Mengatasi Tantangan Ringanisasi Kapal dengan Bahan Komposit
Komposit terkuat serat kaca dan serat karbon (GFRP dan CFRP) telah digunakan untuk membangun kapal laut selama bertahun-tahun, termasuk banyak pengebor tambang panjang 40 hingga 60 meter dan bahkan kapal yang lebih besar, termasuk Korvet Kelas Visby panjang 72 meter Angkatan Laut Swedia dan kapal layar panjang 75 meter Mirabella V. Kapal motor panjang 141 meter Swift 141 (diusahakan Yas) adalah fregat Belanda baja yang dibangun kembali menggunakan GFRP/CFRP di soles bawah dek dan superstruktur tiga dek (lihat "From frigate to luxury gigayacht"), termasuk gabungan dek komposit-ke-baja.
Dan namun, komposit jarang digunakan dalam pembangunan kapal. Ini terutama karena peraturan Safety Of Life At Sea (SOLAS) yang dikeluarkan oleh Organisasi Maritim Internasional (IMO, London, Inggris), yang mewajibkan kapal komersial dibangun dengan baja sampai MSC/Circ. 1002 dikeluarkan pada tahun 2002 yang mengizinkan desain alternatif.
"Peraturan ini mewajibkan analisis risiko dilakukan, yang menunjukkan bahwa desain dan konstruksi alternatif setara dengan baja," menjelaskan Stéphane Paboeuf, kepala Bagian Bahan Komposit dari asosiasi klasifikasi Bureau Veritas (BV, Nantes, Prancis). "Proses ini panjang, mahal dan keputusan akhir masih bisa negatif." Jadi, meskipun komposit menawarkan banyak keuntungan untuk pembangunan kapal, tantangan keselamatan api dan regulasi telah menjadi hambatan untuk penggunaan.
Sementara itu, pemilik, operator dan pembuat kapal mencari solusi untuk keberlanjutan yang lebih baik, termasuk berat yang lebih ringan untuk mengurangi penggunaan bahan bakar, emisi gas rumah kaca dan anggar kapal — yang terakhir untuk perairan dalam dangkal. Resistensi korossi bawaan komposit untuk mengurangi perawatan juga menarik.
Pada tahun 2017, IMO mengeluarkan MSC.1/Circ., seperangkat pedoman baru untuk menggunakan komposit FRP di kapal komersial. Seiring dengan evaluasi IMO terhadap pedoman ini pada tahun 2021 mendekat, sejumlah besar aktivitas sedang berlangsung. Dua konsorsium Eropa, FIBRESHIP dan RAMSSES, yang didukung oleh jaringan Eropa dengan 378 anggota untuk Aplikasi Ringan di Laut (E-LASS), memimpin gelombang proyek demonstrasi ini, yang mencakup dek komposit, timon, badan kapal, kabin modular dan superstruktur, perbaikan patch baja dan gabungan las komposit-ke-baja. Bersama, mereka bertujuan untuk mengatasi hambatan untuk konstruksi kapal komposit ringan dengan tidak hanya mendemonstrasikan performa api dan struktural struktur besar dan keseluruhan kapal, tetapi juga dengan mengembangkan jalur baru untuk sertifikasi dan metode produksi, teknologi gabungan baru dan alat desain. Mereka juga berbagi informasi melalui workshop yang berkelanjutan, repositori pengetahuan dan basis data bahan/desain. Pasar baru mungkin sedang terbuka untuk komposit laut, tetapi solusi apa yang akan dibutuhkannya?
FIBRESHIP dan RAMSSES
FIBRESHIP dan RAMSSES dimulai pada Juni 2017, didanai oleh program Uni Eropa Horizon 2020. FIBRESHIP memiliki 18 anggota dan akan berlangsung sampai Mei 2020, sementara RAMSSES memiliki 36 anggota dan berakhir pada Mei 2021. Keduanya mencakup perusahaan dari seluruh rantai pasok yang mencakup pusat R&D, universitas, pemasok bahan dan teknologi, pembuat bagian, firma arsitektur dan teknik kapal, kapal, pemilik kapal dan asosiasi klasifikasi. Yang terakhir bertanggung jawab untuk mengembangkan aturan spesifik untuk pembangunan kapal individu berdasarkan pedoman umum IMO. Mereka diberi wewenang oleh negara bendera (setiap kapal membawa bendera suatu negara) untuk mengaudit pembangunan kapal dan memastikan aturan-aturan ini diikuti. "Penting bahwa semua pemangku kepentingan dan pengguna akhir terlibat," ujar Alfonso Jurado, kepala R&D di Tecnicas y Servicios de Ingeniería (TSI, Madrid, Spanyol) dan koordinator proyek FIBRESHIP.
