Bahan Komposit Canggih Membangkitkan Kapal Layar Listrik Revolusioner
Elektrifikasi transportasi global adalah evolusi yang tidak merata, yang secara simultan diaktifkan dan menghalangi oleh berbagai kekuatan yang mengatur pengembangan teknologi dan mempengaruhi segalanya dari mobil dan pesawat tanpa pilot hingga transportasi rel dan kapal laut. Kekuatan yang mengaktifkan/menghalangi ini termasuk baterai berat yang matang cepat, pengawasan pemerintah yang kadang-kadang lambat untuk beradaptasi, prinsip gravitasi dan gesekan, persyaratan keamanan penumpang yang ketat, asuransi yang cemas dan pengembangan bahan ringan yang tidak merata.
Masih, inovasi bahan, pemrosesan, perangkat keras dan perangkat lunak memungkinkan produk yang hanya beberapa tahun lalu tidak terbayangkan, dan mungkin tidak ada contoh yang lebih baik dari ini dari Seven, speedboat foil komposit semua baru, listrik, jarak jauh yang sedang diproduksi oleh Candela Boats (Lidingö, Swedia) menggunakan solusi matriks resin yang disediakan oleh Sicomin Epoxy Systems (Châteauneuf les Martigues, Prancis).
Bagaimana kita sampai di sini
Candela Boats didirikan pada 2014 oleh CEO Gustav Hasselskog yang, meskipun lulusan insinyur, sebelumnya bekerja sebagai konsultan dan di pasar kimia konsumen. Menurut kata pribadinya, Hasselskog “telah bosan” dengan dunia kerja korporat dan memutuskan bahwa dia ingin menemukan pekerjaan yang lebih bermakna. Dia berhenti dari pekerjaan korporatnya pada 2014 dan selama musim panas itu menarik diri dengan keluarganya ke sebuah rumah yang terletak pada salah satu kepulauan yang mengelilingi Stockholm, Swedia.
“Kami memiliki perahu 25 kaki dengan mesin V-8,” ingat Hasselskog, menambahkan bahwa pergi ke mana pun dan mendapatkan apa pun memerlukan perjalanan perahu ke Stockholm, yang setidaknya biaya $50 per perjalanan. “Terasa sedikit aneh, untuk menghabiskan begitu banyak uang pada perahu,” katanya. Hasselskog mulai melakukan beberapa perhitungan, bertanya apakah yang diperlukan untuk membuat rekreasi perahu lebih efisien. “Apa yang saya temukan,” katanya, “adalah bahwa topik ini belum diatasi untuk membuat perahu lebih efisien dan membuatnya listrik.”
Hasselskog mulai mempelajari pasar rekreasi marine lebih lanjut. Dia mempelajari teknologi baterai dan propulsi listrik, menentukan apa yang akan diperlukan untuk memberikan perahu gliding jarak minimal 50 mil laut — sebuah tujuan yang menurutnya wajar. Hingga saat ini, aplikasi propulsi listrik semua dalam perahu air gliding telah ditemani oleh kurangnya daya dan kurangnya jarak, terutama karena gesekan permukaan air yang harus diatasi perahu. Lebih lanjut, untuk meningkatkan jarak atau daya dalam perahu gliding memerlukan penambahan baterai, yang juga menambah bobot dan, dengan perpanjangan, drag. Singkatnya, Hasselskog menemukan, tidak mungkin untuk membuat perahu gliding lebih efisien. “Perahu gliding adalah jalan buntu. Anda tidak dapat membuatnya lebih efisien,” katanya. “Foiling adalah satu-satunya cara.” Jadi, Hasselskog menjual rumah musim panas keluarga di kepulauan, dan pada 2014 Candela Boats lahir.
Foiling secara inheren tidak stabil karena termodinamika kompleks yang terlibat. Candela Boats mengembangkan sistem sensor dan kontrol yang canggih untuk memanipulasi foil dan memastikan perjalanan yang mulus dan aman. Sumber | Candela Boats
Foiling bukan untuk orang lemah hati
Tantangan utama foiling terletak pada ketidakstabilan inheren dari perahu yang Bergerak melalui dan di atas air, tetapi tidak di permukaan air. Foil — atau, lebih akurat, hidrofoil — adalah struktur mirip sayap yang terpasang di bagian bawah badan perahu. Foil melalui air tegak lurus terhadap arah perjalanan dan, menggunakan prinsip penerbangan pesawat yang sama, pada kecepatan tertentu memberikan cukup lift untuk mengangkat perahu sepenuhnya dari air. Fesekan badan perahu sehingga dihilangkan, hanya drag foil dan udara yang tersisa sebagai resistor.
