Ламинированный корпус - Общий обзор

Источник : The Gougeon Brothers on boat construction .
                       Wood and West System materials . 4th Edition 
Перевод С.Б.

Чтобы построить лодку из дерева, способов существует множество . Корпус можно собрать по классической схеме - с обшивкой вгладь или кромка на кромку . Его можно сделать ламинированным из нескольких слоев древесины поверх временного болвана или постоянного набора . Наконец , если форма это позволяет , корпус можно сделать из фанерных листов . По традиционным способам постройки лодок из дерева написана масса литературы , мы же уделим внимание методам с применением ламинирования и фанеры , и именно их мы и рассмотрим в последующих главах .

Приобретая какой-либо проект для строительства , вы одновременно делаете выбор в пользу того или иного способа постройки . Большинство конструкторов конкретно указывают , каким именно методом должен быть изготовлен корпус . Если про это не говорится прямо , можно посмотреть на чертежи . Поэтому выбор проекта одновременно является и выбором технологии . По причинам , о которых говорилось в главе 2 , мы не рекомендуем замену одного метода на другой без предварительной консультации с конструктором выбраннного проекта .

Ламинированный корпус

Ламинированный корпус представляет собой тот же лист фанеры в форме лодки . Слои шпона склеены друг с другом таким образом , что образуют монококовую или полумонококовую конструкцию и бОльшая часть нагрузки , которую испытывает корпус , поглощается его наружными слоями . Эта методика постройки очень далека от традиционных методов и для получения хорошего результата требует понимания древесины и технических знаний .

Как уже говорилось в главе 5 , дерево является анизотропным однонаправленным материалом с очень высоким сопротивлением усталостным нагрузкам . В направлении волокна прочность его высока , в поперечном направлении низка , поэтому для восприятия  и распределения нагрузок большое внимание должно быть уделено направлению волокон . При правильной конструкции древесина может сохранять свои прочностные характеристики в течение многих миллионов циклов нагрузки .

Чтобы прочность была максимальной , нагрузки и их направления в конструкции должны быть определены заранее. В некоторых случаях эта задача является несложной . К примеру , нагрузки , которые испытывает мачта , преимущественно ориентированы в одном направлении и при такой же ориентации волокон древесины легко достигнуть необходимой прочности . Однако определить нагрузки на корпус далеко не так просто .

Во время плавания лодка испытывает продольные , поперечные и диагональные нагрузки . На протяжение многих веков строители лодок ориентировали дерево в конструкции в разных направлениях - с продольной обшивкой на поперечном наборе - чтобы противостоять тем и другим нагрузкам . В отличие от этой конструкции , у ламинированного корпуса волокна ориентированы во всех направлениях . Нагрузка воспринимается не каким-то одним слоем шпона  , а распределяется между ними всеми . Благодаря тому , что ламинированный корпус по своей конструкции лучше воспринимает нагрузки , он нуждается и в меньшем внутреннем наборе , нежели корпус классической конструкции . 

Путем ламинирования мы получаем монококовую конструкцию , используя однонаправленный материал . Неучтенные при расчетах напряжения не таят в себе такой опасности , когда конструкция обладает прочностью по всем направлениям . Дерево легче многих других материалов , поэтому при равном весе деревянная обшивка может быть толще , чем у корпуса  , изготовленного из прочих изотропных материалов .

Горячее и холодное формование

Методы ламинирования зависят от применяемого связующего . Во все времена технологии ламинирования базировались (хотя бы частично) на конкретных характеристиках тех или иных клеев .  Разные клеи отличаются друг от друга по давлению запрессовки и температуре отверждения . Некоторые требуют нулевой зазор клеевого шва  , другие могут позволить существование полостей . Эти факторы , в частности , и определяли историю развития технологии ламинированных корпусов . 

Самые первые лодки такого типа были изготовлены по методу горячего формования  , тем самым процессом  , по которому сегодня делается практически вся фанера . Технология получила бурное развитие в годы второй мировой войны , когда ощущался большой дифицит стали . Клеи того времени требовали высокой температуры , часто свыше 150^о С , отсюда и пошел термин - горячее формование . Кроме того , для качественного соединения процесс требовал давления порядка 5 кг/см2 . Ламинирование представляло собой сложный процесс , для которого требовались специальные автоклавы  , которые могли обеспечить эти давление и температуру . Капиталовложения в прессовое оборудование и формы были настолько высоки  , что горячее формование так и осталось исключительным уделом большого бизнеса . 

