Kit Perbaikan Portabel Sederhanakan Pemeliharaan Struktur Komposit di Lapangan

Jembatan modular yang dapat diturunkan adalah aset kunci dalam operasi taktis dan logistik militer, serta untuk memulihkan infrastruktur transportasi selama bencana alam. Konstruksi komposit sedang diteliti untuk mengurangi berat jembatan semacam itu, yang pada gilirannya mengurangi beban pada kendaraan transportasi dan mekanisme peluncuran-pengambilan. Komposit juga menawarkan potensi untuk meningkatkan kapasitas pemuatan dan memperpanjang umur layanan dibandingkan jembatan logam.

Jembatan Komposit Modular Canggih (AMCB) adalah salah satu contoh, dirancang dan dibangun menggunakan laminat epoksi yang diperkuat serat karbon (Fig. 1) oleh Seemann Composites LLC (Gulfport, Miss., AS) dan Materials Sciences LLC (Horsham, Penn., AS). Namun, kemampuan untuk memperbaiki struktur semacam itu di lapangan telah menjadi masalah yang menghambat adopsi komposit.

Pada 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, Md., AS) menerima hibah Small Business Innovation Research (SBIR) Fase I yang didanai oleh Angkatan Darat AS untuk mengembangkan metode perbaikan yang dapat dilakukan dengan sukses oleh tentara di lapangan. Berdasarkan metode ini, hibah SBIR Fase II diberikan pada 2018 untuk mendemonstrasikan bahan dan perangkat beroperasi baterai baru yang dapat memulihkan 90% atau lebih kekuatan asli struktur, bahkan ketika perbaikan patch dilakukan oleh pemula tanpa pelatihan sebelumnya. Kelayakan teknologi terbukti dengan melakukan serangkaian tugas analitik, pemilihan bahan, pembuatan spesimen uji dan pengujian mekanis, serta perbaikan skala kecil dan penuh.

Dari Dekat Kapal yang Retak ke Dekat Jembatan

Peneliti utama untuk kedua fase SBIR adalah Michael Bergen, pendiri dan presidente Custom Technologies LLC. Bergen pensiun dari Naval Surface Warfare Center (NSWC) Carderock dengan masa jabatan 27 tahun di Departemen Struktur dan Bahan, tempat dia mengelola pengembangan dan aplikasi teknologi komposit untuk kapal Angkatan Laut AS. Dr. Roger Crane bergabung dengan Custom Technologies pada 2015 setelah pensiun dari Angkatan Laut AS pada 2011 dengan 32 tahun masa jabatan. Keahlian kompositnya mencakup publikasi teknis dan paten yang mencakup topik seperti bahan komposit baru, pembuatan prototipe, metode penggabungan, komposit multifungsi, pemantauan kesehatan struktural dan perbaikan komposit.

Dua ahli ini telah mengembangkan proses unik yang menggunakan komposit untuk memperbaiki retakan pada struktur aluminium 5456 di kapal penggelar gerledak kelas USS Ticonderoga CG-47. “Proses ini dikembangkan untuk mengurangi pertumbuhan retakan dan berfungsi sebagai alternatif terjangkau untuk penggantian plate dek seharga 2-4 juta dolar,” kata Bergen. “Jadi, kami telah menunjukkan bahwa kami tahu cara melakukan perbaikan di luar laboratorium dan dalam lingkungan layanan nyata. Namun, tantangannya adalah metode saat ini untuk aset militer tidak sangat berhasil. Opsi adalah perbaikan doblet terikat [esensialmente melemahkan plate di atas area yang rusak] atau menghapus aset dari layanan untuk perbaikan tingkat depot (D-level). Ada begitu banyak aset yang menunggu di sisi karena perbaikan D-level diperlukan.”

Yang dibutuhkan, lanjutnya, “adalah metode yang dapat dieksekusi oleh tentara tanpa pengalaman dalam komposit, hanya menggunakan kit dan manual perbaikan. Tujuan kami adalah membuat proses mudah: Baca manual, asesi kerusakan dan lakukan perbaikan. Kami tidak ingin pencampuran resin cair karena itu memerlukan pengukuran yang presisi untuk memastikan pengeringan penuh. Kami juga membutuhkan sistem tanpa limbah HAZMAT yang harus ditangani setelah perbaikan selesai. Dan itu harus dikemas sebagai kit yang dapat diterapkan oleh jaringan yang sudah ada.”

