Kit portabel ini dapat diperbaiki dengan prepreg fiberglass/vinil ester yang dapat diawetkan dengan UV atau prepreg serat karbon/epoksi yang disimpan pada suhu ruangan dan peralatan pengawetan bertenaga baterai. #insidemanufacturing #infrastructure
Perbaikan tambalan prepreg yang dapat diawetkan dengan UV Meskipun perbaikan prepreg serat karbon/epoksi yang dikembangkan oleh Custom Technologies LLC untuk jembatan komposit infield terbukti sederhana dan cepat, penggunaan Prepreg resin vinil ester yang diperkuat serat kaca dan dapat diawetkan dengan UV telah menghasilkan sistem yang lebih praktis. Sumber gambar: Custom Technologies LLC
Jembatan modular yang dapat dikerahkan merupakan aset penting bagi operasi taktis dan logistik militer, serta pemulihan infrastruktur transportasi selama bencana alam. Struktur komposit sedang dikaji untuk mengurangi bobot jembatan tersebut, sehingga mengurangi beban pada kendaraan pengangkut dan mekanisme peluncuran-pemulihan. Dibandingkan dengan jembatan logam, material komposit juga berpotensi meningkatkan daya dukung beban dan memperpanjang masa pakai.
Jembatan Komposit Modular Lanjutan (AMCB) adalah contohnya. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, AS) dan Materials Sciences LLC (Horsham, PA, AS) menggunakan laminasi epoksi yang diperkuat serat karbon (Gambar 1). (Desain dan konstruksi). Namun, kemampuan untuk memperbaiki struktur tersebut di lapangan telah menjadi masalah yang menghambat adopsi material komposit.
Gambar 1 Jembatan komposit, aset utama di lapangan. Jembatan Komposit Modular Lanjutan (AMCB) dirancang dan dibangun oleh Seemann Composites LLC dan Materials Sciences LLC menggunakan komposit resin epoksi yang diperkuat serat karbon. Sumber gambar: Seeman Composites LLC (kiri) dan Angkatan Darat AS (kanan).
Pada tahun 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, AS) menerima hibah Tahap 1 Penelitian Inovasi Bisnis Kecil (SBIR) yang didanai Angkatan Darat AS untuk mengembangkan metode perbaikan yang dapat dilakukan secara sukses di lokasi oleh tentara. Berdasarkan pendekatan ini, hibah SBIR tahap kedua diberikan pada tahun 2018 untuk memamerkan material baru dan peralatan bertenaga baterai. Meskipun penambalan dilakukan oleh pemula tanpa pelatihan sebelumnya, 90% atau lebih struktur dapat dipulihkan ke kekuatan aslinya. Kelayakan teknologi ini ditentukan dengan melakukan serangkaian analisis, pemilihan material, pembuatan spesimen, dan pengujian mekanis, serta perbaikan skala kecil dan skala penuh.
Peneliti utama dalam dua fase SBIR adalah Michael Bergen, pendiri dan presiden Custom Technologies LLC. Bergen pensiun dari Carderock, Pusat Perang Permukaan Angkatan Laut (NSWC), dan bertugas di Departemen Struktur dan Material selama 27 tahun, di mana ia mengelola pengembangan dan penerapan teknologi komposit di armada Angkatan Laut AS. Dr. Roger Crane bergabung dengan Custom Technologies pada tahun 2015 setelah pensiun dari Angkatan Laut AS pada tahun 2011 dan telah bertugas selama 32 tahun. Keahliannya di bidang material komposit meliputi publikasi teknis dan paten, yang mencakup topik-topik seperti material komposit baru, manufaktur prototipe, metode penyambungan, material komposit multifungsi, pemantauan kesehatan struktural, dan restorasi material komposit.