"Tujuan utama FIBRESHIP adalah mengembangkan kemampuan desain dan produksi untuk kapal laut besar (lebih dari 50 meter panjang) dengan berat yang lebih rendah," lanjut Jurado. "Ini juga motivasi utama bagi perusahaan saya." TSI merancang struktur komposit dari kapal penelitian penangkapan ikan panjang 85 meter (LOA), yang akan berfungsi sebagai demonstrator dan sejauh ini mencapai hampir 70% pengurangan berat struktural dibandingkan kapal referensi baja. "Ini luar biasa, menawarkan kemungkinan nyata untuk membantu sektor pelayaran," katanya. Bagian 20 ton dari kapal ini, berukuran 11 x 11 x 8,6 meter (lihat gambar pembuka), dibangun oleh mitra kapal iXblue di La Ciotat, Prancis, dan dipamerkan di workshop publik kedua FIBRESHIP pada Juni 2019 (lihat posting berita dengan video demonstrator yang sedang diproduksi).
Jurado menjelaskan bahwa kapal ini adalah pertama dari tiga kasus kapal komposit umum yang dikembangkan FIBRESHIP. Dua berikutnya adalah kapal kontainer panjang 260 meter LOA dan ROPAX panjang 204 meter, yang terakhir menggabungkan kapasitas muatan kapal roll-on/roll-off dengan fasilitas penumpang feri. "Kapal ini dipilih sebagai demonstrator karena lebih kecil dengan struktur laut yang lebih konvensional, dan demikian paling layak untuk dibangun di masa depan dekat," katanya. "Pemilik kapal juga telah menunjukkan minat nyata terhadap kapal seperti ini." Sementara itu, RAMSSES memiliki 13 demonstrator yang sedang berlangsung, 10 di antaranya mencakup komposit, dan juga mengejar kapal seluruh komposit.
Jurado mencatat bahwa perusahaan yang berpartisipasi dalam proyek ini melihat potensi untuk desain inovatif dan produk ringan baru untuk memberikan keunggulan kompetitif bagi bisnis mereka serta industri pelayaran setiap negara. Namun kemajuan tidak akan dijamin oleh demonstrator besar saja. "Kami juga harus memiliki dukungan dari otoritas regulasi," tambahnya. "Langkah pertama adalah melibatkan IMO dan menyesuaikan peraturan SOLAS saat ini dengan persyaratan dan tuntutan baru dari industri pelayaran. Tanpa ini, kami tidak bisa maju karena perusahaan asuransi tidak akan memberikan asuransi pada kapal komposit terkuat serat jika mereka tidak memenuhi persyaratan minimum dan sertifikasi keselamatan, misalnya."
Pendekatan Fast Track to Approval (FTA) yang diusulkan untuk sertifikasi komposit di kapal komersial yang dikembangkan dalam proyek RAMSSES, seperti yang disajikan selama seminar E-LASS Juni 2019 (Vigo, Spanyol). Sumber | RAMSSES dan Stephane Paboeuf, Bureau Veritas
"FIBRESHIP mengejar pendekatan jangka panjang dengan mengembangkan aturan baru, sementara RAMSSES mengembangkan pendekatan jangka pendek dengan menggunakan aturan dan metode yang ada," menjelaskan Paboeuf di BV, yang adalah satu-satunya asosiasi klasifikasi partner di RAMSSES, dan salah satu dari tiga di FIBRESHIP bersama dengan Lloyd's Register (London, Inggris) dan RINA (Genoa, Italia). "Di RAMSSES, kami mengembangkan prosedur Fast Track to Approval (FTA) berdasarkan penggunaan ulang data proyek untuk mengstandarkan tes dan memberikan pedoman untuk desain dan persetujuan." Prosedur ini harus sederhana dan mudah dibaca oleh kapal, arsitek laut dan pemasok. Percepatan dibandingkan proses saat ini akan datang melalui dukungan yang dikembangkan dalam proyek demonstrasi RAMSSES, termasuk:
- basis data solusi yang telah disetujui dan hasil tes bahan untuk menghindari tes berulang,
- skenario risiko api yang mencakup rentang aplikasi serupa untuk membatasi jumlah dan cakupan penilaian risiko, dan
- alat analisis dan pemodelan, termasuk model numerik atau statistik yang dapat mengganti tes fisik di masa depan.
