Integrasi Mulus Bahan Komposit dengan Struktural Baja

Blog ini adalah teman pendamping artikel fitur Desember 2019 saya, "Removing barriers to lightweighting ships with composites", berbagi beberapa detail dan visual lebih lanjut.

HYCONNECT GmbH (Hamburg, Jerman) adalah startup yang didirikan oleh Dr. Lars Molter, arsitek naval dan veterani 10 tahun di Center of Maritime Technologies (CMT, Hamburg, Jerman), pusat R&D untuk industri maritim Jerman. "Perusahaan Jerman yang membangun megayacht dan kapal penumpang semua memiliki masalah yang sama," ujar Molter. "Pelanggan mereka ingin menambahkan lebih banyak peralatan, dek tambahan, lebih banyak isolasi terhadap kebisingan dan suhu atau fitur desain baru, seperti bentuk lengkung dan pencahayaan terintegrasi. Bahkan jika mereka dapat melakukan desain ini dengan aluminium atau baja, ini sangat memakan waktu dan biaya."

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

Masalah dengan perekat dalam struktur hibrida

Molter dan banyak orang dapat melihat manfaat yang dapat diberikan komposit untuk kapal, tetapi saat ini, kapal dibangun dalam baja. Ada banyak yang bekerja untuk mengembangkan kapal komposit murni, tetapi untuk sementara ini, ada peluang signifikan untuk mengurangi bobot dan emisi kapal dengan berbagai komponen komposit. Masalah satu, namun, adalah bagaimana menghubungkannya ke kerangka baja kapal. "Kami melihat perekat," katanya, "tapi tidak ada desain joint standar yang dapat digunakan di semua kapal dan tidak ada aturan umum bagaimana menerapkan perekat dalam SOLAS."

Peraturan Safety Of Life At Sea (SOLAS), yang dikeluarkan oleh Organisasi Maritim Internasional (IMO, London, Inggris), mengharuskan kapal komersial dibangun dalam baja hingga 2002, saat MSC/Circ. 1002 dikeluarkan, mengizinkan desain alternatif. Alternatif ini, namun, memerlukan analisis risiko dilakukan, menunjukkan bahwa desain dan konstruksi alternatif setara dengan baja — proses yang panjang, mahal dan khusus untuk setiap kapal yang dibangun.

"Kami bertanya kepada DNV GL apa yang akan disetujui untuk joint bahan yang berbeda," ujar Molter. "Mereka mengatakan struktur primer biasanya akan memerlukan pemasangan mekanis; perekat murni tidak akan disertifikasi dengan mudah tanpa pemasang redundant." Masalah dengan sertifikasi khusus dan persyaratan otoritas regulasi untuk pemasang redundant versus struktur primer yang hanya diperekat identik ada dalam pesawat komersial. "Juga, dengan perekat, Anda harus mengontrol lingkungan dan proses," katanya, menandatangani bahwa ini sulit di tengah pengelasan dan pemotongan yang biasanya mendominasi konstruksi kapal.

Joint FAUSST

Kain hibrida FAUSST yang menggabungkan serat kaca dan serat baja. Sumber | Hyconnet

"Jadi, kami memerlukan solusi tanpa perekat tetapi dengan pemasangan mekanis," ujar Molter. "Kami terus bertanya bagaimana kita menghubungkan serat ke logam?" CMT akan menjawab itu dalam proyek FAUSST (Fiber and Steel Standard joint) yang didanai Jerman, yang mengembangkan, dalam kerjasama dengan Fritz Moll Textilwerke (Altshausen, Jerman), tekstil warpen hibrida yang bertransisi dari 100% serat kaca ke 100% serat baja.

Arsitektur kain dirancang sehingga serat baja dan kaca meander dan tumpang tindih, yang mencapai transfer beban karena gesekan serta interkunci di titik persimpangan. Arsitektur ini juga menyeimbangkan kain yang dianyam untuk interkunci mekanis dengan serat serarah untuk memikul beban melalui joint. Kain diproduksi dengan mesin anyaman yang dikontrol elektronik dengan kecepatan hingga 100 meter/jam.