После того как война закончилась , оставшееся формовочное оборудование в течение 10-15 лет использовалось для выпуска корпусов лодок самых разных форм и размеров . Яхты классов Luders 16 и Thistle , моторная лодка Wolverine - примеры такого типа ламинированных корпусов . Как раз когда автоклавы и прочая оснастка достигли своего износа , в свои права начал вступать стеклопластик , обладающий меньшей себестоимостью , лучше покупаемый и требующий меньшего ухода . Против него корпуса из древесины горячего формования конкурировать уже не могли и вскоре эта индустрия прекратила свое существование . 

В начале 50-х на рынке начали появляться клеи , не требующие применения высоких температур и давлений и постепенно горячее формование стало уступать дорогу холодному . Отверждение происходило при комнатной температуре , контактном давлении и не требовало наличия прессового оборудования . Все , что требовалось теперь , это болван и скобки , при помощи которых ламинируемые слои удерживались вместе до отверждения клея . Благодаря тому  , что для этого требовался ограниченный набор инструментов и малые капиталовложения , небольшие фирмы смогли позволить себе попрактиковаться в процессах ламинирования , которые до того были уделом крупных предприятий . 

Хотя наши корпуса можно считать холодно-формованными , мы предпочитаем называть их ламинированными . Наши методы при этом являются прямыми преемниками технологий горячего формования , которые применялись в авиационной и судостроительной промышленности во время второй мировой войны . Эпоксидная смола West System (торговая марка фирмы Gougeon Brothers) - наш вклад в это развитие , не требует наличия ни температуры  , ни давления . Ее способность заполнять зазоры является большим достоинством , когда давление запрессовки ограничено .

Способы ламинирования

На фирме Gougeon Brothers мы пользуемся тремя разными методами ламинирования корпуса : метод с использованием болвана , метод обшивки рейкой и метод с применением шпангоутов и стрингеров . В рамках каждого из способов существует бесконечное множество вариаций , обеспечивающих гибкость в применении к конкретной ситуации . Каждый из трех имеет свои достоинства и недостатки и именно их мы сейчас рассмотрим вкратце . Подробно способы будут представлены в дальнейших главах . 

Метод с применением болвана

Болван - это форма , поверх которой для получения корпуса ламинируются слои шпона или фанеры  . Он представляет собой основание  , к которому прикладывается давление запрессовки , необходимое для удержания слоев вместе до окончания полимеризации эпоксидной смолы . Как правило , для этих целей используются скобки , однако в последнее время популярными становятся и методы с применением вакуума , в особенности это относится к производственным ситуациям .  

Если у вас построен достаточно прочный болван , вы имеете надежную основу для строительства . Главное достоинство этого - возможность изготовить любое количество однотипных корпусов с одного болвана . А главный недостаток - большие затраты времени и средств на его изготовление в ситуации , когда корпус нужен всего один . И чем крупнее размеры корпуса  , тем в более полный рост встает эта проблема . Снизить ее можно было бы , если  вам удалось найти других желающих взять болван в аренду или приобрести его для постройки собственной лодки . Другой минус данного способа , в особенности при изготовлении корпуса большого размера - отсутствие возможности заранее установить в болван шпангоуты , переборки и стрингеры . Все эти конструктивные элементы встраиваются в корпус только после снятия оболочки с болвана . 

Как правило , мы рекомендуем этот метод для постройки корпусов длиной менее 25 футов , у которых обшивка имеет сравнительно большую толщину и мало нуждается в подкреплении внутренним набором . Корпуса меньшего размера идеально подходят для монококовой конструкции . Небольшие лодки получаются наиболее легкими именно при изготовлении таким методом . Он применяется при изготовлении швертботов-дэйсэйлеров и небольших яхт открытого моря . Несмотря на то , что в теории этим способом можно изготовить  корпус любых размеров , наибольший , изготовленный нами , имел длину 30 футов .  Для лодок   размерами крупнее существуют более быстрые , дешевые и эффективные способы .

Метод обшивки рейкой

Из-за дороговизны постройки болвана и трудозатрат по последующей установке внутренних элементов данный метод не оправдывает себя при постройке крупного корпуса в единственном экземпляре . Чтобы избежать лишних расходов  , мы пришли к мысли использовать болван как часть корпуса и на основании этого разработали следующий метод . Поскольку большинство болванов все равно обшивается рейкой , при данном способе этот слой рейки становится частью конструктива , и не остается на болване . Метод с использованием рейки эффективен и экономичен при постройке крупных корпусов на заказ . 

Лодки обшивались склеенными по ребрам рейками в течение уже многих лет - корпуса такого типа появились одновременно со стеклопластиковыми . При больших размерах корпуса залогом его прочности является сложная система внутреннего набора  , обеспечивающая прочность и жесткость в поперечном направлении . Альтернатива внутреннему набору - оклейка корпуса снаружи стеклопластиком , как к примеру  , у обшитых рейкой каноэ - для больших лодок не обеспечивает достаточной прочности . Однако мы обнаружили  , что можем построить необычайно прочный и жесткий монокок , используя обшитый рейкой корпус в качестве формы , поверх которой ламинируется диагональная обшивка из слоев шпона . В этом случае уже можно исключить из конструкции бОльшую часть внутреннего набора , который ассоциируется с большими размерами судна .  