Foil dapat mengambil berbagai bentuk, namun dalam semua kasus mereka harus memberikan permukaan datar datar yang melalui air tepi-tertepat. Dan, seperti sayap pesawat, sudut serangan foil di air dapat disesuaikan untuk meningkatkan atau mengurangi lift. Foil juga dapat diterapkan pada berbagai kedalaman air, namun kedalaman memiliki efek pada efisiensi. Misalnya, foiling permukaan yang menembus relatif dangkal lebih stabil, namun kurang efisien. Foiling yang lebih dalam lebih efisien namun kurang stabil.
Dalam setiap kasus, “terbang” di atas air menyajikan lingkungan hidrodinamis yang sangat berbeda dibandingkan dengan yang dihadapi perahu gliding di permukaan air. Di luar air dan berjalan di atas foil, perahu berperilaku sangat berbeda — distribusi bobot, belokan, resistensi angin dan air turbulen harus dikelola dengan hati-hati.
Teknologi foiling, meskipun lebih dari 100 tahun, hingga saat ini digunakan terutama di yacht balap besar dan beberapa kapal penumpang. Yacht balap foiling biasanya dioperasikan oleh kru besar yang terlatih untuk mengelola struktur foiling yang dinamis dan cepat bergerak. Kapal penumpang foiling bergantung pada foiling permukaan yang menembus, yang, seperti yang disebutkan, lebih stabil.
Hasselskog memutuskan untuk membuat speedboat-nya semakin efisien mungkin dan jadi memilih foil dalam. Tantangannya adalah untuk membuat perahu foiling dalam beroperasi dengan mudah, mulus dan aman, siapapun yang berada di roda. Melakukannya akan memerlukan pengembangan sistem kontrol foiling yang belum pernah ada sebelumnya, dan struktur perahu yang tidak hanya ringan, namun dirancang secara khusus untuk foiling.
Membangun foil yang sempurna
Seven panjang 7,7 meter, lebar 2,4 meter, berat 1.300 kilogram dan kapasitas enam orang. Ia menggunakan dua foil, yang terbesar diterapkan sekitar 2 meter dari depan perahu. Desain primer foil relatif sederhana: Dua struts melewati badan perahu ke air dan melekat pada sudut siku pada foil yang panjang 2,35 meter, lebar 200 milimeter dan tebal 25 milimeter. Foil — juga disebut foil terbalik — diorientasikan tegak lurus terhadap arah perjalanan. Struts foil beraktuasi motor untuk bergerak ke atas dan bawah untuk menurunkan dan mengangkat foil. Saat perahu tidak sedang foiling, foil sepenuhnya ditarik masuk rata dengan badan perahu. Pada kecepatan foiling, foil diterapkan ke air kedalaman maksimal 550 milimeter.
Saat Seven tidak dalam mode foiling, dua struts oranye yang terhubung dan mengaktuasi foil untuk menariknya rata ke badan perahu. Foil putih dan oranye terlihat di sini tepat di bawah badan perahu dan tepat di atas permukaan air. Sumber | Candela Boats
Di bagian belakang perahu adalah foil T kedua yang lebih kecil yang juga bertindak sebagai rudder. Ia terpasang pada motor listrik 55-kilowatt yang mengaktuasi driveshaft di rudder yang memutar propeller di ujung rudder. Motor diberi daya oleh baterai rechargeable, yang terletak di bagian muyu depan badan perahu, untuk memberikan keseimbangan saat perahu sedang foiling. Seven mulai foiling pada 14-15 knot, berlayar pada 22 knot, kecepatan maksimum 30 knot dan jarak 50 mil nautis.
Teodor Hällestrand, product manager di Candela Boats, mengatakan struts foil dan foil adalah komposit serat karbon/epoksi dan menantang tantangan desain insinyur yang signifikan. Untuk memberikan kontrol yang diperlukan untuk perjalanan yang mulus, Candela perlu dapat menyesuaikan foil terhadap kondisi perahu yang berubah. Ini memerlukan sistem sensor/kontrol yang sangat dinamis yang dipasangkan dengan foil yang sangat responsif. “Foil lurus, namun kami ingin dapat memutarnya di air, tergantung pada kecepatan, sudut roll, sudut pitch dan sudut yaw,” kata Hällestrand. “Kami dapat memahami bagaimana perahu diposisikan dan kemudian menyesuaikan untuk orientasi untuk membuat perjalanan semulus mungkin.” Ini dicapai oleh sistem kontrol, yang secara dinamis menyesuaikan struts untuk mengubah sudut serangan foil atau memutar foil, terutama untuk belokan.
Hasselskog mengatakan, “Kami perlu dapat memutar foil depan atau memberikan sudut serangan yang berbeda.” Semua tindakan ini terjadi di bawah beban, katanya, “jadi kami memerlukan bahan dengan kekakuan torsi rendah, namun dengan kekakuan lentur tinggi.” Hasilnya adalah “rencana layup yang cukup rumit” yang menggunakan pita serat karbon unidirectional (UD) (utamanya ±45 derajat) untuk memberikan kekakuan dan kemampuan lentur yang diperlukan. Foil menggunakan serat karbon modulus standar dari berbagai pemasok dan diinfusi dengan resin epoksi SR1710 yang disediakan oleh Sicomin Epoxy Systems. Foil mengering pada suhu ruangan, diikuti oleh post-cure 40°C.
