船舶制造商正在嘗試封閉模具加工中的材料組合。在世界各地，復(fù)合材料真空灌注（VIP）工藝流程因其低資本投資，易于管理的學(xué)習(xí)曲線和潛在的減排能力而引起了人們的興趣。

世界各地的造船商似乎都在轉(zhuǎn)向閉模加工，可以說，從開模到閉模加工有多種原因。

“封閉式模具有很多優(yōu)點(diǎn)。”位于美國伊利諾伊州的Composites One LLC公司總裁兼首席運(yùn)營官利昂?加魯法利斯指出。正如他所說，真空灌注加工（VIP）與開模工藝相比可以顯著減少排放，創(chuàng)造一個更清潔的工作環(huán)境，使吸引工人更容易。此外，真空灌注加工通常允許更高質(zhì)量的整理。加魯法利斯解釋說：“即使是小零件，也可以在兩邊都得到高質(zhì)量的表面?！?/p>

利用閉模加工是近年來在各種船型上的發(fā)展趨勢。加魯法利斯說:“許多非常大的船只都在被灌注，因此船舶制造商尋找高質(zhì)量的浸漬物，從而更高質(zhì)量的層壓板，并且他們能夠在市場上銷售這種質(zhì)量的層壓板。毫無疑問，他們已經(jīng)轉(zhuǎn)變到灌注的方法，這使得供應(yīng)商能夠真正改善他們的層壓板結(jié)構(gòu)?！?/p>

現(xiàn)在封閉式模具加工已經(jīng)成熟，船舶制造商正在嘗試比以往更多的材料，包括碳纖維和環(huán)氧樹脂。

碳纖維增強(qiáng)塑料翼片提供穩(wěn)定性

總部位于法國Beneteau的最新游艇是一個創(chuàng)新的例子，它的特點(diǎn)是CFRP和GFRP的混合。許多賽艇都有從船身底部垂直向下延伸的翼片，這使得賽艇基本上可以飛到水面之上，在此過程中獲得更大的速度。但在費(fèi)加羅博納多3（Figaro Beneteau 3）上，添加碳纖維翼片并不意味著將船從水中提升出來。相反，它消除了另外用于提供穩(wěn)定船壓載水艙的需要，使得新一代賽艇重量減輕10%。

用較輕的部分實現(xiàn)這種平衡或“復(fù)原力矩”可以生產(chǎn)出更強(qiáng)大的船只。Beneteau的復(fù)合研究與開發(fā)總監(jiān)拉斐爾?蘇倫解釋說:“它必須非常輕，才能高效、快速?！?/p>

據(jù)該公司介紹，這艘獨(dú)立海上賽艇也是第一艘有翼的單體船。為了為這艘單殼帆船制造翼片，Beneteau與法國的Multiplast Groupe Carboman進(jìn)行了分包?！斑@個項目是一個雄心勃勃的項目。”Multiplast總經(jīng)理揚(yáng)?潘弗尼斯在新聞發(fā)布會上評論道，“我們必須達(dá)到更低的目標(biāo)成本，達(dá)到完美的翼片形狀，保證所有零件的相同重量，并在一年的時間內(nèi)每周生產(chǎn)一套翼片。”

Chomarat的C-TAPE?是一種新型單向編織碳纖維增強(qiáng)材料，旨在滿足該項目的獨(dú)特需求，幫助實現(xiàn)完美的外形。每個翼片由50層絲帶組成，測試是必須的，以幫助翼片抵抗高水平的應(yīng)力并實現(xiàn)所需的性能。C-TAPE的結(jié)構(gòu)有助于促進(jìn)在整個多層碳結(jié)構(gòu)中注入的樹脂的流動。

除了翼片外，從船體到艙壁和更小部件的每一個GFRP部件都是真空注入的。該公司15年前第一次采用了閉口注射模具，以應(yīng)對歐盟旨在減少可揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）排放的指令。但真空灌注還有其他好處，這一過程確保了生產(chǎn)的每一艘船都是相同的。競技比賽中，在使用同一型號船只的競賽者之間，建立公平是很重要的。