"Di FIBRESHIP, kami bekerja sama dengan Lloyd's Register dan RINA untuk mengembangkan seperangkat aturan preskriptif khusus untuk kapal besar yang dibangun dengan komposit," lanjut Paboeuf. "Untuk performa struktural, kami mendefinisikan koefisien keselamatan baru untuk beban lokal dan global." RAMSSES dan FIBRESHIX juga mengusulkan untuk mengganti tingkat rating api saat ini seperti A60, B30 dan B15 dengan konvensi baru REIxx, di mana R menentukan resistensi api (kapasitas menahan beban dalam api), E menentukan integritas (pencegahan penyebaran asap dan api) dan I menentukan isolasi api. "Tujuan adalah untuk menyelaraskan lebih baik rating api struktural dengan bahan komposit yang digunakan," menjelaskan Paboeuf.
Selain itu, kedua proyek ini juga menangani penilaian risiko karena penyebaran api, produksi asap dan risiko api di ruang asal, tetapi juga pada tingkat keselamatan kapal secara keseluruhan. "Untuk performa api, kami mengembangkan pendekatan kesetaraan lokal, yang menangani keselamatan api pada tingkat lokal berdasarkan rating api pembatas dan pembagian struktural lainnya di setiap ruang kapal," ujar Paboeuf. "Pendekatan kedua, kesetaraan global, menangani api pada tingkat kapal, mempertimbangkan semua sistem (perlindungan api aktif dan pasif, deteksi, evakuasi, dll.) yang mempengaruhi keselamatan api kapal secara keseluruhan, bukan hanya setiap ruang yang terpisah."
"Penggunaan komposit yang lebih luas dalam pembangunan kapal akan dilakukan secara bertahap," katanya. "Akan dimulai dengan bagian kecil seperti dek dan superstruktur, atau peralatan seperti garis poros dan propeller, sebelum melanjutkan ke konstruksi keseluruhan kapal, yang pada awalnya akan sebagian besar kapal tujuan khusus seperti kapal penelitian dan pengujian seismik serta kapal patroli berkecepatan tinggi."
Fig. 1 Kapal komposit 80 meter RAMSSES
Kapal Damen (DSNS) sedang mengembangkan kapal patroli offshore seluruh komposit dalam proyek RAMSSES. Demonstrator bagian badan kapal skala penuh 6 x 6 x 3 meter akan dibangun pada tahun 2020 menggunakan infused resin dalam kolaborasi dengan InfraCore Company (ICC) dan Airborne International (AIR). Sumber | Kapal Damen dan RAMSSES
Demonstrator kapal seluruh komposit
Selain kapal FRV panjang 85 meter yang ditampilkan oleh FIBRESHIP, kapal patroli offshore panjang 80 meter sedang dikembangkan dalam RAMSSES untuk menjadi kapal SOLAS seluruh komposit pertama. Dipimpin oleh Damen Shipyard Group (Gorinchem, Belanda), pekerjaan ini melanjutkan hasil dari proyek Bluenose yang dimulai pada tahun 2014. Dalam paket kerja 17 RAMSSES, Damen memimpin demonstrasi bagian badan kapal komposit skala penuh 6 x 6 x 3 meter dari kapal ini yang dibuat menggunakan infused resin, menjelaskan Matthias Krause, insinyur R&D di Center of Maritime Technologies (CMT, Hamburg, Jerman) dan ko-kordinator proyek RAMSSES bersama dengan CETENA (Genoa, Italia). "Evonik telah mengembangkan resin baru untuk bagian badan kapal demonstrator ini dan cetakan tinggi 6 meter telah dibuat. Damen juga bekerja sama dengan Airborne International (The Hague, Belanda), pemasok industri penerbangan yang juga telah membangun struktur infused besar." Evonik (Essen, Jerman) telah menjelaskan perannya untuk meningkatkan ketahanan dampak dan perilaku lelah badan kapal infused serat kaca/resin vinyl ester.