Kedua pakar tersebut telah mengembangkan proses unik yang menggunakan material komposit untuk memperbaiki retakan pada superstruktur aluminium kapal penjelajah rudal berpemandu kelas Ticonderoga CG-47 5456. "Proses ini dikembangkan untuk mengurangi pertumbuhan retakan dan menjadi alternatif ekonomis untuk penggantian papan platform senilai 2 hingga 4 juta dolar," kata Bergen. "Jadi, kami membuktikan bahwa kami tahu cara melakukan perbaikan di luar laboratorium dan dalam lingkungan layanan nyata. Namun, tantangannya adalah metode aset militer saat ini kurang berhasil. Pilihannya adalah perbaikan dupleks berikat [pada dasarnya di area yang rusak, dengan merekatkan papan ke bagian atas] atau menghentikan layanan aset untuk perbaikan tingkat gudang (tingkat D). Karena perbaikan tingkat D diperlukan, banyak aset yang dikesampingkan."
Ia melanjutkan dengan mengatakan bahwa yang dibutuhkan adalah metode yang dapat dilakukan oleh tentara yang tidak memiliki pengalaman dengan material komposit, hanya dengan menggunakan kit dan manual perawatan. Tujuan kami adalah menyederhanakan prosesnya: membaca manual, mengevaluasi kerusakan, dan melakukan perbaikan. Kami tidak ingin mencampur resin cair, karena ini membutuhkan pengukuran yang presisi untuk memastikan proses pengeringan yang sempurna. Kami juga membutuhkan sistem tanpa limbah berbahaya setelah perbaikan selesai. Dan sistem tersebut harus dikemas sebagai kit yang dapat digunakan oleh jaringan yang ada.
Bahasa Indonesia: Salah satu solusi yang berhasil didemonstrasikan oleh Custom Technologies adalah kit portabel yang menggunakan perekat epoksi yang diperkuat untuk menyesuaikan tambalan komposit perekat sesuai dengan ukuran kerusakan (hingga 12 inci persegi). Demonstrasi diselesaikan pada material komposit yang mewakili dek AMCB setebal 3 inci. Material komposit tersebut memiliki inti kayu balsa setebal 3 inci (kepadatan 15 pon per kaki kubik) dan dua lapisan kain jahit biaksial serat karbon Vectorply (Phoenix, Arizona, AS) C -LT 1100 0°/90°, satu lapisan serat karbon C-TLX 1900 0°/+45°/-45° tiga poros dan dua lapisan C-LT 1100, total lima lapisan. "Kami memutuskan bahwa kit tersebut akan menggunakan tambalan prefabrikasi dalam laminasi kuasi-isotropik yang mirip dengan multi-sumbu sehingga arah kain tidak akan menjadi masalah," kata Crane.
Masalah selanjutnya adalah matriks resin yang digunakan untuk perbaikan laminasi. Untuk menghindari pencampuran resin cair, tambalan akan menggunakan prepreg. "Namun, tantangannya adalah penyimpanan," jelas Bergen. Untuk mengembangkan solusi tambalan yang dapat disimpan, Custom Technologies telah bermitra dengan Sunrez Corp. (El Cajon, California, AS) untuk mengembangkan prepreg serat kaca/vinil ester yang dapat menggunakan sinar ultraviolet (UV) dalam waktu enam menit. Perusahaan ini juga berkolaborasi dengan Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, AS), yang menyarankan penggunaan film epoksi fleksibel baru.
Studi awal menunjukkan bahwa resin epoksi adalah resin yang paling cocok untuk prepreg serat karbon. Vinil ester yang dapat diawetkan dengan UV dan serat kaca transparan bekerja dengan baik, tetapi tidak dapat diawetkan di bawah serat karbon yang menghalangi cahaya. Berdasarkan film terbaru Gougeon Brothers, prepreg epoksi akhir diawetkan selama 1 jam pada suhu 99°C dan memiliki masa simpan yang lama pada suhu ruangan—tidak perlu penyimpanan suhu rendah. Bergen mengatakan bahwa jika diperlukan suhu transisi gelas (Tg) yang lebih tinggi, resin juga akan diawetkan pada suhu yang lebih tinggi, misalnya 177°C. Kedua prepreg tersedia dalam kit perbaikan portabel berupa tumpukan tambalan prepreg yang disegel dalam amplop plastik.
