Superando los desafíos del aligeramiento naval con materiales compuestos

Los compuestos de polímero reforzado con fibra de vidrio (PRFV) y fibra de carbono (PRFC) se han usado para construir buques marinos durante décadas, incluyendo numerosos cazaminas de 40 a 60 metros e incluso buques mayores, como la corbeta clase Visby de 72 metros de la Armada Sueca y el velero de 75 metros Mirabella V. El yate a motor de 141 metros Swift 141 (rebautizado Yas) es una fragata de acero holandesa reconstruida usando PRFV/PRFC en suelos bajo cubierta y superestructura de tres cubiertas (ver "De fragata a gigayate de lujo"), incluyendo una junta compuesto-acero.

Y, sin embargo, los compuestos rara vez se usan en la construcción naval. Esto se debe principalmente a las regulaciones Safety Of Life At Sea (SOLAS) emitidas por la Organización Marítima Internacional (OMI, Londres, Reino Unido), que exigían que los barcos comerciales se construyeran en acero hasta que se emitió la MSC/Circ. 1002 en 2002 permitiendo diseños alternativos.

"La regulación exige que se realice un análisis de riesgo que demuestre que el diseño y construcción alternativos son equivalentes al acero", explica Stéphane Paboeuf, jefe de la Sección de Materiales Compuestos de la sociedad de clasificación Bureau Veritas (BV, Nantes, Francia). "Este proceso es largo, costoso y la decisión final podría seguir siendo negativa". Así, aunque los compuestos ofrecen muchas ventajas para la construcción naval, los desafíos de seguridad contra incendios y regulaciones han planteado barreras para su uso.

Mientras tanto, propietarios, operadores y constructores navales buscan soluciones para una mayor sostenibilidad, incluyendo menor peso para reducir consumo de combustible, emisiones de gases de efecto invernadero y calado del buque — este último para vías navegables interiores poco profundas. La resistencia inherente a la corrosión de los compuestos para reducir el mantenimiento también es atractiva.

En 2017, la OMI emitió MSC.1/Circ., un nuevo conjunto de directrices para el uso de compuestos PRFV en barcos comerciales. A medida que la evaluación de la OMI de estas directrices en 2021 se acerca, una cantidad asombrosa de actividad está teniendo lugar. Dos consorcios europeos, FIBRESHIP y RAMSSES, apoyados por la red europea de 378 miembros para Aplicaciones Ligeras en el Mar (E-LASS), están liderando esta ola de proyectos demostrativos, que incluyen cubiertas, timones, cascos, camarotes modulares y superestructuras, reparaciones de parche a acero y juntas soldadas compuesto-acero. Juntos, su objetivo es superar las barreras para la construcción naval ligera con compuestos no solo demostrando el rendimiento contra incendios y estructural de grandes estructuras y buques completos, sino también desarrollando nuevas rutas para certificación y métodos de producción, nuevas tecnologías de unión y herramientas de diseño. También están compartiendo información a través de talleres continuos, repositorios de conocimiento y bases de datos de materiales/diseño. Puede estar abriéndose un nuevo mercado para compuestos marinos, pero ¿qué soluciones requerirá?

FIBRESHIP y RAMSSES

FIBRESHIP y RAMSSES comenzaron en junio de 2017, financiados por el programa Horizonte 2020 de la Unión Europea. FIBRESHIP tiene 18 miembros y se extenderá hasta mayo de 2020, mientras que RAMSSES tiene 36 miembros y termina en mayo de 2021. Ambos incluyen empresas de toda la cadena de suministro que abarcan centros de I+D, universidades, proveedores de materiales y tecnología, fabricantes de piezas, firmas de arquitectura e ingeniería naval, astilleros, propietarios de buques y sociedades de clasificación. Estas últimas son responsables de desarrollar reglas específicas para construcciones navales individuales basadas en las directrices generales de la OMI. Están autorizadas por los estados de bandera (cada buque lleva la bandera de un país) para auditar la construcción del buque y asegurar que se sigan estas reglas. "Es importante que todas las partes interesadas y usuarios finales estén involucradas", dice Alfonso Jurado, jefe de I+D en Tecnicas y Servicios de Ingeniería (TSI, Madrid, España) y coordinador del proyecto FIBRESHIP.