Mitra lain dalam demonstrator ini adalah InfraCore Co. (Rotterdam, Belanda), yang mengembangkan aplikasi baru untuk teknologi InfraCore yang digunakan oleh perusahaan saudara FiberCore Europe (Rotterdam) di lebih dari 1.000 jembatan komposit dan pintu air di seluruh dunia. "Kami awalnya bergabung dengan Damen dalam proyek ini untuk membangun helikopter berat 12 hingga 14 ton," menjelaskan manajer operasi InfraCore Laurent Morel. "Sekarang kami bekerja sama dengan mereka untuk membangun dek, pembatas dan struktur badan kapal. Kami akan menggunakan infused horizontal dan vertikal untuk menghasilkan bagian badan dalam satu kali proses. Sejauh ini, kami telah menginfuse hingga tinggi 9,8 meter." Setelah selesai, demonstrator ini akan diuji untuk performa struktural dan api, dengan hasil dan pelajaran yang dipelajari dimasukkan ke dalam modul FTA baru RAMSSES.
Dek ringan
Komposit telah ditampilkan dalam pertama kapal roll-on/roll-off penumpang mobil yang menggunakan dek muatan komposit, yang dirancang dan dibangun oleh Uljanik Group (Pula, Kroasia) sebagai bagian dari paket kerja 14 RAMSSES (lihat "Low weight on the high seas"), serta dek matahari ringan untuk kapal cruise sungai panjang 110 meter (lihat "Composite deck reduces river ship draft") dan dek tengah komposit untuk kapal muatan umum panjang 200 meter. "Dek tengah adalah dek yang dapat dilepas yang dapat Anda pasang untuk membagi ruang muatan untuk memudahkan berbagai jenis muatan," menjelaskan Arnt Frode Brevik, manajer di Compocean (Sandvika, Norwegia), pemasok solusi komposit yang muncul dari industri minyak dan gas.
"Kami telah bekerja sama dengan Oshima Shipbuilding (Nagasaki, Jepang) dan DNV GL selama beberapa tahun untuk mengembangkan dek tengah ringan dengan tujuan menekan berat 50% dibanding baja," ujar Brevik. Ini menghasilkan prototipe GRP 9 x 2 meter yang diuji untuk dampak dan beban maksimum dan kemudian dipamerkan di NOR-Shipping 2017.
Compocean sekarang telah memperluas pengembangan ini ke proyek baru dengan Oshima, DNV GL dan pemilik kapal Masterbulk Pte Ltd. (Singapura) untuk membangun prototipe dek tengah komposit skala penuh 27 x 12 meter, yang akan dipasang tahun depan dan diuji sampai akhir tahun 2021.
"Oshima mencoba mengoptimalkan item untuk mengurangi biaya bahan bakar dan penanganan," ujar Brevik. "Meskipun tidak banyak dek tengah per kapal, ini adalah bagian yang mudah untuk dimulai saat memperkenalkan bahan baru karena bukan bagian dari struktur primer kapal." Desain ini didasarkan pada plate serat kaca infused resin poliesternya dengan penguat topi di bawahnya. "Kami menggunakan campuran layup ±45 derajat, 0 derajat dan 0 derajat/90 derajat untuk semua bagian tetapi dengan rasio yang berbeda. Struktur dek juga perlu mengintegrasikan banyak titik ikat untuk mengamankan muatan." Plate akan diikatkan ke penguat topi menggunakan perekat struktural sementara baut akan digunakan dalam kombinasi dengan sistem ikat. Bracket akhir baja yang dihubungkan dengan baut akan menghubungkan komposit ke struktur kapal baja. "Kami juga akan mengejar desain dengan persimpangan perekat murni di masa depan," tambah Brevik.