При постройке этим методом большим плюсом является возможность установить многие несущие переборки в корпус еще на этапе работ на стапеле , и в дальнейшем обшивать его сразу по ним . Это очень экономит время  , потому что обычно гораздо легче установить переборки , когда обшивки еще нет , чем впоследствии мучительно подгонять их в готовый корпус . В варианте постройки большой лодки в единственном экземпляре возможность установить переборки в корпус заранее может существенно снизить трудозатраты . Однако большое количество таких внутренних элементов затрудняет последующее шлифование обшивки изнутри . 

Корпуса , изготовленные по такой технологии , имеют большую толщину обшивки , которая одновременно является несущим элементом . Они сравнительно легки и обладают высоким соотношением прочности / жесткости к весу . В качестве дополнительного плюса - толстая обшивка из дерева является отличным звуко- и термоизолятором и снижает проблемы конденсации влаги . Практические соображения обычно предполагают применение данного метода для лодок размерами футов 30 и более , однако таким способом строились и меньшие яхты с высоким водоизмещением для океанских плаваний . 

Основным моментом  , на который следует обратить внимание для успешной реализации  этого метода , является толщина обшивки . Получившийся болван должен быть достаточно жестким  , чтобы выдержать ламинирование по нему , поэтому при больших размерах корпуса минимальная  толщина применяемой рейки обычно составляет 12 мм . Чтобы при этом свести внутренний набор к минимуму , мы рекомедуем положить сверху не менее трех диагональных слоев толщиной 3 мм каждый . В результате обшивка будет иметь толщину 21 мм при удельном весе более 10 кг/кв.м , что довольно много для небольшой лодки . 
При укладке слоя рейки кромки соседних можно фиксировать при помощи деревянных шкантов или нагелей , если это позволяет толщина . При меньшей толщине края можно фиксировать скобками . По сравнению с прочими методами ламинирования , метод с реечной обшивкой - не самый быстрый .

Метод с применением шпангоутов и стрингеров

Данный метод , видимо , пользуется наибольшей популярностью из всех трех обсуждаемых . Подобно методу с использованием рейки , он не требует изготовления болвана . Внутренние элементы , такие как шпангоуты и переборки , могут быть установлены заранее . Главное же достоинство этого метода в том , что с его помощью можно построить лодку практически любого размера : от трехметрового швертбота - до тридцатиметрового гонщика . 

Одной из причин  , почему эта технология широко используется как любителями , так и профессионалами , является то , что при необходимости изготовить один-единственный корпус она требует меньше всего времени и трудозатрат . Метод обладает большим потенциалом для изготовления корпусов с наивысшим соотношением прочности / жесткости к весу , в особенности там  , где формы имеют малую двоякую погибь , как это свойственно корпусам катамаранов и тримаранов .  

У метода есть и свои минусы . Самый очевидный из них - начинать ламинирование обшивки придется на том  , что можно считать недоделанным болваном . Нормальная основа для ламинирования появится только после укладки двух слоев шпона или фанеры . Стрингеры ставятся с шагом в 120 - 200 мм , поэтому требуется изрядное количество внимания , умения и трудов  , чтобы качественно уложить эти первые два слоя . Для начинающих этот метод таит максимальное количество подводных камней по сравнению с прочими способами ламинирования . 

Другим минусом метода является получаемая в его результате загроможденная поверхность корпуса изнутри . Если при первых двух методах мы имеем гладкую внутреннюю поверхность , то наличие шпангоутов и стрингеров в этом случае съедает полезный внутренний объем и создает трудности при уборке внутри . Визуально такая внутренняя конструкция тоже не очень радует глаз . 

Сама идея несущих оболочек , подкрепленных системой внутреннего набора , впервые нашла применение в авиации в 30-е годы и поныне они играют важную роль  в конструкции современных самолетов . Судостроители позаимствовали у них   концепцию , внеся небольшие изменения , что дало возможность строить корпуса облегченной конструкции . У лодки эта оболочка должна иметь  бОльшую толщину  , нежели у самолета , но зато для нее не так критичен вес .  

Толщина обшивки корпуса  , изготовленного по этому методу , намного меньше , чем при ламинировании на болване или по рейке . Если при других методах получается оболочка - монокок ,  обеспечавающая прочность сама по себе , то при этом способе корпус является монококом лишь частично и способен выдерживать нагрузки только если в нужных местах имеет подкрепления в виде внутреннего набора . 

