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    【CW】2021年復合材料行業市場前瞻——船舶及海洋篇
    
                    
                    
                    
                    
    
                         herahera
                        
                        
                        2021-01-10
                        
                            
                        
                    
    
                    
    
                        
                        
    
                    
    
                    
                    
    
                        
    
                            
                        
    
                        
    
                            
                                
    
                                    
                                        
    

                                        
                                        

                                        
    新冠疫情期間船舶銷售激增，碳纖維隨著對電力、水翼航行和性能的需求而持續增長，而船用玻璃纖維復合材料、3D打印和回收利用則取得了進展。
    圖片來源：Candela Boats
    美國國家船舶制造商協會（NMMA，美國伊利諾伊州芝加哥）在2020年10月報告稱，與2019年同期相比，機動船的零售額今年迄今增長了8%。自年初至今，水上摩托（PWC）、浮筒船和淡水釣魚艇的銷售額分別增長2%、9%和10%，而海釣游艇、拖船、巡洋艦和豪華游艇的銷售額與2019年相比均實現了11%至15%的兩位數增長。NMMA商業智能主管Vicky Yu說：“2020年是新動力船零售銷售的標志性一年，我們預計年底機動船的年銷售額將達到13年來的最高水平。”。

    水翼模式的電動“Seven”游艇的效率是同類氣動船的15倍。 
    圖片來源：Candela Boats
    帆艇和動力艇的一個日益增長的趨勢是水翼飛行——也就是說，使用被稱為水翼艇的水下機翼將船體提離水面并“飛行”。雖然水翼已經存在了幾十年，但它的好處在2013年美國杯賽期間被廣泛傳播，新西蘭隊和美國甲骨文隊都使用水翼在17節的微風中實現了40節/46英里/小時的航行速度，比以前的美國杯賽選手在11-13節（13-15英里/小時）的速度要快得多。

    水翼通常是穿透水面的V形葉片或留在水面以下的T形葉片。有些船將兩者結合使用。與飛機上的機翼相似，它們會產生升力，因此，隨著船速的提高（在大多數應用中為15至18節），其船體會從水中升起。水翼通常在較低速度下縮回，由電子元件驅動。

    由于水翼船是從水面升起的，因此它們的阻力和阻力較小，因此效率更高-許多人聲稱油耗降低了30-40％。一個例子是Candela Boats（瑞典利丁厄）的7.7米長的電動船“Seven”，它的能源效率要比汽油動力滑行船高4-5倍，擁有成本降低95％。Seven開始以14-15節的速度進行水翼飛行，以22節的速度航行，最大速度為30節，航程為50海里。

    水翼通常由碳纖維增強聚合物（CFRP）復合材料制成。Seven的水翼由單向（UD）碳纖維帶制成，注入Sicomin環氧樹脂系統（法國沙圖努夫les Martigues）SR1710環氧樹脂，室溫固化，然后進行40°C后固化。“Seven”的船體由相同的碳纖維和環氧樹脂制成，這也是一種趨勢，因為這些“飛行”船對輕量化和剛性的需求不斷增加。
    將一個大的CFRP水翼真空袋裝到CFRP工具上，并準備在熱壓罐中固化，以制造高性能的多船體帆船（注意通風孔）。 
    圖片來源：Holland Composites
    復合材料水翼和水翼船的另一家制造商是荷蘭復合材料公司（荷蘭萊利斯塔德）。其品牌DNA Performance Sailing可生產長5.5至14米的高性能水翼多體船。Holland Composites的聯合管理合伙人Sven Erik Janssen說：“我們的小船是行業中第一個水翼雙體船。” 該公司還生產創紀錄的賽艇用復合水翼，與Candela一樣，使用碳纖維和灌注材料，也使用熱壓罐固化的預浸料，具體取決于性能和成本要求。他補充說：“我們擁有一種內部技術，可以制造出真正高負荷的零件而不會發生故障，并且為這些超高性能水翼提供了獨特的一次性生產方法。”