Fig. 2 Dek tengah komposit
Desain baru kapal muatan umum open-hatch 65k Oshima Shipbuilding akan menggunakan prototipe dek tengah komposit Compocean, yang menekan berat 50% dibanding baja dan akan terdiri dari beberapa penguat topi infused FRP (inset) yang diikatkan ke plate atas FRP dengan koneksi baut dari komposit ke struktur kapal baja. Sumber | Compocean dan DNV GL
Setelah menerima persetujuan akhir dari DNV GL untuk desain dek tengah skala penuh, Compocean telah membuat cetakan dan memulai pengujian fabrikasi. "Dek komposit skala penuh akan dibangun oleh mitra di Malaysia yang akan mengangkutnya melalui tongkang ke kapal," ujar Brevik. Langkah berikutnya adalah bertujuan untuk pengurangan berat yang jauh lebih besar, misalnya, luk atas di atas pembukaan muatan (plate datar di atas "kotak" hijau dalam rendering kapal di atas). "Ada tujuh luk besar pada jenis penyeberang ini," katanya. "Untuk mendapatkan persetujuan ini oleh DNV GL akan menimbulkan tantangan baru, tetapi keberhasilan dengan dek tengah akan membantu."
Superstruktur ringan, kabin modular
RAMSSES memiliki enam paket kerja yang difokuskan pada superstruktur komposit dan komponen yang digunakan di atas dek utama, sebagian besar dengan demonstrator dan hasil tes yang akan disajikan pada tahun 2020. Paket kerja 16, dipimpin oleh Naval Group (Prancis, Prancis), sedang mendemonstrasikan modul superstruktur komposit ringan yang digabungkan dengan dek baja. Demonstrator berbasis darat mewakili blok standar untuk kapal patroli offshore. "Pembangunan kapal dengan bahan logam didasarkan pada konstruksi dalam blok untuk mengurangi waktu dan biaya," menjelaskan Jurado. "Membangun blok tersebut dengan komposit memunculkan masalah dengan kebutuhan cetakan besar serta teknik gabungan dan persyaratan keselamatan persimpangan. Fibreship telah mempelajari hal ini dan mengembangkan beberapa rekomendasi tentang gabungan blok berbasis komposit, termasuk urutan perakitan." Di RAMSSES, Naval Group telah menyelidiki tiga jenis struktur sandwich termasuk GF/polyester/inti busa, FR epoxy/inti busa PET dan GF/polyester/inti busa serat 3D terkuat. Ia juga mengembangkan sistem pemantauan kesehatan struktural (SHM) di dalam persimpangan dan panel komposit.
Paket kerja 18, dipimpin oleh Chantiers de l'Atlantique (Saint Nazaire, Prancis) sedang mengembangkan solusi modular untuk kabin penumpang. "Biasanya ini datang tanpa lantai karena diatasi pada dek baja kapal," ujar Krause. "Ideanya adalah untuk membuatnya dari komposit, yang telah dilengkapi dengan semua sistem pembantu seperti pemanas dan pendingin, listrik, dll. Dengan menyertakan lantai komposit, ini dapat dimasukkan ke dalam kerangka baja (seperti laci) daripada diatasi pada dek baja padat, sehingga menghemat banyak berat." Meskipun proyek menilai komposit untuk mengurangi waktu produksi dan perakitan untuk dinding, langit-langit dan unit kamar mandi, karena mengganti dek baja diperkirakan dapat menghemat sekitar 125 kilogram per meter persegi, lantai komposit menjadi fokus utama. Hutchinson (Prancis, Prancis) telah mengusulkan penggunaan busa komposit terkuat serat mineral ZALTEX-nya, yang tahan suhu dari -190°C hingga 1.000°C.
Paket kerja 13, dipimpin oleh pembuat kapal cruise Meyer Werft (Papenburg, Jerman), juga bertujuan untuk proses yang efisien untuk perakitan, tetapi menargetkan pembatas. Tujuannya adalah untuk membangun dua demonstrator — satu di darat, satu di laut (uji coba laut) — di mana dinding komposit akan digabungkan dengan struktur kerangka baja dan kemudian ditaklukkan pada 80 tes mekanis. Mitra proyek InfraCore telah melakukan analisis untuk menentukan persyaratan isolasi panas dan kebisingan, eigenfrequency (getaran), deformasi dan lebar serta tinggi maksimum untuk dinding komposit. "Kami diminta untuk mengembangkan dinding dalam dan luar multifungsi," menjelaskan Morel di InfraCore. "Untuk menghemat waktu, biaya dan berat, kami harus mengintegrasikan isolasi dan finishing interior yang bagus dengan panel struktural ringan. Ada hingga 6.800 meter persegi dinding ini di setiap kapal cruise. Kami memiliki kesempatan untuk memasang ini di kapal cruise pertengahan tahun 2020, yang bisa menjadi dinding komposit yang disetujui SOLAS pertama di kapal cruise di seluruh dunia."