費(fèi)加羅博納多3的船體和甲板完全采用灌注工藝制造。該公司將注塑工藝用于其他船型。船體采用多層玻璃纖維和泡沫夾層芯，頂部為較厚的泡沫，形成桁條，增加整個船的強(qiáng)度。

費(fèi)加羅博納多3的生產(chǎn)正在進(jìn)行中，該船將于2019年初交付買家。盡管這些翼片要到明年春天才能證明自己的競爭力，但預(yù)計它們會在順風(fēng)時帶來15%到20%的速度提升，這將給與他們競爭的造船公司帶來麻煩。

從費(fèi)加羅博納多3賽艇游艇延伸出來的鮮艷的橙色CFRP薄片是輕型、可伸縮水壓載艙的替代品，傳統(tǒng)上，當(dāng)船在水中左右搖擺時，這種材料提供了其所需要的穩(wěn)定性。

環(huán)氧樹脂增加了強(qiáng)度

對于Hinckley Yachts公司來說，碳纖維并不是什么新鮮事，這是一家位于樸茨茅斯的造船廠?！白?994年以來，我們一直在用碳纖維和凱夫拉纖維Kevlar?的外層來建造我們的Picnic Boats船，從船頭到船尾。”Hinckley Yachts游艇公司的首席營銷官彼得?薩拉迪諾說，“這真的是一種優(yōu)質(zhì)游艇的建造方式，在這段時間內(nèi)我們建造了超過1000 艘Hinckley噴氣快艇。”但該公司已經(jīng)做出了改變，選擇在混合物中加入環(huán)氧樹脂。

加魯法利斯發(fā)現(xiàn)，VIP的使用似乎鼓勵了不飽和聚酯樹脂向環(huán)氧樹脂的轉(zhuǎn)變。他說:“對于更昂貴的船只來說，由于要吸引更高端的人群，使用環(huán)氧樹脂是一種很好的方法，可以利用閉模具灌注工藝。它提供了巨大的優(yōu)勢。環(huán)氧樹脂在不飽和聚酯樹脂上的物理性能很重要，它也提供了出色的光潔度。

Hinckley的目標(biāo)是引領(lǐng)環(huán)氧樹脂的轉(zhuǎn)變。2018年3月，這家造船公司推出了世界上第一艘碳纖維環(huán)氧性能船。

“我們擁有非常強(qiáng)大的真空樹脂輸注能力，可以最大限度地減少多余樹脂，從而減少樹脂的重量?！彼_拉迪諾說。輕質(zhì)碳纖維的加入有助于Hinckley運(yùn)動艇有效地實現(xiàn)超過60英里/小時的速度，而無需在船尾堆疊舷外馬達(dá)。Hinckley還指出，來自Seven Marine的可選雙627馬力舷外機(jī)將使運(yùn)動艇達(dá)到63英里每小時，這也表明速度的提升，是來自于客戶不斷增長的需求。

通過在混合物中添加環(huán)氧樹脂，能夠平衡輕質(zhì)、更高的強(qiáng)度和耐久性。這是一種堅固、耐用和安全船體的良好途徑。

該公司對其模具進(jìn)行干式鋪設(shè)，以便在樹脂注入之前，船體和支撐結(jié)構(gòu)中的所有纖維都能與設(shè)計的負(fù)載路徑對齊。當(dāng)樹脂被真空注入并固化時，船體和支撐結(jié)構(gòu)之間會形成一種化學(xué)鍵。這是對其他方法的一種改進(jìn)，它在船體輸注后插入支撐結(jié)構(gòu)，只有在物理結(jié)合的情況下才能進(jìn)行。

該公司正在努力將這種真空注入的碳環(huán)氧樹脂擴(kuò)展到其全系列的游艇上，這一目標(biāo)將使該公司“遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于當(dāng)前的行業(yè)慣例”。

環(huán)氧樹脂具有更豐富的光潔度

2016年前后，Scout Boats造船公司開始在其原材料混合物中引入碳纖維/E玻璃混合物，以應(yīng)對來自船只使用者的需求。據(jù)Scout Boats公司的所有者、創(chuàng)始人兼總裁史蒂夫?波茨說，從售后穩(wěn)定裝置到舷外馬達(dá)的堆疊，各種附加裝置的引入正在使船只變得更重。而與此同時，船只使用者則要求減少船只的燃料消耗。