"El objetivo principal de FIBRESHIP es desarrollar capacidad de diseño y producción para grandes buques marinos (más de 50 metros de largo) con menos peso", continúa Jurado. "Esta es también la principal motivación para mi empresa". TSI está diseñando la estructura compuesta de un buque de investigación pesquera (FRV) de 85 metros de eslora total (LOA), que servirá como demostrador y, hasta ahora, logra casi un 70 % de reducción en peso estructural versus el buque de referencia de acero. "Esto es asombroso, ofreciendo la posibilidad real de ayuda para el sector marítimo", dice. Una sección de 20 toneladas de este FRV, que mide 11 x 11 x 8,6 metros (ver imagen de apertura), fue construida por el astillero socio iXblue en La Ciotat, Francia, y exhibida en el segundo taller público de FIBRESHIP en junio de 2019 (ver publicación de noticias con video del demostrador siendo fabricado).

Jurado explica que el FRV es el primero de tres casos generales de buques compuestos que FIBRESHIP está desarrollando. Los siguientes dos son portacontenedores de 260 metros LOA y ROPAX de 204 metros, este último combinando la capacidad de carga de un buque ro-ro con las instalaciones de pasajeros de un ferry. "El FRV fue elegido como demostrador porque es más pequeño con una estructura marina más convencional, y por lo tanto el más factible de construir en el futuro próximo", dice. "Los propietarios de buques también han mostrado un interés real en tal buque". Mientras tanto, RAMSSES tiene 13 demostradores en progreso, 10 de los cuales incluyen compuestos, y también persigue un buque totalmente compuesto.

Jurado señala que las empresas que participan en estos proyectos ven el potencial de tales diseños novedosos y nuevos productos ligeros para proporcionar una ventaja competitiva para sus negocios así como para la industria naval de cada país. Pero el progreso no se asegurará solo con grandes demostradores. "También debemos tener el apoyo de las autoridades regulatorias", añade. "Un primer paso es involucrar a la OMI y adaptar la actual regulación SOLAS a los nuevos requisitos y demandas de la industria naviera. Sin esto, no podemos avanzar porque las compañías de seguros no suscribirán barcos de compuestos reforzados con fibra si no cumplen los requisitos mínimos y la certificación de seguridad, por ejemplo".

Enfoque propuesto de Vía Rápida a la Aprobación (FTA) para la certificación de compuestos en barcos comerciales desarrollado dentro del proyecto RAMSSES, presentado durante el Seminario E-LASS de junio de 2019 (Vigo, España). Fuente | RAMSSES y Stephane Paboeuf, Bureau Veritas

"FIBRESHIP persigue un enfoque a largo plazo desarrollando nuevas reglas, mientras que RAMSSES desarrolla un enfoque a corto plazo usando reglas y métodos existentes", explica Paboeuf en BV, que es la única sociedad de clasificación socio en RAMSSES, y una de tres en FIBRESHIP junto con Lloyd's Register (Londres, Reino Unido) y RINA (Génova, Italia). "En RAMSSES, estamos desarrollando un procedimiento de Vía Rápida a la Aprobación (FTA) basado en la reutilización de datos del proyecto para estandarizar pruebas y proporcionar orientación para diseño y aprobación". Este procedimiento debe ser simple y fácilmente legible por astilleros, arquitectos navales y proveedores. La aceleración versus el proceso actual vendrá a través de soportes desarrollados en proyectos demostrativos de RAMSSES, incluyendo:

• una base de datos de soluciones pre-aprobadas y resultados de pruebas de materiales para evitar pruebas repetitivas,
• escenarios de riesgo de incendio que cubren una gama de aplicaciones similares para limitar el número y alcance de evaluaciones de riesgo, y
• herramientas de análisis y modelado, incluyendo modelos numéricos o estadísticos que puedan reemplazar pruebas físicas en el futuro.

"En FIBRESHIP, estamos trabajando con Lloyd's Register y RINA para desarrollar un conjunto de reglas prescriptivas específicamente para grandes buques construidos con compuestos", continúa Paboeuf. "Para rendimiento estructural, estamos definiendo nuevos coeficientes de seguridad para cargas locales y globales". RAMSSES y FIBRESHIP también proponen reemplazar los actuales niveles de calificación de incendio como A60, B30 y B15 con una nueva convención REIxx, donde R especifica resistencia al fuego (capacidad de carga en incendio), E designa integridad (prevención de propagación de humo y llamas) e I define aislamiento contra incendios. "El objetivo es alinear mejor las calificaciones de incendio estructural con los materiales compuestos que se usan", explica Paboeuf.