Di paket kerja 10, Podcomp (Öjebyn, Swedia) sedang mengembangkan panel indoor/outdoor alternatif menggunakan komposit berbahan nabati yang harus tahan api dan harga kompetitif. Tiga konsep sandwich berdasarkan prepreg GF/polyfurfuryl alcohol (PFA) dari Composites Evolution (Chesterfield, Inggris) dan bahan inti yang berbeda diperiksa. Hanya satu konsep yang lulus tes cone calorimeter dan tes api lainnya yang dilakukan oleh RISE Research Institutes of Sweden (Borås). Ini sekarang sedang dioptimalkan untuk berat dan biaya.
Setelah mencoba aluminium dan pengelasan gerigasan, Baltic Workboats (Nasva, Estonia) sekarang melanjutkan dengan komposit untuk mengembangkan panel yang telah difit, diperkuat untuk rumah dek/superstruktur aluminium kapal kerja (paket kerja 15). Desain panel, koneksi dengan panel lain dan dengan sisa struktur rumah dek, prosedur analisis struktural dan solusi isolasi akan ditampilkan, serta teknik pemasangan di kapal.
Solusi lain untuk superstruktur ringan sedang dikembangkan oleh BaltiCo (Hohen Luckow, Jerman), produsen peralatan kapal yang memiliki startup baru untuk membangun keseluruhan kapal menggunakan serat karbon yang ditempatkan robot di sekitar struktur truss. "Anda membangun kerangka struktur yang ingin Anda produksi, menempatkan struktur silang GFRP atau rusuk sekitar setiap setengah meter, dan kemudian robot melilit serat karbon di sekitarnya," menjelaskan Krause. Tujuannya adalah sistem modular ultra-ringan dengan proses yang sangat terotomatisasi. Demonstrasi akan mencakup produksi dan perakitan dua modul badan dan dek mandiri di katamaran tenaga surya ringan non-SOLAS.
Persimpangan las FRP-baja
"Kami percaya masa depan pembangunan kapal ada dalam menggabungkan komposit FRP, baja dan bahan lain menjadi struktur hibrid," ujar Dr. Lars Molter, veterani 10 tahun di CMT. "Kami telah melihat bonding, tetapi tidak ada desain persimpangan standar yang dapat Anda gunakan di semua kapal dan tidak ada aturan umum tentang cara menerapkan perekat bonding di kapal SOLAS. Juga, Anda harus mengontrol lingkungan dan proses bonding." Ia mencatat bahwa ini sulit di tengah pengelasan dan pemotongan yang biasanya mendominasi konstruksi kapal. "Kami bertanya kepada DNV GL apa yang akan mereka setujui untuk persimpangan bahan yang berbeda," ujar Molter. "Mereka mengatakan struktur primer biasanya akan memerlukan ikatan mekanis; bonding murni tidak akan disertifikasi dengan mudah tanpa penangkap yang redundan."
Molter dan CMT merespons dengan proyek FAUSST (Fiber and Steel Standard joint) yang didanai Jerman, yang mengembangkan kain kain hybrid yang bertransisi dari 100% serat kaca hingga 100% serat baja. Yang terakhir diatasi pada konektor baja (misalnya, plate datar, profil persegi panjang, dll.), yang kemudian dapat dengan mudah diatasi ke struktur baja kapal (Fig. 3). Akhir serat kaca digabungkan ke struktur komposit menggunakan infused resin. "Desain persimpangan ini menawarkan inspeksi NDT 100% karena Anda dapat menggunakan UT (ultrasonik) atau X-ray pada las," ujar Molter. FAUSST melakukan tes mekanis, lingkungan dan lelah pada jenis persimpangan ini dan juga mendapatkan persetujuan dalam prinsip dari asosiasi klasifikasi, tetapi masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan untuk mengubah teknologi menjadi produk komersial. Jadi, Molter meninggalkan CMT dan mendirikan HYCONNECT GmbH (Hamburg, Jerman) pada tahun 2018.