Karena kit perbaikan dapat disimpan dalam jangka waktu lama, Custom Technologies diharuskan melakukan studi masa simpan. "Kami membeli empat wadah plastik keras—jenis yang umum digunakan militer pada peralatan transportasi—dan memasukkan sampel perekat epoksi dan vinil ester prepreg ke dalam setiap wadah," kata Bergen. Kotak-kotak tersebut kemudian ditempatkan di empat lokasi berbeda untuk pengujian: atap pabrik Gougeon Brothers di Michigan, atap bandara Maryland, fasilitas luar ruangan di Yucca Valley (gurun California), dan laboratorium pengujian korosi luar ruangan di Florida selatan. Semua wadah dilengkapi pencatat data, Bergen menjelaskan, "Kami mengambil sampel data dan material untuk evaluasi setiap tiga bulan. Suhu maksimum yang tercatat dalam kotak di Florida dan California adalah 140°F, yang baik untuk sebagian besar resin restorasi. Ini merupakan tantangan yang nyata." Selain itu, Gougeon Brothers menguji resin epoksi murni yang baru dikembangkan secara internal. "Sampel yang telah ditempatkan dalam oven pada suhu 120°F selama beberapa bulan mulai berpolimerisasi," kata Bergen. “Namun, untuk sampel terkait yang disimpan pada suhu 110°F, kimia resin hanya meningkat sedikit.”
Perbaikan diverifikasi pada papan uji dan model skala AMCB ini, yang menggunakan material laminasi dan inti yang sama dengan jembatan asli yang dibangun oleh Seemann Composites. Sumber gambar: Custom Technologies LLC
Untuk mendemonstrasikan teknik perbaikan, laminasi representatif harus diproduksi, dirusak, dan diperbaiki. "Pada tahap pertama proyek, kami awalnya menggunakan balok berukuran 4 x 48 inci skala kecil dan uji tekuk empat titik untuk mengevaluasi kelayakan proses perbaikan kami," ujar Klein. "Kemudian, kami beralih ke panel berukuran 12 x 48 inci pada tahap kedua proyek, menerapkan beban untuk menghasilkan tegangan biaksial yang menyebabkan kegagalan, dan kemudian mengevaluasi kinerja perbaikan. Pada tahap kedua, kami juga menyelesaikan model AMCB yang kami bangun untuk Pemeliharaan."
Bergen mengatakan bahwa panel uji yang digunakan untuk membuktikan kinerja perbaikan diproduksi menggunakan jenis laminasi dan material inti yang sama dengan AMCB yang diproduksi oleh Seemann Composites, “tetapi kami mengurangi ketebalan panel dari 0,375 inci menjadi 0,175 inci, berdasarkan teorema sumbu paralel. Ini adalah kasusnya. Metode tersebut, bersama dengan elemen tambahan dari teori balok dan teori laminasi klasik [CLT], digunakan untuk menghubungkan momen inersia dan kekakuan efektif AMCB skala penuh dengan produk demo berukuran lebih kecil yang lebih mudah ditangani dan lebih hemat biaya. Kemudian, kami Model analisis elemen hingga [FEA] yang dikembangkan oleh XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, AS) digunakan untuk meningkatkan desain perbaikan struktural.” Kain serat karbon yang digunakan untuk panel uji dan model AMCB dibeli dari Vectorply, dan inti balsa dibuat oleh Core Composites (Bristol, RI, AS) yang disediakan.
Langkah 1. Panel uji ini menampilkan lubang berdiameter 3 inci untuk mensimulasikan kerusakan yang ditandai di bagian tengah dan memperbaiki kelilingnya. Sumber foto untuk semua langkah: Custom Technologies LLC.
Langkah 2. Gunakan penggiling manual bertenaga baterai untuk membuang material yang rusak dan tutupi bagian tambalan perbaikan dengan tirus 12:1.