Además, los dos proyectos también están lidiando con evaluaciones de riesgo debido a propagación de llamas, producción de humo y riesgo de incendio en el espacio de origen, pero también a nivel de seguridad global del buque. "Para rendimiento contra incendios, estamos desarrollando un enfoque de equivalencia local, que trata la seguridad contra incendios a nivel local basado en las calificaciones de incendio de los tabiques y otras divisiones estructurales en cada espacio del buque", dice Paboeuf. "El segundo enfoque, equivalencia global, trata el incendio a nivel de buque, teniendo en cuenta todos los sistemas (protección contra incendios activa y pasiva, detección, evacuación, etc.) que impactan la seguridad contra incendios del buque en su conjunto, no solo cada espacio dividido".

"La adopción más amplia de compuestos en la construcción naval será paso a paso", dice. "Comenzará con piezas pequeñas como cubiertas y superestructuras, o equipos como líneas de ejes y hélices, antes de progresar a la construcción de buques completos, que al principio serán principalmente barcos de propósito especial como buques de investigación y sísmicos y embarcaciones de patrulla de alta velocidad".

Fig. 1 Buque compuesto de 80 metros RAMSSES
Damen Shipyard (DSNS) está desarrollando un buque de patrulla offshore totalmente compuesto en el proyecto RAMSSES. Su sección de casco a escala real de 6 x 6 x 3 metros se construirá en 2020 usando infusión de resina en colaboración con InfraCore Company (ICC) y Airborne International (AIR). Fuente | Damen Shipyard y RAMSSES

Demostradores de buques totalmente compuestos

Además del FRV de 85 metros demostrado por FIBRESHIP, un buque de patrulla offshore de 80 metros de eslora está siendo desarrollado dentro de RAMSSES para ser el primer buque totalmente compuesto SOLAS. Liderado por Damen Shipyard Group (Gorinchem, Países Bajos), este trabajo lleva adelante resultados de su proyecto Bluenose iniciado en 2014. Dentro del paquete de trabajo 17 de RAMSSES, Damen lidera la demostración de una sección de casco compuesto a escala real de 6 x 6 x 3 metros de este buque hecha usando infusión al vacío, explica Matthias Krause, ingeniero de I+D en el Centro de Tecnologías Marítimas (CMT, Hamburgo, Alemania) y co-coordinador del proyecto RAMSSES junto con CETENA (Génova, Italia). "Evonik ha desarrollado una resina novedosa para esta sección de casco demostradora y se ha fabricado utillaje de 6 metros de alto. Damen también está trabajando con Airborne International (La Haya, Países Bajos), un proveedor de la industria aeronáutica que también ha construido grandes estructuras infundidas". Evonik (Essen, Alemania) ha explicado su papel para mejorar la resistencia al impacto y el comportamiento a fatiga del casco infundido de fibra de vidrio/éster vinílico.

Otro socio en este demostrador es InfraCore Co. (Rotterdam, Países Bajos), que está desarrollando nuevas aplicaciones para la tecnología InfraCore usada por la empresa hermana FiberCore Europe (Rotterdam) en más de 1.000 puentes compuestos y compuertas de esclusas en todo el mundo. "Originalmente nos unimos a Damen en este proyecto para construir una cubierta de helicóptero de 12 a 14 toneladas", explica el gerente de operaciones de InfraCore, Laurent Morel. "Ahora estamos trabajando con ellos para construir las cubiertas, tabiques y estructura del casco. Usaremos infusión tanto horizontal como vertical para producir la sección de casco de una sola vez. Hasta ahora, hemos infundido hasta una altura de 9,8 metros". Una vez completado, este demostrador será probado para rendimiento estructural y contra incendios, con resultados y lecciones aprendidas alimentados en los nuevos módulos FTA de RAMSSES.

Cubiertas ligeras

Los compuestos ya han sido demostrados en el primer buque ro-ro en usar una cubierta de carga compuesta, diseñada y construida por Uljanik Group (Pula, Croacia) como parte del paquete de trabajo 14 de RAMSSES (ver "Bajo peso en alta mar"), así como una cubierta solar ligera para un crucero fluvial de 110 metros (ver "Cubierta compuesta reduce el calado de buque fluvial") y una cubierta intermedia compuesta para un portador de carga general de 200 metros. "Una cubierta intermedia es una cubierta extraíble que puedes instalar para dividir la bodega de carga para facilitar diferentes tipos de carga", explica Arnt Frode Brevik, gerente en Compocean (Sandvika, Noruega), un proveedor de soluciones compuestas que surgió de la industria del petróleo y gas.