Langkah berikutnya adalah melekatkan ini ke konektor logam, yang bisa menjadi plate atau profil hollow. Serat baja di las ke konektor menggunakan las seam resistance (press welding) dengan roda elektroda tembaga besar. Molter menjelaskan ini seperti las titik dalam otomotif tetapi disesuaikan untuk menghasilkan seam panjang yang kontinu. Proses ini memungkinkan produksi efisien konektor FAUSST dengan satu atau beberapa lapis kain menggunakan proses yang kuat dan terkenal.

Hyconnect menggunakan las seam untuk menggabungkan kain FAUSST ke konektor baja. Sumber | Hyconnect.

Inilah yang dijual Hyconnect: kain yang di las ke konektor baja. "Sebuah kapal atau pemasok struktur kompositnya memutuskan untuk menggunakan sistem joint kami," menjelaskan Molter. "Menentukan beban joint dan tipe konektor baja dan kami kemudian merancang dan memproduksi joint FAUSST. Inilah yang kami kirim dan mereka kemudian menginfusnya ke dalam struktur komposit mereka dan kapal kemudian me-lasnya ke kerangka baja kapal."

Mengelola ketidakcocokan kekakuan dan CTE

Ada ketidakcocokan kekakuan antara serat baja dan serat kaca dalam kain hibrida FAUSST. Molter menjelaskan hal ini terurangi dengan cara kain diproduksi, "menggunakan 5-7 plies di mana benang diinterkunci, dan kami bervariasi seberapa jauh serat baja menjalar 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 stres geser yang lebih tinggi dan juga membantu mengelola koefisien ekspansi termal (CTE) yang berbeda antara konektor baja dan komposit serat kaca. "Kami juga dapat merancang untuk beban yang lebih tinggi atau konstruksi khusus dengan memperkuat melalui ketebalan menggunakan serat tufted," menjelaskan Molter.

Ketidakcocokan ketebalan antara konektor baja dan plastik terjamin serat (FRP) juga harus diatasi. "Sumbu netral kedua bahan harus diselaraskan," ujar Molter. "Ini biasanya dicapai dengan memotong tepi konektor baja menjadi taper 30°, menciptakan, secara efektif, joint taper untuk transfer beban yang efisien ke FRP."

Hyconnect merancang dan memproduksi joint FAUSST, yang kemudian diinfus ke dalam struktur komposit dan, akhirnya, di las ke kerangka baja kapal. Sumber | Hyconnect.

Mengembangkan sistem joint standar

Molter meninggalkan CMT dan mendirikan HYCONNECT pada 2018 untuk memkomersialkan teknologi joint FAUSST. Perusahaan telah bekerja dengan berbagai mitra otoritas industri dan regulasi untuk melakukan uji dan mengulang desain joint. Tujuan adalah mengembangkan "keluarga" produk joint FAUSST. "Ada peningkatan linier dalam kapasitas pemikul beban dengan menerapkan lebih banyak lapis kain FAUSST," menjelaskan Molter. "Jadi, produk dasar mungkin empat lapis FAUSST dengan batas datar 1 meter yang di las padanya, dirating untuk beban tarik dan lentur tertentu. Kemudian akan ada beberapa produk yang tersedia di kiri, menggunakan dua atau tiga lapis untuk rating beban yang lebih rendah, dan beberapa di kanan, seperti lima atau enam lapis untuk rating beban yang lebih tinggi. Kami masih menyelesaikan detail ini, tetapi tujuan adalah sistem standar yang mudah digunakan."

Uji Hyconnect pada joint yang terdiri dari empat lapis kain FAUSST memberikan kekuatan joint liner 217 kN/M. Sumber | Hyconnect.

Karakterisasi mekanis produk joint FAUSST masih berlangsung, tetapi Molter menandatangani mereka kompetitif dengan joint perekat. "Mereka juga memungkinkan inspeksi 100% menggunakan uji ultrasound atau X-ray pada las," katanya. Prototipe saat ini sedang diproduksi untuk pelanggan terpilih dan akan diskala pada 2020.

Sementara itu, HYCONNECT juga telah mendapat minat dari perusahaan otomotif dan produsen yang tertarik pada aplikasi rel. "Ada potensi untuk menggunakan teknologi ini untuk sisip logam dan kami juga melihat aplikasi yang mungkin dalam konstruksi bangunan," ujar Molter. "Semakin banyak industri melihat nilai struktur hibrida dan kemungkinan untuk waktu pemasangan pendek menggunakan produk semi-jadi yang sudah dilengkapi."