Bahan Patch Terikat Baru

Salah satu solusi yang berhasil demonstrasi oleh Custom Technologies adalah kit portabel yang memungkinkan patch komposit terikat yang disesuaikan dengan ukuran kerusakan — hingga maksimum 12 inci persegi — menggunakan lem epoksi yang ditangguhkan. Demonstrasi selesai dilakukan pada komposit representatif dek AMCB tebal 3 inci, yang memiliki inti balsa tebal 3 inci (densitas 15 pon per kaki kubik) dengan kulit muka yang terdiri dari dua lapis kain biaxial sutra karbon C-LT 1100 Vectorply Corp. (Phenix City, Ala., AS) 0°/90°, satu lapis C-TLX 1900 serat karbon 0°/+45°/-45° triaxial dan dua lapis tambahan C-LT 1100 untuk total lima lapis. “Kami memutuskan kit akan menggunakan patch yang sudah jadi dalam tata letak quasi-isotropik multiaxial yang serupa sehingga orientasi kain tidak menjadi masalah,” kata Crane.

Masalah berikutnya adalah matriks resin untuk laminasi perbaikan. Untuk menghindari pencampuran resin cair, patch akan menggunakan prepreg. “Namun, tantangannya adalah penyimpanan,” jelaskan Bergen. Untuk mengembangkan solusi patch yang dapat disimpan, Custom Technologies bekerjasama dengan Sunrez Corp. (El Cajon, Calif., AS) untuk mengembangkan prepreg kaca/vinyl ester yang mengering dalam enam jam menggunakan cahaya ultraviolet (UV). Perusahaan juga bekerja sama dengan Gougeon Brothers (Bay City, Mich., AS), yang menyarankan penggunaan film epoksi fleksibel baru. Investigasi awal telah menunjukkan bahwa epoksi adalah resin paling sesuai untuk prepreg serat karbon — UV-cure vinyl ester bekerja sangat baik dengan serat kaca translusen tetapi tidak mengering di bawah serat karbon yang memblokir cahaya. Berdasarkan film baru Gougeon Brothers, prepreg epoksi akhir menunjukkan pengeringan satu jam pada 210°F/99°C dengan umur simpan yang panjang pada suhu ruangan — tidak diperlukan penyimpanan suhu rendah. Resin juga akan mengering pada suhu yang lebih tinggi, kata Bergen, misalnya pada 350°F/177°C jika suhu transisi kaca (Tg) yang lebih tinggi diperlukan. Kedua prepreg disuplai dalam kit perbaikan portabel sebagai tata letak patch prepreg yang sudah jadi yang terkemas dalam amplas plastik.

Karena kit perbaikan mungkin disimpan dalam waktu yang lama, Custom Technologies diminta untuk melakukan studi umur simpan. “Kami membeli empat kotak plastik keras — tipis yang digunakan militer untuk mengirim peralatan — dan memasukkan sampel lem epoksi dan prepreg vinyl ester ke dalam masing-masingnya,” kata Bergen. Kotak-kotak kemudian ditempatkan di empat lokasi berbeda untuk pengujian: di atap fasilitas Gougeon Brothers di Michigan, di atap bandara di Maryland, di luar ruangan di fasilitas di Yucca Valley (desert California) dan di laboratorium pengujian korosi di luar ruangan di selatan Florida. Semua kotak memiliki data logger, catat Bergen, “dan kami akan menarik data dan sampel bahan setiap tiga bulan untuk evaluasi. Suhu maksimal 140°F dicatat oleh kotak di Florida dan California, yang merupakan tantangan nyata untuk sebagian besar resin perbaikan.” Selain itu, Gougeon Brothers menguji resin epoksi murni yang baru dikembangkan secara internal. “Sampel yang disimpan selama beberapa bulan dalam oven pada 120°F mulai polimerisasi,” kata Bergen. “Namun, untuk sampel yang sesuai yang disimpan pada 110°F, kimia resin hanya berkembang sedikit.”