"Hemos estado trabajando con Oshima Shipbuilding (Nagasaki, Japón) y DNV GL durante varios años para desarrollar una cubierta intermedia ligera con el objetivo de reducir el peso en un 50 % versus acero", dice Brevik. Esto resultó en un prototipo de PRFV de 9 x 2 metros que fue probado para impacto y cargas máximas y luego exhibido en NOR-Shipping 2017.

Compocean ha extendido ahora este desarrollo a un nuevo proyecto con Oshima, DNV GL y el propietario del buque Masterbulk Pte Ltd. (Singapur) para construir un prototipo a escala real de cubierta intermedia compuesta de 27 x 12 metros, que se instalará el próximo año y se probará hasta finales de 2021.

"Oshima buscaba optimizar elementos para reducir costes de combustible y manejo", dice Brevik. "Aunque no hay muchas cubiertas intermedias por buque, es una pieza fácil para comenzar al introducir nuevos materiales porque no es parte de la estructura primaria del buque". El diseño se basa en una placa de fibra de vidrio infundida con resina de poliéster con refuerzos tipo sombrero debajo. "Usamos una mezcla de colocación ±45 grados, 0 grados y 0 grados/90 grados para todas las piezas pero en diferentes proporciones. La estructura de la cubierta también necesita integrar muchos puntos de amarre para asegurar la carga". La placa se unirá a los refuerzos tipo sombrero usando un adhesivo estructural mientras que el atornillado se usará en combinación con el sistema de amarre. Un soporte final de acero atornillado unirá el compuesto a la estructura de acero del buque. "También buscaremos un diseño con uniones puramente adhesivas en el futuro", añade Brevik.

Fig. 2 Cubierta intermedia compuesta
El nuevo diseño de portador de carga general open-hatch de 65k de Oshima Shipbuilding usará el prototipo de cubierta intermedia compuesta de Compocean, que ahorra 50 % de peso vs. acero y estará compuesto por múltiples refuerzos tipo sombrero de PRFV infundidos (inset) unidos a una placa superior de PRFV con conexiones atornilladas del compuesto a la estructura de acero del buque. Fuente | Compocean y DNV GL

Tras recibir la aprobación final de DNV GL para el diseño de la cubierta intermedia a escala real, Compocean ha producido los moldes y comenzado pruebas de fabricación. "La cubierta compuesta a escala real será construida por un socio en Malasia que la transportará en barcaza al buque", dice Brevik. El siguiente paso es apuntar a una reducción de peso mucho mayor, por ejemplo, escotillas compuestas encima de aberturas de carga (placas planas encima de "cajas" verdes en la representación del buque arriba). "Hay siete grandes cubiertas de escotilla en este tipo de portador", señala. "Obtener su aprobación por DNV GL supondrá algunos nuevos desafíos, pero el éxito con la cubierta intermedia ayudará".

Superestructura ligera, camarotes modulares

RAMSSES tiene seis paquetes de trabajo enfocados en superestructuras compuestas y componentes usados sobre la cubierta principal, la mayoría con demostradores y resultados de pruebas que se presentarán en 2020. El paquete de trabajo 16, liderado por Naval Group (París, Francia), está demostrando un módulo de superestructura compuesto ligero unido a una cubierta de acero. El demostrador en tierra representa un bloque estándar para un buque de patrulla offshore. "La construcción naval en materiales metálicos se basa en construcción en bloques para disminuir tiempo y costes", explica Jurado. "Construir tales bloques usando compuestos presenta problemas con la necesidad de moldes grandes así como técnicas de unión y requisitos de seguridad de juntas. Fibreship ha estudiado esto y desarrollado algunas recomendaciones sobre unión de bloques basados en compuestos, incluyendo la secuencia de montaje". En RAMSSES, Naval Group ha investigado tres tipos de estructuras sándwich incluyendo GF/poliéster/núcleo de balsa, epoxi FR/núcleo de espuma PET y GF/poliéster/núcleo de espuma reforzada con fibra 3D. También está desarrollando un sistema de monitorización de salud estructural (SHM) dentro de la junta y paneles compuestos.