    復合水翼還在豪華游艇Nemesis One上出現，該游艇由Nemesis Yachts（阿拉伯聯合酋長國迪拜）于8月首次亮相，由多體船專家VPLP Design（法國巴黎）設計。

    一些制造商稱，盡管水翼船的成本通常高于傳統傳播，但只需要廣泛的開發和計算機輔助設計，以及碳纖維等輕質材料，性能的提高通常只需三年就能彌補這一差距。另一個因素是，隨著對更環保船只的不斷推進，水翼船提供了一種改善電力劃船性能的方法。Candela Boats傳播總監Mikael Mahlberg在2020年8月的《Soundings Trade Only Today article》雜志上發表的文章“We have liftoff.”里說到：“如果您想用電池走得更遠和快，那么水翼是唯一的方法。”

    碳纖維復合材料持續增長
    船主和運營商在降低油耗和環境影響的同時，也在為提高航速和性能而努力，碳纖維復合材料在海洋中的應用也在緩慢增加。例如，Holland Composites為Windcat Workboats風電場服務/維護船生產的輕質碳纖維布甲板室，它采用樹脂注入碳纖維布泡沫夾層結構，以增加剛度，從而實現大的開放跨度，而機艙內沒有支柱。

    Janssen說：“單體外殼的甲板室重量很輕，我們可以將其放在良好的減震器上，以使其與發動機和船體的振動隔離開來。” “Windcat以其安靜的航行而聞名，這些船深受大型風力發電機原始設備制造商的喜愛。所有這些風電場都必須得到維護，因此50至60英尺長的高速雙體船有了一個新的市場。”
    Holland Composites為Windcat雙體船生產的CFRP甲板室能夠安裝在隔振器上，讓風機工作人員享受安靜的乘坐體驗。
    圖片來源：Holland Composites
    Apex Watercraft（美國田納西州羅克島）的Tyr釣魚皮艇是另一個新的，性能更高的設計示例，盡管尺寸要小得多。這種全復合設計使用Premium Resin Tech（美國密歇根州休倫港）的高抗沖環氧樹脂和Firestone（美國北卡羅來納州金斯山）的碳纖維斜紋織物來匹配輕便和高性能的皮劃艇 ，但其設計易于使用。12英尺長，10英寸寬的Tyr皮艇具有一個滑行船體，一端與水齊平，以方便進出，裝載設備。滑行船體也更穩定，減少吃水，使皮劃艇比典型的皮劃艇船體行駛得更快，并且更具機動性。
    碳纖維/環氧Tyr釣魚皮劃艇具有一流的性能。 
    圖片來源：Apex Watercraft
    Tyr的輕巧而堅固的結構使這種設計沒有塑料孔的標準排水孔，而塑料孔是圓形皮劃艇的標準材料，塑料皮劃艇使用圓形船體以達到釣魚時站立所必需的穩定性。公司創始人埃里克·杰克遜（Eric Jackson）說：“如果將塑料皮劃艇設計成采用我的Apex船體的船體形狀，將很難保持其形狀。” Tyr還具有在船體中選擇性使用Innegra（美國南卡羅來納州格林維爾）纖維的特性，以提高抗沖擊性和長期耐久性。