"Kami ingin mensimulasikan tingkat kerusakan yang lebih tinggi pada papan uji daripada yang mungkin terlihat pada dek jembatan di lapangan," jelas Bergen. "Jadi, metode kami adalah menggunakan gergaji lubang untuk membuat lubang berdiameter 3 inci. Kemudian, kami mencabut sumbat material yang rusak dan menggunakan penggiling pneumatik genggam untuk memproses scarf dengan rasio 12:1."
Crane menjelaskan bahwa untuk perbaikan serat karbon/epoksi, setelah material panel yang "rusak" dilepas dan scarf yang sesuai diterapkan, prepreg akan dipotong sesuai lebar dan panjang agar sesuai dengan lancip area yang rusak. "Untuk panel uji kami, ini membutuhkan empat lapisan prepreg agar material perbaikan tetap konsisten dengan bagian atas panel karbon asli yang tidak rusak. Setelah itu, tiga lapisan penutup prepreg karbon/epoksi dipusatkan pada bagian yang diperbaiki. Setiap lapisan selanjutnya memanjang 1 inci di semua sisi lapisan bawah, yang memberikan transfer beban secara bertahap dari material di sekitarnya yang "baik" ke area yang diperbaiki." Total waktu untuk melakukan perbaikan ini—termasuk persiapan area perbaikan, pemotongan dan penempatan material restorasi, dan penerapan prosedur curing—sekitar 2,5 jam.
Untuk prepreg serat karbon/epoksi, area perbaikan dikemas vakum dan diawetkan pada suhu 210°F/99°C selama satu jam menggunakan perekat termal bertenaga baterai.
Meskipun perbaikan karbon/epoksi sederhana dan cepat, tim menyadari perlunya solusi yang lebih praktis untuk memulihkan kinerja. Hal ini mendorong eksplorasi prepreg pengerasan ultraviolet (UV). "Ketertarikan pada resin vinil ester Sunrez didasarkan pada pengalaman angkatan laut sebelumnya dengan pendiri perusahaan, Mark Livesay," jelas Bergen. "Kami pertama kali menyediakan Sunrez dengan kain kaca kuasi-isotropik, menggunakan prepreg vinil ester mereka, dan mengevaluasi kurva pengerasan dalam berbagai kondisi. Selain itu, karena kami tahu bahwa resin vinil ester tidak memberikan kinerja adhesi sekunder yang sesuai seperti resin epoksi, diperlukan upaya tambahan untuk mengevaluasi berbagai agen pengikat lapisan perekat dan menentukan mana yang cocok untuk aplikasi tersebut."
Masalah lainnya adalah serat kaca tidak dapat memberikan sifat mekanis yang sama dengan serat karbon. "Dibandingkan dengan tambalan karbon/epoksi, masalah ini diatasi dengan menggunakan lapisan tambahan kaca/vinil ester," kata Crane. "Alasan mengapa hanya diperlukan satu lapisan tambahan adalah karena material kaca merupakan kain yang lebih berat." Hal ini menghasilkan tambalan yang sesuai yang dapat diaplikasikan dan dicampur dalam waktu enam menit, bahkan pada suhu lapangan yang sangat dingin/beku. Proses pengeringan tanpa pemanasan. Crane menunjukkan bahwa pekerjaan perbaikan ini dapat diselesaikan dalam waktu satu jam.
Kedua sistem tambalan telah didemonstrasikan dan diuji. Untuk setiap perbaikan, area yang akan rusak ditandai (langkah 1), dibuat dengan gergaji lubang, lalu dihilangkan menggunakan gerinda manual bertenaga baterai (langkah 2). Kemudian, potong area yang diperbaiki dengan rasio tirus 12:1. Bersihkan permukaan scarf dengan kapas alkohol (langkah 3). Selanjutnya, potong tambalan perbaikan sesuai ukuran tertentu, letakkan di atas permukaan yang telah dibersihkan (langkah 4), dan padatkan dengan roller untuk menghilangkan gelembung udara. Untuk prepreg vinil ester yang diawetkan dengan UV/serat kaca, letakkan lapisan pelepas pada area yang diperbaiki dan keringkan tambalan dengan lampu UV nirkabel selama enam menit (langkah 5). Untuk prepreg serat karbon/epoksi, gunakan alat pengikat termal bertenaga baterai satu tombol yang telah diprogram untuk mengemas dan mengeringkan area yang diperbaiki dengan vakum pada suhu 99°C selama satu jam.