El paquete de trabajo 18, liderado por Chantiers de l'Atlantique (Saint Nazaire, Francia) está desarrollando una solución modular para camarotes de pasajeros. "Estos típicamente vienen sin suelo porque se sueldan a las cubiertas de acero del buque", dice Krause. "La idea es hacerlos de compuestos, pre-equipados con todos los sistemas auxiliares como calefacción y aire, eléctricos, etc. Al incluir un suelo compuesto, estos podrían insertarse en un marco de acero (como un cajón) versus soldar sobre una cubierta de acero sólida, ahorrando así mucho peso". Aunque el proyecto evalúa compuestos para reducir tiempo de producción y montaje para paredes, techos y unidades de baño, porque reemplazar la cubierta de acero ahorraría unos 125 kilogramos por metro cuadrado, los suelos compuestos son un foco principal. Hutchinson (París, Francia) ha propuesto usar su espuma compuesta reforzada con fibra mineral ZALTEX, que resiste temperaturas de -190 °C a 1.000 °C.

El paquete de trabajo 13, liderado por el constructor de cruceros Meyer Werft (Papenburg, Alemania), también apunta a procesos eficientes para montaje, pero enfocado en tabiques. El objetivo es construir dos demostradores — uno en tierra, uno en mar (prueba de mar) — donde paredes compuestas se unirán a estructuras de marco de acero y luego se someterán a 80 pruebas mecánicas. El socio del proyecto InfraCore ha realizado análisis para definir requisitos de aislamiento térmico y acústico, auto-frecuencia (vibración), deformación y ancho y alto máximos para paredes compuestas. "Nos han pedido desarrollar paredes interiores y exteriores multifuncionales", explica Morel en InfraCore. "Para ahorrar tiempo, coste y peso, debemos integrar aislamiento y un buen acabado interior con el panel estructural ligero. Hay hasta 6.800 metros cuadrados de estas paredes en cada crucero. Tenemos una oportunidad para poner estos a bordo de un crucero a mediados de 2020, lo que podría ser las primeras paredes compuestas aprobadas por SOLAS en un crucero a nivel mundial".

En el paquete de trabajo 10, Podcomp (Öjebyn, Suecia) está desarrollando un panel interior/exterior alternativo usando compuestos bio-basados que deben ser ignífugos y competitivos en precio. Tres conceptos de sándwich basados en preimpregnado GF/alcohol polifurfurílico (PFA) de Composites Evolution (Chesterfield, Reino Unido) y diferentes materiales de núcleo fueron examinados. Solo un concepto pasó el calorímetro de cono y otras pruebas de incendio realizadas por RISE Research Institutes of Sweden (Borås). Ahora se está optimizando para peso y coste.

Después de probar aluminio y soldadura por fricción, Baltic Workboats (Nasva, Estonia) ahora avanza con compuestos para desarrollar paneles pre-equipados y reforzados para la casa de cubierta/superestructura de barcos de trabajo de aluminio (paquete de trabajo 15). Se demostrarán diseño de panel, conexión con otros paneles y con el resto de la estructura de la casa de cubierta, procedimientos de análisis estructural y solución de aislamiento, así como técnicas de instalación a bordo.

Otra solución para superestructura ligera está siendo desarrollada por BaltiCo (Hohen Luckow, Alemania), un productor de equipos navales que tiene una nueva startup para construir barcos completos usando fibra de carbono colocada por robot alrededor de estructura de celosía. "Construyes el esqueleto de la estructura que quieres producir, colocando estructuras transversales o costillas de PRFV aproximadamente cada medio metro, y luego un robot enrolla fibra de carbono alrededor", explica Krause. El objetivo es un sistema modular ultra-ligero usando un proceso altamente automatizado. La demostración incluirá producción y montaje de dos módulos de casco y cubierta auto-soportados en un catamarán solar ligero no SOLAS.

Juntas soldadas FRP-acero

"Creemos que el futuro de la construcción naval está en combinar compuestos FRP, acero y otros materiales en estructuras híbridas", dice el Dr. Lars Molter, veterano de 10 años en CMT. "Analizamos el adhesivo, pero no hay un diseño de junta estandarizado que puedas usar en todos los barcos y no hay reglas generales sobre cómo aplicar adhesión en buques SOLAS. Además, debes controlar el entorno y el proceso de adhesión". Señala que esto es difícil en medio de la soldadura y corte que típicamente domina la construcción en astillero. "Preguntamos a DNV GL qué aprobarían para juntas de materiales disímiles", dice Molter. "Dijeron que la estructura primaria típicamente requeriría un anclaje mecánico; la adhesión pura no se certificaría fácilmente sin fijaciones redundantes".

