直层打印(VLP)技术Thermwood LSAM MT上3D打印了一个51英尺长的游艇船体模具的多个部分。该演示器拥有Techmer PM LLC(美国田纳西州克林顿)的碳纤维增强ABS。

船用复合材料

另一个大趋势是,在拥有378个成员的欧洲海上轻量应用网络(E-LASS)的支持下,两个欧洲联盟FIBRESHIP和RAMSSES在一波示范项目中取得了进展。其中包括复合材料甲板、舵、船体、模块化舱室和上部结构、钢修补和复合材料与钢焊接接头。他们旨在展示大型复合材料结构和整个船舶的防火和结构性能,以及新的生产方法、连接技术、设计工具和认证路线。FIBRESHIP已经完成了一艘85米长的渔业研究船(FRV)的20吨部分,该船采用复合材料制造。它的尺寸为11×11×8.6米,由法国拉西奥塔的iXblue造船厂建造,并于2019年6月在FIBRESHIP的第二次公共研讨会上展出。

同时,RAMSSES正在进行13个演示器项目开发,其中10个具有复合材料,包括全复合,80米长的海上巡逻型船只。Damen船厂集团(荷兰Gorinchem)正在领导演示这艘船的6×6×3米全尺寸复合船体剖面,该剖面采用真空灌注和赢创(德国埃森)的新型树脂制成。Damen还与InfraCore公司(荷兰鹿特丹)合作,将姊妹公司FiberCore Europe(鹿特丹)使用的技术应用于1,000多种复合桥和锁闸中。InfraCore正在为演示器建造甲板,舱壁和船体结构,将对其结构和防火性能进行测试。InfraCore运营经理Laurent Morel说:“我们将同时使用水平和垂直灌注技术来制作船体截面。” “到目前为止,我们已经注入了9.8米的高度。”

复合材料已经在首个使用复合货物甲板的滚装载车船上得到了证明,这是由Uljanik Group(克罗地亚普拉)设计和制造的,是RAMSSES 14工作包的一部分,以及用于110米长的内河游轮的轻型日光浴甲板和用于200米长的普通货船的复合甲板间舱。甲板间舱是可移动甲板,用于分隔船的货舱。Compocean(挪威桑维卡)与大岛造船(日本长崎)和DNV GL合作,开发了一种复合甲板间舱,与钢相比,重量减轻了50%。所得的9×2米玻璃纤维增强型原型在2017年进行了冲击和最大载荷测试。Compocean现在已将该开发范围扩展至船东Masterbulk Pte Ltd.(新加坡),并建造了27 -12米原型复合材料甲板间舱将安装在船上并进行测试,直到2021年下半年。

复合材料船舵也正在研制中。作为RAMSSES工作包12的一部分,贝克尔船舶系统公司(BMS,德国汉堡)正在演示一种用于钢舵的轻质复合材料襟翼。BMS研发部负责人J?rg Mehldau解释说,通过在这种重量通常超过200吨的舵上增加一个铰接的后挡板,“您可以大大减小舵面积。”BMS首创了这种襟翼舵,它可以减少转弯半径,提高航向保持性和机动性,使船舶能够在没有拖船协助的情况下停泊。复合材料襟翼减轻了重量,使形状和设计更加有效。对于RAMSSES来说,已开发出一个长11.8米,宽0.9米,弦长2.9米的襟翼,作为针对最大集装箱船之一(约400米长)的全面测试用例。

该襟翼将采用树脂灌注和InfraCore的设计生产,Mehldau解释说,这是生产灵活性、成本和结构性能的最佳选择。集装箱船舵必须能承受大约每平方米100吨的载荷,其表面积为150平方米。InfraCore没有选择将高密度结构芯与面板粘合,而是将低密度泡沫芯仅用作多个Z形双法兰腹板结构的永久模板。这些是重叠的,面对多轴织物和共同注入形成一个强大的建设。InfraCore将建造一个1:6比例的演示器,使用已经由DNV GL认证的玻璃纤维和聚酯树脂,以保持低成本。InfraCore的Morel指出,降低成本的复合襟翼具有成本竞争力,“因为钢制船舵的制造相当复杂。”Mehldau同意:“加上维护和操作成本较少的优势,我们看到了一个成功的商业案例。”该演示器原定于2020-21年完成测试。

回收报废船只

为了使复合材料在任何市场领域都能继续增长,必须更加重视回收利用和可持续性。罗德岛海洋贸易协会(RIMTA,美国布里斯托尔)自2018年1月以来一直领导着罗德岛玻璃纤维船(艇)回收计划。该计划已经测试并验证了可行的回收程序,并组织了一个合作伙伴网络来解决以负责任和可持续的方式淘汰报废船。由于国家海洋与大气管理局(NOAA)海洋垃圾计划提供了105452美元的赠款,该试点计划现已扩展到美国的另外四个州-康涅狄格州、马萨诸塞州、缅因州和华盛顿州。在过去的两年中,由RIMTA发起的“罗德岛玻璃纤维船回收计划”通过新工艺回收了60吨以上的玻璃纤维材料,从而成功地将旧船从垃圾填埋场转移出去。RIMTA基金会正在开发玻璃纤维船回收的可持续金融模型,它将利用NOAA的资金来帮助华盛顿和新英格兰地区的社区改善并推广罗德岛玻璃纤维船回收计划。

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