Langkah 5. Setelah menempelkan lapisan pengelupasan pada area yang diperbaiki, gunakan lampu UV nirkabel untuk mengeringkan bagian yang diperbaiki selama 6 menit.
"Kemudian kami melakukan uji coba untuk mengevaluasi daya rekat tambalan dan kemampuannya memulihkan daya dukung struktur," ujar Bergen. "Pada tahap pertama, kami perlu membuktikan kemudahan aplikasi dan kemampuan untuk memulihkan setidaknya 75% kekuatannya. Hal ini dilakukan dengan pembengkokan empat titik pada balok inti serat karbon/resin epoksi dan balsa berukuran 4 x 48 inci setelah memperbaiki kerusakan yang disimulasikan. Ya. Tahap kedua proyek ini menggunakan panel berukuran 12 x 48 inci, dan harus menunjukkan persyaratan kekuatan lebih dari 90% di bawah beban regangan kompleks. Kami memenuhi semua persyaratan ini, lalu memotret metode perbaikan pada model AMCB. Bagaimana cara menggunakan teknologi dan peralatan lapangan untuk memberikan referensi visual?"
Aspek kunci dari proyek ini adalah membuktikan bahwa pemula dapat dengan mudah menyelesaikan perbaikan. Karena alasan ini, Bergen punya ide: “Saya telah berjanji untuk mendemonstrasikannya kepada dua kontak teknis kami di Angkatan Darat: Dr. Bernard Sia dan Ashley Genna. Dalam tinjauan akhir tahap pertama proyek, saya tidak meminta perbaikan. Ashley yang berpengalaman melakukan perbaikan. Dengan menggunakan kit dan manual yang kami sediakan, ia memasang tambalan dan menyelesaikan perbaikan tanpa masalah.”
Gambar 2 Mesin pengikat termal bertenaga baterai yang telah diprogram dan dikeringkan sebelumnya dapat mengeringkan tambalan perbaikan serat karbon/epoksi hanya dengan menekan tombol, tanpa memerlukan pengetahuan perbaikan atau pemrograman siklus pengeringan. Sumber gambar: Custom Technologies, LLC
Perkembangan penting lainnya adalah sistem curing bertenaga baterai (Gambar 2). "Melalui perawatan di lapangan, Anda hanya perlu menggunakan daya baterai," jelas Bergen. "Semua peralatan proses dalam kit perbaikan yang kami kembangkan bersifat nirkabel." Ini termasuk mesin pengikat termal bertenaga baterai yang dikembangkan bersama oleh Custom Technologies dan pemasok mesin pengikat termal WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, AS). "Mesin pengikat termal bertenaga baterai ini telah diprogram sebelumnya untuk menyelesaikan proses curing, sehingga pemula tidak perlu memprogram siklus curing," kata Crane. "Mereka hanya perlu menekan tombol untuk menyelesaikan proses ramp dan perendaman yang tepat." Baterai yang saat ini digunakan dapat bertahan selama satu tahun sebelum perlu diisi ulang.
Dengan selesainya fase kedua proyek ini, Custom Technologies sedang mempersiapkan proposal perbaikan lanjutan dan mengumpulkan surat-surat minat serta dukungan. "Tujuan kami adalah mematangkan teknologi ini hingga TRL 8 dan menerapkannya di lapangan," ujar Bergen. "Kami juga melihat potensi untuk aplikasi non-militer."
Menjelaskan seni lama di balik penguatan serat pertama di industri, dan memiliki pemahaman mendalam tentang ilmu serat baru dan pengembangan masa depan.
Segera hadir dan terbang untuk pertama kalinya, 787 mengandalkan inovasi dalam material dan proses komposit untuk mencapai tujuannya
Waktu posting: 02-Sep-2021