Bukan badan perahu biasa
Di mana pun pergelaran Seven dari standar desain perahu gliding lebih terlihat daripada pada badan perahu — baik dalam desain maupun insinyur. Yang paling mencolok adalah fakta bahwa meskipun ia memiliki badan perahu V-standar, pemecah ombak di depan perahu, badan perahu datar dari foil depan hingga ke belakang. Hasselskog menyebut beberapa alasan untuk ini.
Interior badan perahu Seven menunjukkan stringers dan ribs yang dipotong dari laminat komposit serat karbon/epoksi dan kemudian ditempatkan dengan perekat dan penangkal mekanis. Arsitektur ini memungkinkan Candela Boats untuk mengassemble badan perahu dengan cepat, dan memberikan fleksibilitas untuk menyesuaikan perubahan desain. Sumber | Candela Boats
Pertama, katanya, kami “hanya membutuhkan bentuk V untuk menembus ombak.” Itu juga melindungi foil saat perahu tidak sedang foiling. Kedua, meratakan separuh badan perahu menyederhanakan manufaktur dan menghemat banyak bobot. Ketiga, katanya, dasar datar membuat perahu sangat stabil di pelabuhan untuk naik/turun. “Itu seperti pram,” katanya.
Di dalam badan perahu, namun, di mana Candela telah bekerja untuk membuat Seven tidak hanya struktural secara utuh, namun dapat beradaptasi dengan manufaktur yang efisien, laju relatif tinggi. Hällestrand mengatakan badan perahu dapat dibandingkan dengan fuselage pesawat — kulit yang melingkari lattice stringers dan ribs. Seperti foil, badan perahu diinfusi, menggunakan serat UD karbon yang sama dan epoksi SR1710, dibuat pada alat komposit juga dibuat dengan SR1710. Ketebalan badan perahu di bawah garis air 3 milimeter; ketebalan badan perahu di atas garis air 2 milimeter.
Marc Denjean, export manager di Sicomin, mengatakan SR1710 adalah sistem epoksi berkinerja tinggi yang menyediakan “properti mekanik jauh di atas rata-rata.” Sicomin juga menyediakan primer high-build epoksi dalam cetakan, yang berarti badan perahu dilepas dari cetakan siap untuk dicat.
Untuk membuat stringers dan ribs, Candela memulai dengan panel padat komposit serat karbon/epoksi tebal 3 milimeter dan kemudian CNC memotongnya ke bentuk, tergantung pada di mana dalam badan perahu laminat ditempatkan. Untuk membangun struktur badan perahu — stringers dan ribs — bentuk yang dipotong ini kemudian dirakit dan dipasang satu sama lain dan badan perahu dengan perekat bonding dan penangkal mekanis.
Baterai pak Seven terletak di bagian muyu depan badan perahu, untuk memberikan keseimbangan yang sangat diperlukan saat perahu dalam mode foiling.
Sumber | Candela Boats
Proses desain/manufaktur cut-and-assemble laminat ini, kata Hasselskog, telah terbukti sangat efisien dan memungkinkan Candela Boats untuk membangun struktur badan perahu hanya dalam 40 jam. Ini juga memungkinkan perusahaan untuk dengan mudah menyesuaikan struktur internal dengan perubahan desain tanpa biaya dan waktu yang diperlukan untuk memodifikasi cetakan. “Mudah untuk diskalakan, membuat perubahan atau membangun struktur baru hanya dengan mengubah kode pengolahan,” katanya.
Kesimpulan
Sejalan dengan visi asli Hasselskog, efisiensi Seven sulit dikalahkan — ia 4-5 kali lebih hemat energi daripada perahu gliding bensin yang setara dan mengonversi 90% energi kimia menjadi energi mekanis. Lebih lanjut, biaya kepemilikan Seven, menurut Candela, 95% lebih rendah daripada perahu gliding bensin.
Perusahaan memiliki 190 pesanan untuk Seven, dan berharap untuk merakit 40 perahu pada 2020. Hasselskog mengatakan bahwa saat ini Candela hanya desainer dan rakitan perahu. Pembuatan struktur komposit dilakukan oleh pihak ketiga, namun Hasselskog mengatakan Candela mungkin membawa pekerjaan itu dalam rumah saat berusaha mengoptimalkan proses manufaktur dan, akhirnya, mengurangi jejak karbon perusahaan. “Kami harus menurunkan biaya kami, dan itu berarti memproduksi dengan lebih efisien,” kata Hasselskog. “Kami belum sampai situ, namun kami sedang bergerak ke arah yang benar.”
