Menghubungkan komposit ke baja

Blog ini adalah bagian pendamping untuk artikel fitur Desember 2019 saya, “Menghilangkan penghalang untuk meringankan kapal dengan komposit”, membagikan beberapa detail dan visual lainnya.

HYCONNECT GmbH (Hamburg, Jerman) adalah startup yang didirikan oleh Dr. Lars Molter, seorang arsitek angkatan laut dan veteran 10 tahun dari Center of Maritime Technologies (CMT, Hamburg, Jerman), sebuah pusat R&D untuk industri maritim Jerman. “Perusahaan Jerman yang membangun megayacht dan kapal pesiar memiliki masalah yang sama,” kata Molter. “Pelanggan mereka ingin menambahkan lebih banyak peralatan, dek lain, lebih banyak isolasi terhadap kebisingan dan suhu atau fitur desain baru, seperti bentuk melengkung dan pencahayaan terintegrasi. Bahkan jika mereka dapat membuat desain ini dengan aluminium atau baja, itu sangat memakan waktu dan biaya.”

Kapal biasanya dibangun di blok komponen baja dilas untuk perakitan lebih cepat, seperti yang ditunjukkan di sini. Sistem sambungan FAUSST memungkinkan panel dinding komposit besar atau struktur lain dilas ke dalam kerangka baja ini, menawarkan konstruksi ringan menggunakan metode produksi kapal saat ini. SUMBER | Meyer Werft

Masalah dengan ikatan perekat dalam struktur hibrida

Molter dan banyak lainnya dapat melihat manfaat yang dapat diberikan komposit untuk kapal, tetapi saat ini, kapal dibuat dengan baja. Ada banyak pekerjaan untuk mengembangkan kapal semua-komposit, tetapi sementara itu, ada peluang yang signifikan untuk mengurangi berat kapal dan emisi dengan berbagai komponen komposit. Namun, satu masalah adalah bagaimana menggabungkan mereka ke kerangka baja kapal. “Kami melihat ikatan,” jelasnya, “tetapi tidak ada desain sambungan standar yang dapat Anda gunakan di semua kapal dan tidak ada aturan umum tentang cara menerapkan ikatan perekat di SOLAS.”

Peraturan Safety Of Life At Sea (SOLAS), yang dikeluarkan oleh Organisasi Maritim Internasional (IMO, London, Inggris), mengharuskan kapal komersial dibangun dengan baja sampai tahun 2002, ketika MSC/Circ. 1002 dikeluarkan, memungkinkan desain alternatif. Namun, alternatif ini memerlukan analisis risiko untuk dilakukan, menunjukkan bahwa desain dan konstruksi alternatif setara dengan baja — sebuah proses yang panjang, mahal, dan dipesan lebih dahulu untuk setiap kapal yang dibangun.

“Kami bertanya kepada DNV GL apa yang akan mereka setujui untuk sambungan material yang berbeda,” kata Molter. “Mereka mengatakan struktur primer biasanya membutuhkan sambungan mekanis; ikatan murni tidak akan mudah disertifikasi tanpa pengencang yang berlebihan.” Masalah ini dengan sertifikasi dipesan lebih dahulu dan persyaratan otoritas peraturan untuk pengencang berlebihan vs struktur utama terikat murni identik hadir di pesawat komersial. “Selain itu, dengan bonding, Anda harus mengontrol lingkungan dan prosesnya,” katanya, seraya mencatat ini sulit di tengah pengelasan dan pemotongan yang biasanya mendominasi konstruksi galangan kapal.

Sambungan FAUSST

Kain hibrida FAUSST menggabungkan serat kaca dan serat baja. SUMBER | Hyconnet

“Jadi, kami membutuhkan solusi tanpa ikatan tetapi dengan attachment mekanis,” kata Molter. “Kami terus bertanya-tanya bagaimana cara menghubungkan serat ke logam?” CMT akan menjawab bahwa dalam proyek FAUSST (Fiber and Steel Standard joint) yang didanai Jerman, yang dikembangkan, bekerja sama dengan Fritz Moll Textilwerke (Altshausen, Jerman), tekstil rajutan lusi hibrida yang bertransisi dari serat kaca 100% menjadi baja 100% serat.

Arsitektur kain dirancang sedemikian rupa sehingga baja dan serat kaca berliku-liku dan tumpang tindih, yang mencapai transfer beban karena gesekan serta saling mengunci di titik persimpangan. Arsitektur ini juga menyeimbangkan kain rajutan untuk interlocking mekanis dengan serat searah untuk membawa beban melalui sambungan. Kain ini diproduksi dengan mesin rajut yang dikontrol secara elektronik dengan kecepatan hingga 100 meter/jam.