“盡管我們沒有建造賽艇，但我們非常注重船性能——高速性能和燃油消耗——以及船的操縱特性?！辈ù恼f?！拔覀兿Ｍㄟ^改變我們的方法來應(yīng)用這種趨勢——讓船變得超輕以抵消增加的重量?！?/p>

例如，通過在其42英尺長的運(yùn)動漁船上使用碳纖維增強(qiáng)塑料，該團(tuán)隊能夠減掉600磅的船只重量。“這聽起來并不重要，而且肯定會增加一筆可觀的成本，但一旦你加入了700磅的穩(wěn)定劑，就會發(fā)現(xiàn)，減少的重量是值得的。”波茨指出。

但碳纖維的添加并不是Scout所做的唯一重大改變。該公司最新推出的產(chǎn)品是從聚酯和乙烯基酯船體到環(huán)氧樹脂的轉(zhuǎn)換?！斑@一切都是因為我們有很多客戶想要深色船體?！辈ù谋硎尽?/p>

生產(chǎn)黑色船體可能是一個挑戰(zhàn)，因為缺陷更容易出現(xiàn)。Composites One技術(shù)支持經(jīng)理科貝?特利奇解釋說，“使用聚酯樹脂進(jìn)行加工通常需要添加印刷阻滯劑和阻隔層，以防止表面變形和瑕疵。此外，完成的船體通常需要耗時的二次返工和重新修補(bǔ)?！?/p>

但Scout的目標(biāo)是產(chǎn)生一種“優(yōu)雅的”黑暗A(chǔ)級的表面，而且只需要很少的維護(hù)就可以抵御太陽和海水的長期影響。經(jīng)過多年測試不同配方和固化包裝，該公司確定無法替代的固化環(huán)氧樹脂系統(tǒng)。

正如波茨所指出的，從這種樹脂體系中獲得改進(jìn)的風(fēng)化結(jié)果是錦上添花。“我們已經(jīng)知道環(huán)氧樹脂的物理性能明顯優(yōu)于聚酯，甚至比乙烯基酯更好。因此，我們不僅讓A級的產(chǎn)品表現(xiàn)更加優(yōu)雅，而且還能獲得更好的物理效果?！?/p>

據(jù)為該項目提供樹脂的亨斯邁（Huntsman）先進(jìn)材料公司稱，環(huán)氧樹脂比聚酯和乙烯基酯材料強(qiáng)20%至30%，具有更高的伸長率，拉伸強(qiáng)度和模量/剛度特性。通過切換到環(huán)氧樹脂，Scout減少了層壓層的數(shù)量，同時保持了其他船只的強(qiáng)度和性能。

Scout Boats的內(nèi)部設(shè)計師與Composites One密切合作，對該系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)。建造團(tuán)隊開始用聚酯凝膠涂層和手工鋪設(shè)的乙烯酯外殼組裝船體。接下來，他們打磨表皮外殼，然后放入多層預(yù)切干碳混合四針織物。硬質(zhì)泡沫芯夾在玻璃纖維層壓層之間。增粘劑粘合劑將針織層固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

亨斯邁（Huntsman）指出，該項目使用的高性能樹脂系統(tǒng)專門用于大型零件。其水樣粘度使整個層壓板的樹脂流動更加可控，確保船體的每個區(qū)域均勻涂層。輸注后，環(huán)氧樹脂在室溫下固化，然后在防水布下用熱毯進(jìn)行后固化，這有助于確保恒溫。

后固化過程是一個挑戰(zhàn)。每個環(huán)氧樹脂注入的部件，包括公司的一些船體，都在135華氏度下被固化8小時。在團(tuán)隊意識到他們需要一致的溫度之前，他們經(jīng)歷了一些嘗試和錯誤，最后通過添加熱電偶實現(xiàn)了溫度的恒定。

