Un regard intérieur fascinant sur une conception marine – il y a trois décennies

Gougeon Brothers Inc. (Bay City, MI, États-Unis) a récemment envoyé un communiqué de presse intéressant sur un catamaran de 28 ans qui établit toujours des records de vitesse et bat des bateaux beaucoup plus récents. Incognito est un catamaran en composite qui a été fabriqué par Gougeon Manufacturing en 1990. Russell Brown de Port Townsend, WA a piloté à lui seul le navire de 28 ans, un G32, dans l'épuisante R2AK (Race to Alaska). Dans l'étape de qualification de Port Townsend WA à Victoria, BC, il a terminé avec 40 minutes d'avance sur le reste de la flotte. Il a ensuite mené la course pendant trois jours et a été le premier à finir en solo pour la deuxième année consécutive, battant plus de 24 heures de sa victoire record en 2017, à bord du même bateau.

J'ai donc été surpris de trouver sur le site Web de Gougeon un document de développement, de conception et de construction long et détaillé (dernière mise à jour :1996) décrivant le processus minutieux que Meade et Jan Gougeon ont effectué pour fabriquer ce catamaran rapide G32, qui explique probablement son succès 28 ans plus tard. J'ai emprunté des sections, ci-dessous, et vous pouvez lire le document dans son intégralité ici :http://www.gougeon.com/prosetepoxy/G-32/welcome.html .

« Lorsque nous avons décidé de rouvrir notre usine de fabrication de pales d'éoliennes en 1990, qui avait été inactive pendant trois ans en raison du crash dramatique de l'industrie éolienne en 1986, nous avons accepté que l'industrie éolienne était encore loin de retrouver sa santé d'antan. Nous devions partager les frais généraux de l'usine avec un deuxième produit jusqu'à ce que l'activité éolienne revienne aux niveaux antérieurs. En plus des pales de vent, nous avons commencé à fabriquer un catamaran unique et remorquable de 32' de long appelé le "G-32". pour naviguer, avait un hébergement pour 2 ou 3 personnes le week-end et son prix était inférieur à 35 000 $. Nous n'avions pas l'intention de réaliser une grande production; si nous pouvions nous arranger pour en construire deux par semaine, nous pourrions atteindre nos objectifs financiers, trois par semaine seraient rentables. »

« Le G-32 a été conçu de manière à ce que l'ensemble de la structure puisse être construit dans deux grands moules, un supérieur et un inférieur, qui devaient être joints au niveau de la ligne centrale lors d'une grande opération de collage. Cela a permis un investissement minimal dans l'outillage et les moules, rendant la production à faible volume financièrement réalisable. Le plus gros défi de conception était de construire le G-32 suffisamment léger pour être remorqué par une voiture de taille moyenne. Pour y parvenir, le poids combiné du bateau et de la remorque ne devait pas dépasser 2 200 lb. Notre approche de ce problème s'est concentrée sur deux domaines; Tout d'abord, nous avons conçu à partir du bateau autant de poids inutile que possible. Nous avons réduit la surface au minimum et soigneusement conçu la structure pour s'adapter aux charges prévues. Par exemple, la cabine servait de grande boîte de torsion pour donner la résistance à la torsion nécessaire entre les deux coques. Deuxièmement, nous avons utilisé la technologie de construction la plus légère que nous puissions nous permettre dans nos objectifs de coûts. Nous ne pouvions pas dépenser plus de 10 $/lb. pour les coquilles moulées, et celles-ci ne pouvaient pas peser plus de 800 livres. totale.

« Nous avons de nombreuses années d'expérience dans la construction de voiliers de course de haute technologie et « uniques » où des fibres exotiques, des matériaux de base coûteux et des résines époxy ont été utilisés pour créer des bateaux très légers mais coûteux. Les pièces moulées de ces bateaux personnalisés pouvaient facilement coûter de 50 à 100 dollars la livre. Généralement, ces bateaux de haute technologie étaient stratifiés sur des moules mâles nécessitant plusieurs applications de sacs sous vide pour obtenir un stratifié compact et léger. Trois applications distinctes de sacs sous vide étaient un minimum, les deux peaux et le noyau de séparation nécessitant tous un compactage séparé pour assurer un stratifié de qualité. Les bateaux utilisant des matériaux préimprégnés, tels que le récent yacht de l'America's Cup, peuvent nécessiter 6 à 10 applications de sacs sous vide pour réduire chaque couche, puis un compactage final de toutes les couches avant qu'un durcissement contrôlé au four puisse avoir lieu. La fabrication et l'application de sacs sous vide nécessitent beaucoup de main-d'œuvre, ce qui a limité leur utilisation dans la construction de bateaux de production où des moules femelles sont toujours utilisés. Dans le passé, les tentatives de mise sous vide des noyaux des sacs dans des peaux extérieures posées à la main dans des moules femelles ont provoqué une impression excessive, réduisant encore l'intérêt des constructeurs. »

Les frères Gougeon poursuivent en disant que malgré ces problèmes, l'ensachage sous vide et l'infusion étaient indispensables pour réduire le poids du stratifié. Ainsi, pour économiser à la fois du poids et des coûts, ils ont choisi une nouvelle méthode de fabrication pour l'époque, avec les étapes suivantes :

1) La résine époxy, formulée avec un temps d'arrêt plus long, serait utilisée pour des propriétés maximales, le temps d'arrêt ne permettant qu'une seule étape de vide, avec l'ensemble du stratifié compacté en une fois.