Molter y CMT respondieron con el proyecto FAUSST (Fiber and Steel Standard joint) financiado por Alemania, que desarrolló un tejido híbrido tricotado que transiciona de 100 % fibras de vidrio a 100 % fibras de acero. Este último se suelda a un conector de acero (p. ej., placa plana, perfil rectangular, etc.), que luego puede soldarse fácilmente en la estructura de acero del buque (Fig. 3). El extremo de fibra de vidrio se une a la estructura compuesta usando infusión de resina. "Este diseño de junta ofrece 100 % inspección END porque puedes usar UT (ultrasonido) o rayos X en la soldadura", dice Molter. FAUSST realizó pruebas mecánicas, ambientales y de fatiga en este tipo de junta y también obtuvo aprobación en principio de las sociedades de clasificación, pero aún quedaba mucho trabajo para transformar la tecnología en un producto comercial. Así, Molter dejó CMT y fundó HYCONNECT GmbH (Hamburgo, Alemania) en 2018.

Fig. 3 Junta soldada acero-FRP de HYCONNECT
Tejido híbrido acero-fibra de vidrio FAUSST (esquina superior izquierda) se suelda por presión a una placa de acero u otro conector (esquina superior derecha) y luego puede integrarse en una estructura compuesta vía infusión de resina (esquina inferior izquierda). Tales estructuras híbridas compuestas se sueldan fácilmente en el enmarque de acero del buque (esquina inferior derecha).
Fuente | HYCONNECT

"Nos hemos reunido con astilleros, DNV GL y BV y estamos desarrollando un producto que puede ser certificado", dice Molter. "Simplemente pides tus piezas compuestas con este sistema de junta y luego puedes soldarlas en tu buque. Esa es nuestra visión. Diseñamos la junta compuesto-acero y luego entregamos un producto que tiene tela soldada a un conector de acero (placa, perfil, etc.)".

Explica que el diseño de la junta y la tela serán certificados en un sistema escalonado: "Al aplicar más capas de tela FAUSST, hay un aumento lineal en la capacidad de carga". Por ejemplo, el producto base podrían ser cuatro capas de FAUSST con una barra plana de 1 metro soldada a ella, calificadas para cierta carga de tracción y flexión. Luego habría algunos productos disponibles a la izquierda (p. ej., dos-tres capas totales para una calificación de carga menor) y a la derecha (p. ej., seis capas totales para una calificación de carga mayor). "Todavía estamos finalizando estos detalles, pero el objetivo es un sistema estandarizado y fácil de usar", señala Molter.

HYCONNECT ha adaptado la tecnología de tela para manejar la diferencia en rigidez y coeficiente de expansión térmica (CTE) entre acero y compuestos; el uso de fibras tricotadas para interlocking mecánico con fibras unidireccionales para cargar a través de la junta; y la técnica requerida para soldadura por presión de alta calidad de las fibras de acero al conector de acero (ver "Conectando compuestos al acero"). "Esta solución se basa en pruebas continuas", dice Molter. "Porque FAUSST consiste en sub-productos estandarizados listos para usar, puede suministrarse rápidamente, en días". Los prototipos se están produciendo actualmente para clientes seleccionados, y HYCONNECT comenzará la producción completa en 2020.

Timones compuestos

Los timones de buques también se están desarrollando como híbridos FRP-acero. Como parte del paquete de trabajo 12 de RAMSSES, Becker Marine Systems (BMS, Hamburgo, Alemania) está demostrando un flap compuesto ligero para un timón de acero diseñado para grandes portacontenedores. Dichos timones típicamente pesan más de 200 toneladas, dice Jörg Mehldau, jefe de I+D en BMS. "Al añadir un flap posterior articulado, puedes reducir significativamente el área del timón". BMS fue pionero en este timón con flap, que reduce dramáticamente el radio de giro del buque y mejora el mantenimiento de rumbo y maniobrabilidad, permitiendo atraque sin asistencia de remolcador. Un flap compuesto no solo reduce peso sino que también permite formas más funcionales así como diseños más optimizados hidrodinámica y estructuralmente.