Fig. 3 Persimpangan las steel-FRP HYCONNECT
Kain serat baja-kaca hybrid FAUSST (kiri atas) di tekan las ke plate baja atau konektor lain (kanan atas) dan kemudian dapat diintegrasikan ke dalam struktur komposit melalui infused resin (kiri bawah). Struktur komposit hibrid tersebut kemudian dengan mudah diatasi ke rangka baja kapal (kanan bawah). Sumber | HYCONNECT
"Kami telah bertemu dengan kapal, DNV GL dan BV dan sedang mengembangkan produk yang dapat disertifikasi," ujar Molter. "Anda hanya memesan bagian komposit Anda dengan sistem persimpangan ini dan kemudian Anda dapat meletaknya di kapal Anda. Itu adalah visi kami. Kami merancang persimpangan komposit-ke-baja dan kemudian menyampaikan produk yang memiliki kain yang diatasi pada konektor baja (plate, profil, dll.)."
Ia menjelaskan bahwa desain persimpangan dan kain akan disertifikasi dalam sistem bertahap: "Dengan menerapkan lebih banyak lapisan kain FAUSST, ada peningkatan linear dalam kemampuan menahan beban." Sebagai contoh, produk dasar mungkin empat lapisan FAUSST dengan bar datar 1 meter yang diatasi, yang dirating untuk beban tarik dan lentur tertentu. Kemudian akan ada beberapa produk yang tersedia di kiri (misalnya, dua-tiga lapisan keseluruhan untuk rating beban lebih rendah) dan kanan (misalnya, enam lapisan keseluruhan untuk rating beban lebih tinggi). "Kami masih menyelesaikan detail ini, tetapi tujuannya adalah sistem yang terstandarisasi dan mudah digunakan," catat Molter.
HYCONNECT telah menyesuaikan teknologi kain untuk menangani perbedaan kekakuan dan koefisien ekspansi termal (CTE) antara baja dan komposit; penggunaan serat yang dirajut untuk pengikatan mekanis dengan serat unidireksional untuk menahan beban melalui persimpangan; dan teknik yang diperlukan untuk tekan las berkualitas tinggi serat baja pada konektor baja (lihat "Connecting composites to steel"). "Solusi ini didasarkan pada pengujian berkelanjutan," ujar Molter. "Karena FAUSST terdiri dari sub-produk siap pakai yang terstandarisasi, dapat disuplai dengan cepat, dalam hitungan hari." Prototipe saat ini sedang diproduksi untuk pelanggan terpilih, dan HYCONNECT akan memulai produksi penuh pada tahun 2020.
Timon komposit
Timon kapal juga sedang dikembangkan sebagai hibrid FRP-baja. Sebagai bagian dari paket kerja 12 RAMSSES, Becker Marine Systems (BMS, Hamburg, Jerman) sedang mendemonstrasikan flap komposit ringan untuk timon baja yang dirancang untuk kapal kontainer besar. Timon biasanya berat lebih dari 200 ton, ujar Jörg Mehldau, kepala R&D di BMS. "Dengan menambahkan flap di bawah yang bisa dibuka-buka, Anda dapat secara signifikan mengurangi luas timon." BMS pioneer flap timon ini, yang secara dramatis mengurangi radius belok kapal dan meningkatkan menjaga kurs serta kelincahan, memungkinkan berlabuh tanpa bantuan remor. Flap komposit tidak hanya menekan berat tetapi juga memungkinkan bentuk yang lebih fungsional serta desain yang dioptimalkan hidrodinamis dan beban.