Langkah selanjutnya adalah memasangnya ke konektor logam, yang bisa berupa pelat atau profil berongga. Serat baja dilas ke konektor menggunakan pengelasan jahitan resistensi (las tekan) dengan roda elektroda tembaga besar. Molter menjelaskan ini seperti pengelasan titik di otomotif tetapi disesuaikan untuk menghasilkan jahitan yang panjang dan berkesinambungan. Proses ini memungkinkan produksi konektor FAUSST yang efisien dengan satu atau beberapa lapisan kain menggunakan proses yang kuat dan terkenal.

Hyconnect menggunakan pengelasan jahitan untuk menyambungkan kain FAUSST ke konektor baja. SUMBER | Hubungkan.

Inilah yang dijual HYCONNECT:kain dilas ke konektor baja. “Sebuah galangan kapal atau pemasok struktur kompositnya memutuskan untuk menggunakan sistem gabungan kami,” Molter menjelaskan. “Mereka menentukan beban sambungan dan jenis konektor baja dan kami kemudian merancang dan memproduksi sambungan FAUSST. Inilah yang kami berikan dan mereka kemudian memasukkannya ke dalam struktur komposit mereka dan galangan kapal kemudian mengelasnya ke dalam kerangka baja kapal.”

Mengelola kekakuan dan ketidakcocokan CTE

Ada ketidaksesuaian kekakuan antara serat baja dan serat kaca pada kain hibrida FAUSST. Molter menjelaskan bahwa ini agak dimitigasi dengan cara kain diproduksi, “menggunakan 5-7 lapisan di mana benang saling bertautan, dan kami memvariasikan seberapa jauh serat baja memanjang ke dalam kain serat kaca. Anda tidak ingin puncak besar dalam transfer beban. Kami dapat memodifikasi kekakuan dengan memodifikasi lapisan ini dan serat penyusunnya, misalnya persentase dan arah serat kaca, dll.” Serat ± 45° tambahan dapat ditambahkan untuk menangani tegangan geser yang lebih tinggi dan juga membantu mengelola berbagai koefisien ekspansi termal (CTE) antara konektor baja dan komposit serat kaca. “Kami juga dapat mendesain untuk beban yang lebih tinggi atau konstruksi khusus dengan memperkuat ketebalan menggunakan serat berumbai,” Molter menjelaskan.

Ketidaksesuaian ketebalan antara konektor baja dan plastik yang diperkuat serat (FRP) juga harus diatasi. “Sumbu netral dari kedua bahan harus disejajarkan,” kata Molter. “Ini biasanya dicapai dengan pengerjaan tepi konektor baja menjadi lancip 30°, yang pada dasarnya menciptakan sambungan lancip untuk transfer beban yang efisien ke FRP.”

Hyconnect mendesain dan menghasilkan sambungan FAUSST, yang kemudian dimasukkan ke dalam struktur komposit dan, akhirnya, dilas ke dalam kerangka baja kapal. SUMBER | Hubungkan.

Mengembangkan sistem gabungan standar

Molter meninggalkan CMT dan mendirikan HYCONNECT pada 2018 untuk mengkomersialkan teknologi gabungan FAUSST. Perusahaan telah bekerja dengan berbagai mitra industri dan otoritas pengatur untuk melakukan pengujian dan mengulangi desain bersama. Tujuannya adalah untuk mengembangkan "keluarga" produk bersama FAUSST. “Ada peningkatan linier dalam kemampuan membawa beban dengan menerapkan lebih banyak lapisan kain FAUSST,” Molter menjelaskan. “Jadi, produk dasar bisa berupa empat lapis FAUSST dengan batang datar 1 meter yang dilas padanya, diberi nilai untuk beban tarik dan tekuk tertentu. Kemudian akan ada beberapa produk yang tersedia di sebelah kiri, menggunakan dua atau tiga lapisan untuk peringkat beban yang lebih rendah, dan beberapa di sebelah kanan, seperti lima atau enam lapis untuk peringkat beban yang lebih tinggi. Kami masih menyelesaikan detail ini, tetapi tujuannya adalah sistem standar yang mudah digunakan.”

Pengujian sambungan sambungan yang terdiri dari empat lapisan kain FAUSST memberikan kekuatan sambungan liner 217 kN/M. SUMBER | Hubungkan.

Karakterisasi mekanis dari produk sambungan FAUSST masih dalam proses, tetapi Molter menunjukkan bahwa produk tersebut bersaing dengan sambungan perekat. “Mereka juga memungkinkan inspeksi 100% menggunakan ultrasound atau pengujian sinar-X dari lasan,” tambahnya. Prototipe saat ini sedang diproduksi untuk pelanggan terpilih dan akan ditingkatkan pada tahun 2020.

Sementara itu, HYCONNECT juga memiliki minat dari perusahaan dan produsen otomotif yang tertarik dengan aplikasi kereta api. “Ada potensi untuk menggunakan teknologi ini untuk sisipan logam dan kami juga melihat kemungkinan aplikasi dalam konstruksi bangunan,” kata Molter. “Semakin banyak industri melihat nilai struktur hibrida dan kemungkinan waktu perakitan yang singkat menggunakan produk setengah jadi yang telah dilengkapi sebelumnya.”