    3D打印從模具轉移到船體
    纖維增強復合材料模具的3D打印繼續穩定發展。例如，Nedcam（荷蘭Heerenveen）最近添加了CEAD（荷蘭Delft）AM Flexbot機器人3D打印機。Nedcam當前使用玻璃纖維增強復合材料和其他材料生產插頭和模具，這些塞子和模具經常用于一次或有限使用，每年造成數噸的浪費。該公司現在將使用DSM（荷蘭，Geleen）的優化纖維增強熱塑性顆粒材料，為尋求大型應用的制造商提供3D打印生產服務。其目標是減少浪費并提高可持續性。Nedcam創始人Erwin van Maaren表示：“通過將DSM的3D打印和熱塑性塑料專業知識與我們的生產知識和生產設施相結合，我們希望采取必要的步驟，已實現可持續和全循環的模型生產過程。”
    使用連續的玻璃纖維和乙烯基酯樹脂，moi復合材料公司3D打印MAMBO的部分，然后將它們層壓在一起。
    圖片來源：moi composites
    2020年，MAMBO（電機增材制造船）完工，制造商moi composites（意大利米蘭）宣稱，MAMBO是第一艘使用連續玻璃纖維增強熱固性復合材料的3D打印船。這艘6.5米長、2.5米寬的動力船展示了一種新的、獨特的外形，這是傳統制造所無法做到的。它是用機器人在生成算法的引導下進行分段印刷的，這種算法可以直接從數字模型中使用連續纖維進行印刷。然后將這些部分層壓在一起，以創建最終的雕刻結構，而無需在船體和甲板之間進行傳統的劃分。

    連續纖維增強與乙烯基酯樹脂結合-因其長期耐海水作用而在海洋應用中受到青睞-使MAMBO堅固，耐用且輕便。通過創建不需要插頭或模具的3D打印結構，也可以以高效且具有成本效益的方式小批量或作為一次性的獨特結構來構建實際產品，而不僅僅是原型。Moi在MAMBO項目中的合作伙伴包括數字設計軟件供應商Autodesk（美國加利福尼亞州圣拉斐爾）和玻璃纖維供應商Owens Corning（美國俄亥俄州托萊多）。

    最近，Thermwood（美國印第安納州戴爾）在其擁有專利的垂直層打印（VLP）技術Thermwood LSAM MT上3D打印了一個51英尺長的游艇船體模具的多個部分。該演示器擁有Techmer PM LLC（美國田納西州克林頓）的碳纖維增強ABS。

    船用復合材料
    FIBRESHIP船體演示器
    由Technicas y Servicios deIngeniría（TSI）設計的這條重達85米的復合材料漁船，其20噸重的部件比鋼材減輕了70％的重量。 
    圖片來源：FIBRESHIP，TSI
    另一個大趨勢是，在擁有378個成員的歐洲海上輕量應用網絡（E-LASS）的支持下，兩個歐洲聯盟FIBRESHIP和RAMSSES在一波示范項目中取得了進展。其中包括復合材料甲板、舵、船體、模塊化艙室和上部結構、鋼修補和復合材料與鋼焊接接頭。他們旨在展示大型復合材料結構和整個船舶的防火和結構性能，以及新的生產方法、連接技術、設計工具和認證路線。FIBRESHIP已經完成了一艘85米長的漁業研究船（FRV）的20噸部分，該船采用復合材料制造。它的尺寸為11×11×8.6米，由法國拉西奧塔的iXblue造船廠建造，并于2019年6月在FIBRESHIP的第二次公共研討會上展出。

    同時，RAMSSES正在進行13個演示器項目開發，其中10個具有復合材料，包括全復合，80米長的海上巡邏型船只。Damen船廠集團（荷蘭Gorinchem）正在領導演示這艘船的6×6×3米全尺寸復合船體剖面，該剖面采用真空灌注和贏創（德國埃森）的新型樹脂制成。Damen還與InfraCore公司（荷蘭鹿特丹）合作，將姊妹公司FiberCore Europe（鹿特丹）使用的技術應用于1,000多種復合橋和鎖閘中。InfraCore正在為演示器建造甲板，艙壁和船體結構，將對其結構和防火性能進行測試。InfraCore運營經理Laurent Morel說：“我們將同時使用水平和垂直灌注技術來制作船體截面。” “到目前為止，我們已經注入了9.8米的高度。”