Pengujian Perbaikan

Untuk mendemonstrasikan teknologi perbaikan, laminat representatif harus diproduksi, dirusak dan kemudian diperbaiki. “Dalam proyek Fase I, kami awalnya bekerja dengan balok skala kecil 4 x 48 inci dan uji lentur empat titik untuk menilai kelayakan proses perbaikan kami,” kata Crane. “Kami kemudian beralih ke panel 12 x 48 inci dalam proyek Fase II, memberikan beban untuk menciptakan kondisi stres biaksial hingga kegagalan, dan kemudian mengevaluasi kinerja perbaikan. Dalam proyek Fase II, kami juga menyelesaikan perbaikan pada model AMCB yang kami bangun.” Panel uji yang digunakan untuk mendemonstrasikan kinerja perbaikan diproduksi menggunakan pedegree yang sama dalam laminat dan inti seperti AMCB yang dibangun oleh Seemann Composites, kata Bergen, “tapi kami menurunkan ketebalan lembar muka dari 0,375 inci ke 0,175 inci, berdasarkan teorema sumbu paralel. Pendekatan ini, bersama dengan elemen tambahan dari teori balok dan teori laminat klasik [CLT], digunakan untuk menghubungkan momen inersia dan kekakuan efektif AMCB skala penuh dengan artikel demonstratif yang lebih terkelola dan hemat biaya. Kami kemudian menggunakan model analisis elemen hingga [FEA] yang dikembangkan oleh XCraft Inc. (Boston, Mass., AS) untuk menyempurnakan desain perbaikan struktural.” Kain serat karbon untuk panel uji dan model AMCB dibeli dari Vectorply dan inti balsa disuplai oleh Core Composites (Bristol, R.I., AS).

Langkah 1. Panel uji ini menunjukkan diameter lubang 3 inci untuk mensimulasikan kerusakan yang ditandai di tengah serta perimeter perbaikan. Kredit foto untuk semua langkah: Custom Technologies LLC.

Langkah 2. Penggiling tangan beroperasi baterai digunakan untuk menghapus bahan yang rusak dan mencaritaper 12:1 untuk menerima patch perbaikan.

“Kami ingin mensimulasikan tingkat kerusakan yang lebih tinggi pada panel uji daripada yang kemungkinan akan terlihat pada dekat jembatan di lapangan,” jelaskan Bergen. “Jadi, pendekatan kami adalah menggunakan bor lubang untuk membuat lubang diameter 3 inci. Kami kemudian mencabut sok bahan yang rusak dan melakukan caritaper 12:1 menggunakan penggiling pneumatic tangan.”

Untuk perbaikan serat karbon/epoksi, jelaskan Crane, setelah bahan lembar muka yang “rusak” dihapus dan caritaper yang sesuai diterapkan, prepreg dipotong ke lebar dan panjang yang cocok dengan caritaper area yang rusak. “Untuk panel uji kami, ini membutuhkan empat lapis prepreg yang membawa bahan perbaikan menjadi rata dengan atas lembar muka karbon asli yang tidak rusak. Setelah ini, tiga lapis tambahan prepreg karbon/epoksi diposisikan di atas bagian perbaikan ini. Setiap lapis berturut-turut meluas 1 inci di semua sisi lapis di bawahnya, yang memberikan transfer beban bertahap dari materi “baik” di sekitarnya ke area yang diperbaiki.” Total waktu untuk melakukan perbaikan ini — termasuk persiapan area perbaikan, pemotongan dan penempatan bahan perbaikan serta penerapan prosedur pengeringan — sekitar 2,5 jam.

Meski perbaikan serat karbon/epoksi sederhana dan cepat, tim mengakui kebutuhan akan solusi yang lebih cepat lagi yang dapat memulihkan performa. Ini mengarah pada eksplorasi prepreg yang dikeringkan ultraviolet (UV). “Minat terhadap resin vinyl ester Sunrez berdasarkan pengalaman Angkatan Laut sebelumnya dengan Mark Livesay, yang mendirikan perusahaan,” jelaskan Bergen. “Kami memulai dengan memberikan Sunrez kain kaca quasi-isotropik untuk prepreg dengan vinyl ester mereka dan mengevaluasi profil pengeringan dalam berbagai kondisi. Selanjutnya, mengetahui resin vinyl ester tidak menyediakan properti pengikatan sekunder yang sebaik epoksi, ada upaya tambahan untuk mengevaluasi berbagai agen pemasangan garis lem dan memenuhi syarat satu untuk aplikasi ini.”

Masalah lain adalah serat kaca tidak menyediakan properti mekanis yang sama seperti serat karbon. “Hal ini diatasi dengan menggunakan satu lapis tambahan kaca/vinyl ester dibandingkan patch serat karbon/epoksi,” kata Crane. “Alasan hanya satu lapis tambahan yang diperlukan adalah karena bahan kaca adalah kain yang lebih berat.” Ini menghasilkan patch yang sesuai yang dapat diterapkan dan kemudian dikering dalam enam jam bahkan pada suhu dingin/membeku di lapangan tanpa perlu memberikan panas. Crane mencatat perbaikan ini dapat diselesaikan dalam satu jam.