“我們有一些良好的質(zhì)量控制流程，我們開發(fā)了很多很多部件，使我們能夠在這個過程中進(jìn)行調(diào)整，使這個過程近乎完美?！辈ù恼f。根據(jù)亨斯邁（Huntsman）的資料，環(huán)氧樹脂的固化收縮率小于2%，而聚酯和乙烯基酯的固化收縮率為7%至10%，并且剛好從模具中得到完美無瑕的部件。

經(jīng)過三年的內(nèi)部研究，Scout Bouts于2015年2月首次推出了42英尺長的豪華運(yùn)動漁船420 LXF。如今，Scout用環(huán)氧樹脂灌注了三種型號的船只——35英尺、38英尺和42英尺——并計劃用同樣的方法推出一艘53英尺長的船。

加快生產(chǎn)的解決方案

環(huán)氧樹脂輸液使得Scout Boats能夠?qū)O船的性能與高端中控臺巡洋艦的美學(xué)融為一體。但正是閉模工藝最終使團(tuán)隊能夠?qū)⒆⑷氕h(huán)氧樹脂的時間從1個半小時減少到45分鐘。Scout現(xiàn)在可以在不到一周的時間內(nèi)生產(chǎn)一個船體，并且每隔3到3個半星期生產(chǎn)出一艘整船。

隨著當(dāng)今市場需求的高漲，其他船舶制造商正在尋找加快流程的新方法。為了簡化生產(chǎn)，PolyOne在2017年CAMX期間發(fā)布了其Hammerhead?船用復(fù)合板，用一個可立即安裝的面板取代了繁瑣的手糊和真空輔助工藝。這些面板將由Composites One獨(dú)家銷售。

“我們正在解決的是關(guān)于節(jié)省勞動力（圍繞表面處理、打磨、易于安裝等方面）的需求。”PolyOne Advanced Composites應(yīng)用開發(fā)經(jīng)理達(dá)西?霍恩伯格解釋道。“在與幾家造船廠交談時，我們聽到了關(guān)于降低勞動力成本的共同愿望。他們都認(rèn)為，一個能夠幫助他們減少造船勞動力的方法將會改變整個行業(yè)的游戲規(guī)則。我們的面板減少了對傳統(tǒng)膠合板玻璃的需求，或者使用手工鋪設(shè)核心結(jié)構(gòu)，這也很耗時。”

根據(jù)制造商提供的信息，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性夾芯板比膠合板重量減輕50%以上。這些面板采用連續(xù)玻璃纖維面板和泡沫芯材，這種結(jié)構(gòu)使PolyOne發(fā)現(xiàn)可以改善不同表面的粘合性，并改善熱層壓，以適應(yīng)不同的材料和表面處理。這提供了船舶制造商所期望的設(shè)計靈活性。

Hammerhead面板可以使用傳統(tǒng)的制版和玻璃化方法進(jìn)行安裝，并用于裝飾和結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，包括地板、隔板和縱梁。

它們可以粘合在支撐結(jié)構(gòu)上，在接縫處連接起來，可以很容易地覆蓋。與傳統(tǒng)的勞動密集型砂磨工藝相比，凝膠涂層可應(yīng)用于最小的砂磨和表面制備，以實現(xiàn)面漆光滑、平整的表面。

Beneteau也在努力簡化勞動密集型的過程。該項目旨在實現(xiàn)某些造船工藝（如砂磨和磨削）的自動化，減少重復(fù)動作，以提高工人的安全性。

合作的COROMA（用于金屬和復(fù)合材料柔性制造的認(rèn)知增強(qiáng)機(jī)器人）指出，該項目已經(jīng)展示了完全自動化的打磨應(yīng)用，并預(yù)計明年將推出新技術(shù)。

畢竟，不是只有船員們在尋找一種流線型的交通工具來提高其性能。制造商也一直在尋找新的策略來簡化他們的制造過程。

總而言之，封閉式成型正在改變海運(yùn)業(yè)。在世界各地，復(fù)合材料真空灌注（VIP）工藝流程因其低資本投資，易于管理的學(xué)習(xí)曲線和潛在的減排能力而引起了人們的興趣。