2) Un gelcoat à base de polyester dans des moules femelles donnerait une surface à faible coût mais finie avec un minimum d'impression. Les auteurs notent qu'ils ont résolu le problème important de la liaison de la surface du gelcoat polyester et du stratifié époxy avec une substance tie-coat spécialement développée, appliquée entre les deux matériaux différents pendant le processus de fabrication.

3) Tous les matériaux de renforcement seraient mouillés mécaniquement avec une machine d'enduction à rouleau pour réduire le travail et obtenir un meilleur contrôle de la résine.

4) La résine époxy spécialement conçue à long temps ouvert serait post-durcie à des températures ne dépassant pas 140 °F pour obtenir des propriétés physiques élevées.

Les deux frères ont soigneusement évalué les matériaux de renforcement pour fabriquer le meilleur stratifié, en tenant compte du coût, de la performance du panneau, de la main-d'œuvre pour l'assemblage et de la qualité de la surface extérieure finie. Une matrice de 30 combinaisons a été initialement évaluée (vous pouvez voir le tableau ici :http://www.gougeon.com/prosetepoxy/G-32/goufig1.htm ) avec un focus sur le verre E cousu. Le noyau a été soigneusement évalué, dans plusieurs épaisseurs et matériaux, car il s'agissait du composant le plus cher. Le système de résine époxy PRO-SET, avec un temps ouvert de 4 heures, a été développé dans les propres laboratoires de Gougeon expressément pour être utilisé avec ce nouveau procédé de fabrication.

Les deux frères ont finalement construit 30 panneaux d'essai en utilisant les matériaux de la matrice, puis les ont réduits à 12 combinaisons de matériaux, pour les tests de fatigue sur le banc d'essai Hydromat de l'entreprise. Leur question clé était la suivante :« Quelle rigidité était nécessaire pour que le bateau fonctionne correctement dans les conditions de fonctionnement les plus sollicitées ? » Les deux disent que sur la base des résultats des tests, des modifications de conception ont été apportées pour réduire les zones plates dans la conception du bateau, étant donné que ces zones plates nécessitaient une rigidité supplémentaire, de sorte qu'un panneau moins rigide et moins coûteux puisse être utilisé.

« Nous avons déterminé que la résistance à long terme du panneau aux charges de fatigue cycliques soutenues de 5 psi et aux charges de claquement intermittentes approchant 15 psi était nécessaire pour la survie à long terme de la structure G-32. Ce critère n'a été établi d'aucune manière scientifique, comme la mesure réelle avec des jauges de contrainte (ce qui est difficile à faire). Cela reflétait plutôt notre expérience avec la performance de plusieurs combinaisons de matériaux utilisées pour construire de nombreuses motomarines avec divers succès et échecs au fil des ans. C'est l'approche typique, historique, par essais et erreurs de la conception et de l'ingénierie des bateaux, qui n'a pas bien servi l'industrie depuis le récent développement révolutionnaire des matériaux composites. De nouvelles méthodes d'essai, telles que l'Hydromat, tentent de mieux évaluer les performances des matériaux composites d'une manière qui simule étroitement les conditions de charge réelles, afin que des décisions plus éclairées puissent être prises. »

Le document décrit ensuite en détail le processus d'essai de fatigue à cycle court. La combinaison de matériaux finalement choisie, disent les auteurs, « n'était pas le panneau le plus résistant évalué dans aucun des domaines structurels de rigidité, de résistance ultime ou de fatigue. Il était cependant plus que suffisant pour répondre aux besoins structurels du projet de bateau G-32. Plus important encore, le panel n°48 a obtenu de bons résultats dans trois autres domaines ; coût, poids et facilité de fabrication. Le panneau n°48 se composait de peaux multiaxiales en fibre de verre de Brunswick Technologies Inc. sur un noyau en mousse PVC Klegecell de DIAB.

Fait intéressant, l'une des parties les plus difficiles du projet, disent-ils, était d'obtenir une finition extérieure très brillante, sans le poids excessif que les gelcoats peuvent ajouter. La solution était d'avoir une personne hautement qualifiée pour faire la meilleure application de gelcoat possible, disent les frères Gougeon.

Malgré le soin apporté à la conception et à la sélection des matériaux, l'objectif de coût de 10 $ par livre de stratifié fini n'a pas été tout à fait atteint, car fin 1992, les frères ont décidé de vendre la division d'énergie éolienne, ce qui a éliminé la raison principale du bateau. projet. La production s'est arrêtée peu de temps après, après la fabrication de seulement 14 G-32. Mais, disent-ils, la technologie de construction de bateaux à base d'époxy développée avec le G-32 est désormais largement utilisée dans la construction de bateaux haute performance, construits dans des moules femelles. Meade et Jan Gougeon pensent que leur processus de fabrication a considérablement réduit le coût de fabrication de bateaux à base d'époxy, par rapport au coût de construction de bateaux personnalisés sur des moules mâles. De plus, il a éliminé le styrène et a permis un meilleur contrôle du temps ouvert et des taux de durcissement. Ils concluent :« … les 14 G-32 qui ont été construits ont fonctionné comme prévu, sans aucune défaillance structurelle d'aucune sorte. Un bonus est que leur poids léger, combiné à de longues coques minces, a fait des bateaux extrêmement rapides qui ont remporté de nombreuses courses. Et, 28 ans plus tard, ils continuent de gagner !