Kedua sistem patch demonstasi dan diuji. Untuk setiap perbaikan, area yang akan dirusak ditandai (langkah 1), dibuat dengan bor lubang dan kemudian dihapus menggunakan penggiling tangan beroperasi baterai (langkah 2). Area perbaikan kemudian dicaritaper ke caritaper 12:1. Permukaan yang dicaritaper dibersihkan dengan bantal alkohol (langkah 3). Selanjutnya, patch perbaikan dipotong ke ukuran, diposisikan pada permukaan yang dibersihkan (langkah 4) dan dikonsolidasikan dengan roller untuk mengeluarkan gelembung udara. Untuk prepreg kaca/vinyl ester yang dikering UV, lembar peel ditempatkan di atas area perbaikan dan patch dikering menggunakan cahaya UV nirkabel selama enam menit (langkah 5). Untuk prepreg serat karbon/epoksi, area perbaikan dikemas vakum dan dikering menggunakan hot bonder baterai satu tombol terprogram untuk satu jam pada 210°F/99°C.

Langkah Perbaikan

Langkah 3. Area perbaikan yang disiapkan kemudian dibersihkan dengan pelapuran pelarut menggunakan bantal alkohol sekali pakai.

Langkah 4. Patch perbaikan kaca/vinyl ester dipotong ke ukuran dan diposisikan pada area perbaikan.

Langkah 5. Setelah lembar peel ditempatkan di atas area perbaikan, perbaikan patch dikering menggunakan cahaya UV nirkabel selama enam menit.

Langkah 6. Perbaikan patch prepreg kaca/vinyl ester yang dikering UV selesai.

“Kami kemudian melakukan uji untuk mengevaluasi ikatan lem patch dan kemampuan untuk memulihkan kemampuan beban struktur,” kata Bergen. “Dalam Fase 1, kami diminta untuk menunjukkan kemudahan aplikasi dan kemampuan untuk memulihkan setidaknya 75% kekuatan. Ini tercapai pada balok serat karbon/epoksi dan inti balsa 4 x 48 inci dalam uji lentur empat titik setelah perbaikan kerusakan simulasi. Proyek Fase 2 menggunakan panel 12 x 48 inci dan harus menunjukkan persyaratan kekuatan lebih dari 90% di bawah beban regangan kompleks. Kami memenuhi semua persyaratan ini dan kemudian merekam metode perbaikan pada model AMCB untuk memberikan referensi visual cara menggunakan teknik dan peralatan di lapangan.”

Keberhasilan Pemula, Aplikasi Masa Depan

Salah satu aspek kunci proyek adalah untuk membuktikan bahwa pemula dapat dengan mudah menyelesaikan perbaikan. Untuk melakukan ini, Bergen memiliki ide: “Saya telah berjanji untuk demonstrasi kepada dua kontak teknis kami di Angkatan Darat: Dr. Bernard Sia dan Ashley Genna. Pada tinjauan akhir proyek Fase I, saya meminta Ashley, yang tidak memiliki pengalaman perbaikan sebelumnya, untuk melakukan perbaikan. Menggunakan kit dan manual yang kami berikan, dia menerapkan patch dan menyelesaikan perbaikan tanpa masalah apa pun.”

Pengembangan kunci lainnya adalah sistem pengeringan beroperasi baterai (Fig. 2). “Dengan perbaikan di lapangan, Anda hanya memiliki daya baterai,” catat Bergen. “Semua peralatan proses dalam kit perbaikan yang kami kembangkan adalah nirkabel.” Ini termasuk hot bonder beroperasi baterai yang dikembangkan oleh Custom Technologies dengan penyedia hot bonder WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Md., AS). “Hot bonder panas beroperasi baterai ini terprogram sebelumnya untuk menyelesaikan pengeringan, jadi pemula tidak perlu memprogram siklus pengeringan,” kata Crane. “Mereka cukup menekan tombol dan ia menyelesaikan ramp dan soak yang sesuai.” Baterai yang saat ini digunakan bertahan satu tahun sebelum perlu diisi ulang.

Sekarang proyek Fase II telah selesai, Custom Technologies sedang menyiapkan proposal peningkatan lanjutan dan mengumpulkan surat minat dan dukungan. “Tujuan kami adalah mematangkan teknologi ini ke TRL 8 dan mengeluarkannya ke lapangan,” kata Bergen. “Kami juga melihat potensi untuk aplikasi non-militer.”