Fig. 4 Flap timon komposit
Becker Marine Systems bekerja sama dengan InfraCore untuk mengembangkan flap timon infused resin ringan untuk kapal kontainer terbesar. Ukuran 11,8 meter panjang dan 0,9 meter lebar dengan tali 2,9 meter, flap skala penuh harus menahan beban 100 ton/m2. Demo tinggi 2 meter akan diuji 2Q 2020. Sumber | Becker Marine Systems
"Flap komposit yang kami kembangkan terinspirasi dari industri penerbangan," catat Mehldau. Untuk RAMSSES, kasus uji skala penuh bertujuan pada salah satu kapal kontainer terbesar (≈400 meter panjang), flap berukuran panjang 11,8 meter dan lebar 0,9 meter dengan tali 2,9 meter (lihat Fig. 4). "Kami menghitung gaya pada timon dan flap ini menggunakan rumus berdasarkan aturan DNV GL untuk jenis, bobot dan kecepatan maksimum kapal ini," ujar Mehldau. BMS kemudian melakukan desain awal dan analisis teknik, serta studi kompromi untuk kemampuan produksi dan biaya. "Kami pertama-tama menyukai filament winding tetapi terlalu mahal," katanya. "Untuk setiap badan kapal baru, timon adalah desain tunggal." Jadi, infused resin dipilih, seperti pula desain alternatif dari InfraCore. "Itu yang terbaik untuk fleksibilitas produksi, biaya dan performa struktural yang digabungkan," menjelaskan Mehldau.
"Bagi saya, ini cocok secara alami untuk InfraCore karena pintu lock komposit yang kami buat sangat mirip," ujar Morel. Ia mencatat timon kapal kontainer harus menahan beban sekitar 100 ton per meter persegi dengan luas permukaan 150 meter persegi. Ini cocok dengan teknologi infused InfraCore yang digunakan di dek jembatan yang melintasi hingga 142 meter. Sebagai gantinya bonding inti struktural padat ke faceskins, InfraCore menggunakan inti busa padat rendah hanya sebagai bentuk permanen untuk struktur jaring Z-bentuk, dua flang yang berulang. Mereka tumpang tindih, dilepasi dengan kain multiaxial dan co-infused untuk membentuk konstruksi yang kuat. InfraCore akan membangun demonstrator skala 1:6, menggunakan bahan serat kaca dan resin polyster yang sudah disertifikasi DNV GL untuk menekan biaya.
Morel mencatat flap komposit InfraCore yang lebih ringan kompetitif biaya, "karena timon baja kapal cukup rumit untuk diproduksi." Mehldau setuju, "bersama dengan biaya perawatan dan operasional yang lebih rendah, kami melihat bisnis yang berhasil." Demonstrator tinggi 2 meter akan selesai pada 2Q 2020, diikuti oleh pengujian.
"Kami akan menguji ini menggunakan uji coba lab dan bantal udara, yang dapat memberikan tekanan hingga 8 bar setidaknya 80 Mpa beban," ujar Mehldau. "Kami akan mengukur regangan dan defleksi untuk memverifikasi simulasi kami dan melakukan tes beban patah." Demonstrator skala lab juga akan diuji melalui uji coba laut di Sungai Elbe oleh CETENA (Genoa, Italia) yang berfungsi sebagai koordinator proyek RAMSSES bersama dengan CMT.
Momentum maju
"Pengaturan komposit di kapal bagus karena banyak pemangku kepentingan sektor laut telah menunjukkan minat pada FIBRESHIP, RAMSSES dan proyek lainnya," ujar Jurado. "Tantangan terbesar adalah kebutuhan akan peraturan baru, aspek keselamatan api, teknik bonding dan pengurangan biaya pembangunan kapal. Untuk yang terakhir, ia menyebut manufaktur otomatis di kapal sebagai isu kunci serta konstruksi cetakan dan pemasukan serta penyimpanan bahan komposit. "Komposit sudah berkembang di kapal," ujar Krause di CMT, "tetapi kami memulai pekerjaan ini 20 tahun lalu, jadi ini proses yang lambat. Namun, sekarang kami memiliki massa kritis ini dan industri lebih terhubung melalui E-LASS."
Jörg Bünker, kepala R&D, layanan aplikasi untuk produk SAERTEX LEO FR di SAERTEX (Saerbeck, Jerman), setuju: "Driver untuk menekan berat semakin kuat. Dalam lima hingga tujuh tahun ke depan, lebih banyak bahan komposit akan dijual ke dalam kapal. Ini adalah waktu yang tepat untuk lebih banyak proyek karena IMO perlu melihat minat dan upaya ini dari industri. Pemasok harus menunjukkan solusi baru dan kapal harus menunjukkan di mana komposit dapat digunakan, tetapi tidak ada yang dapat melakukannya sendirian."