Монококовая конструкция наиболее эффективна на участках , обладающих большой двоякой погибью , примером которой является оболочка яйца . Частично монококовая конструкция с подкреплением в виде шпангоутов и стрингеров эффективна в случае либо плоских , либо имеющих кривизну только в одном направлении поверхностей. Большинство многокорпусников с их длинными и плоскими участками корпуса для достижения максимального выигрыша использовали именно этот способ , поскольку при равном с прочими весе он позволяет получить самый прочный и жесткий корпус . У однокорпусников корпуса , как правило , обладают значительной двоякой погибью , поэтому их с успехом можно строить любым из вышеупомянутых способов и выбор технологии должен делаться исходя из особенностей конкретного проекта . 

Древесина для ламинирования

Размеры материала для ламинирования и его комбинаций в виде шпона , дерева и фанеры зависят от выбора технологии . В последующих главах при обсуждении каждого из методов подробно мы обсудим требования к материалам для каждого из них . Здесь мы рассмотрим только общие для всех трех . При выборе материалов не забывайте также наши советы  из главы 6 "Покупка древесины " . 

Древесина для ламинирования должна легко гнуться по самым сложным обводам корпуса . Если для очень большого корпуса возможно использовать материал толщиной и 15 мм , то для маленькой лодки 1.5 мм может оказаться максимальной толщиной , способной лечь по сильно изогнутым участкам . Если в качестве метода запрессовки предполагаются только скобки , минимальной толщиной , исходя из практических соображений , является 3 мм . Шпон толщиной 1.5 мм требует для обеспечения равномерного давления бОльшего числа скобок , а стало быть повышается трудоемкость по их забиванию и последующему извлечению . Тонкий шпон , к тому же  , можно случайно раскрошить скобками . 

Величина двоякой погиби является основным фактором в выборе ширины материала для ламинирования . Короткая и "пузатая" лодка требует узких полос , в то время как для длинной и узкой применяются самые широкие  , какие только можно достать . Самые узкие , какие мы использовали в своей практике , имели ширину 100 мм . Наиболее распространенным при постройке является применение полос шпона шириной  200 мм , а материал шириной менее 150 мм используется крайне редко . 

Длина материала не имеет большого значения , хотя возможность при укладке диагонально положить полосу сразу на половину корпуса поможет сэкономить время . При соединении полос на ус до нужной длины вы можете сэкономить на материалах , однако ценой траты лишнего времени . В определенных ситуациях при ламинировании шпон можно стыковать и торцами , на этом подробнее мы остановимся в следующей главе . 

Материал для ламинирования можно напилить и самостоятельно , однако не исключаются проблемы при этом . Очень непросто , даже имея пилы большого диаметра , работать с пиломатериалами толщиной более 100 мм и как будет показано далее , подгонка двух полос шириной 100 мм требует гораздо больше времени , чем одной шириной 200 мм . Вторая проблема - это большое количество отходов . Если вы пилите шпон толщиной 3 мм , то не менее 50% (а иногда и до 70%) древесины у вас превращается в опилки . Если возможно использование материалов толщиной от 6 мм и более , это можно сделать при помощи делительной пилы . Она позволяет снизить процент отходов древесины до 30-40% .  

Мы обычно приобретаем строганый шпон и находим  это дешевле  , чем пилить материалы самостоятельно . При промышленном строгании шпона практически отсутствуют отходы , этот процесс очень быстрый и дешевый . Имеющийся в продаже строганый шпон имеет ширину до 450 мм и длину до 5 м , хотя чаще всего встречаемая ширина - 200-250 мм при длине 3.6 м . Получить строганием шпон толщиной более 3 мм сложно , поскольку он при этом начинает трескаться и крошиться , хотя для небольших лодок это ограничение и не следует считать минусом . Для корпуса больших размеров ( от 50 футов ) можно использовать и более толстый материал при его наличии . В такой ситуации применение тонкого шпона повышает трудозатраты , поскольку ведет к росту числа слоев и поэтому может вызывать главную заботу . 

При ламинировании часто используется и фанера . Есть много мест (подробнее об этом позже), где ее присутствие оправдано . Фанера представляет уже изначально ламинированный материал и по этой причине стабильна в своих размерах . Ее легко найти в продаже . Тонкая фанера не склонна трескаться при укладке по малому радиусу , как шпон и ее внутреннюю поверхность (для метода с применением внутреннего набора) можно заранее отделать . Однако у фанеры есть и свои недостатки . Она дорого стОит и не обладает прочностью , какую дает шпон . Как минимум треть ее слоев лежит в направлении , перпендикулярном основному и поэтому при ее применении в конструкции корпуса неизбежны некоторые компромиссы .

.