Fig. 4 Flap de timón compuesto
Becker Marine Systems está trabajando con InfraCore para desarrollar un flap de timón ligero, infundido con resina, para los mayores portacontenedores. Mide 11,8 metros de largo y 0,9 metros de ancho con una cuerda de 2,9 metros, el flap a escala real debe soportar 100 toneladas/m² de carga. Un demo de 2 metros de alto se probará en 2T 2020. Fuente | Becker Marine Systems

"El flap compuesto que estamos desarrollando fue inspirado por la industria de la aviación", señala Mehldau. Para RAMSSES, el caso de prueba a escala real apunta a uno de los mayores portacontenedores (~400 metros de largo), un flap que mide 11,8 metros de largo y 0,9 metros de ancho con una cuerda de 2,9 metros (ver Fig. 4). "Calculamos las fuerzas en este timón y flap usando fórmulas basadas en reglas de DNV GL para este tipo de buque, peso y velocidad máxima", dice Mehldau. BMS realizó entonces diseño preliminar y análisis de ingeniería, así como estudios de viabilidad para fabricabilidad y coste. "Primero favorecimos el bobinado de filamentos pero era demasiado caro", señala. "Para cada nuevo casco de buque, el timón es un diseño único". Así, se eligió la infusión de resina, así como un diseño alternativo de InfraCore. "Fue el mejor para flexibilidad de producción, coste y rendimiento estructural combinados", explica Mehldau.

"Para mí, esto fue un ajuste natural para InfraCore porque las compuertas de esclusas compuestas que hemos construido son muy similares", dice Morel. Señala que los timones de portacontenedores deben soportar cargas de aproximadamente 100 toneladas por metro cuadrado con una superficie de 150 metros cuadrados. Esto coincide bien con la tecnología basada en infusión de InfraCore usada en tableros de puentes que abarcan hasta 142 metros. En lugar de unir un núcleo estructural de alta densidad a las pieles, InfraCore usa un núcleo de espuma de baja densidad solo como encofrado permanente para múltiples estructuras en Z de dos alas. Estas se solapan, se revisten con tejidos multiaxiales y se co-infundan para formar una construcción robusta. InfraCore construirá un demostrador a escala 1:6, usando materiales de fibra de vidrio y resina de poliéster ya certificados por DNV GL para mantener bajos los costes.

Morel señala que el flap compuesto ligero de InfraCore es competitivo en coste, "porque los timones de acero de barcos son bastante complicados de fabricar". Mehldau está de acuerdo, "junto con ventajas de menor mantenimiento y coste operativo, vemos un caso de negocio exitoso". El demostrador de 2 metros de alto se terminará en 2T 2020, seguido de pruebas.

"Probaremos esto usando un banco de pruebas de laboratorio y cojines de aire, que pueden aplicar hasta 8 bar de presión igual a al menos 80 MPa de carga", dice Mehldau. "Mediremos deformaciones y deflexiones para verificar nuestras simulaciones y realizar una prueba de carga de rotura". Un demostrador a escala de laboratorio también se probará mediante pruebas de mar en un buque de investigación en el río Elba por CETENA (Génova, Italia) que sirve como coordinador del proyecto RAMSSES junto con CMT.

Impulso hacia adelante

"Las perspectivas para compuestos en barcos son buenas porque muchas de las partes interesadas del sector marino han mostrado interés en FIBRESHIP, RAMSSES y otros proyectos", dice Jurado. "Los mayores desafíos son la necesidad de nuevas regulaciones, aspectos de seguridad contra incendios, técnicas de unión y reducción de costes de construcción naval". Para este último, cita la fabricación automatizada en astilleros como un tema clave, así como la construcción de moldes y el suministro y almacenamiento de materiales compuestos. "Los compuestos ya están creciendo en barcos", dice Krause en CMT, "pero empezamos este trabajo hace 20 años, así que es un proceso lento. Sin embargo, ahora tenemos esta masa crítica y la industria está más conectada a través de E-LASS".

Jörg Bünker, jefe de I+D, servicio de aplicación para productos FR LEO de SAERTEX (Saerbeck, Alemania), está de acuerdo: "Los impulsores para reducir peso se están fortaleciendo. Dentro de los próximos cinco a siete años, se venderán más materiales compuestos en barcos. Este es el momento adecuado para más proyectos porque la OMI necesita ver este interés y esfuerzo de la industria. Los proveedores deben mostrar nuevas soluciones y los astilleros deben mostrar dónde se pueden usar los compuestos, pero nadie puede hacerlo solo".