    復合材料已經在首個使用復合貨物甲板的滾裝載車船上得到了證明，這是由Uljanik Group（克羅地亞普拉）設計和制造的，是RAMSSES 14工作包的一部分，以及用于110米長的內河游輪的輕型日光浴甲板和用于200米長的普通貨船的復合甲板間艙。甲板間艙是可移動甲板，用于分隔船的貨艙。Compocean（挪威桑維卡）與大島造船（日本長崎）和DNV GL合作，開發了一種復合甲板間艙，與鋼相比，重量減輕了50％。所得的9×2米玻璃纖維增強型原型在2017年進行了沖擊和最大載荷測試。Compocean現在已將該開發范圍擴展至船東Masterbulk Pte Ltd.（新加坡），并建造了27 -12米原型復合材料甲板間艙將安裝在船上并進行測試，直到2021年下半年。
    復合材料二層甲板
    Oshima Shipbuilding(日本大島造船)的新型65k載重噸敞口雜貨船設計將使用Compocean的原型復合二層甲板，與鋼相比，重量減輕了50％。
    圖片來源：Compocean，DNV GL
    復合材料船舵也正在研制中。作為RAMSSES工作包12的一部分，貝克爾船舶系統公司（BMS，德國漢堡）正在演示一種用于鋼舵的輕質復合材料襟翼。BMS研發部負責人J?rg Mehldau解釋說，通過在這種重量通常超過200噸的舵上增加一個鉸接的后擋板，“您可以大大減小舵面積。”BMS首創了這種襟翼舵，它可以減少轉彎半徑，提高航向保持性和機動性，使船舶能夠在沒有拖船協助的情況下停泊。復合材料襟翼減輕了重量，使形狀和設計更加有效。對于RAMSSES來說，已開發出一個長11.8米，寬0.9米，弦長2.9米的襟翼，作為針對最大集裝箱船之一（約400米長）的全面測試用例。

    該襟翼將采用樹脂灌注和InfraCore的設計生產，Mehldau解釋說，這是生產靈活性、成本和結構性能的最佳選擇。集裝箱船舵必須能承受大約每平方米100噸的載荷，其表面積為150平方米。InfraCore沒有選擇將高密度結構芯與面板粘合，而是將低密度泡沫芯僅用作多個Z形雙法蘭腹板結構的永久模板。這些是重疊的，面對多軸織物和共同注入形成一個強大的建設。InfraCore將建造一個1:6比例的演示器，使用已經由DNV GL認證的玻璃纖維和聚酯樹脂，以保持低成本。InfraCore的Morel指出，降低成本的復合襟翼具有成本競爭力，“因為鋼制船舵的制造相當復雜。”Mehldau同意：“加上維護和操作成本較少的優勢，我們看到了一個成功的商業案例。”該演示器原定于2020-21年完成測試。

    回收報廢船只
    為了使復合材料在任何市場領域都能繼續增長，必須更加重視回收利用和可持續性。羅德島海洋貿易協會（RIMTA，美國布里斯托爾）自2018年1月以來一直領導著羅德島玻璃纖維船（艇）回收計劃。該計劃已經測試并驗證了可行的回收程序，并組織了一個合作伙伴網絡來解決以負責任和可持續的方式淘汰報廢船。由于國家海洋與大氣管理局（NOAA）海洋垃圾計劃提供了105452美元的贈款，該試點計劃現已擴展到美國的另外四個州-康涅狄格州、馬薩諸塞州、緬因州和華盛頓州。在過去的兩年中，由RIMTA發起的“羅德島玻璃纖維船回收計劃”通過新工藝回收了60噸以上的玻璃纖維材料，從而成功地將舊船從垃圾填埋場轉移出去。RIMTA基金會正在開發玻璃纖維船回收的可持續金融模型，它將利用NOAA的資金來幫助華盛頓和新英格蘭地區的社區改善并推廣羅德島玻璃纖維船回收計劃。
    來源：CompositesWorld
    
                                        		
                                
    
                                
                        
    
                    
    



                
    
                
    
                    
                    
                        
    
                            
                                
      
                                  		
                        
      
                          
                
      
                
      
                
                
                
      
                
      


                

                
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