Penelitian asing di bidang material komposit untuk transit kereta api telah berlangsung selama hampir setengah abad.Meskipun perkembangan pesat transit kereta api dan kereta api berkecepatan tinggi di Cina dan penerapan material komposit domestik di bidang ini berjalan lancar, serat yang diperkuat dari material komposit yang banyak digunakan dalam transit kereta api asing lebih banyak serat kaca, yang berbeda dari bahwa komposit serat karbon di Cina.Seperti disebutkan dalam artikel ini, serat karbon kurang dari 10% dari bahan komposit untuk bodi yang dikembangkan oleh Perusahaan Komposit TPI, dan sisanya adalah serat kaca, sehingga dapat menyeimbangkan biaya sekaligus memastikan bobotnya ringan.Penggunaan serat karbon yang masif pasti menimbulkan kesulitan biaya, sehingga dapat digunakan di beberapa komponen struktural utama seperti bogie.
Selama lebih dari 50 tahun, Norplex-Micarta, pembuat komposit termoseting, telah memiliki bisnis yang stabil dalam membuat bahan untuk aplikasi transit kereta api, termasuk kereta api, sistem pengereman rel ringan, dan insulasi listrik untuk rel listrik yang ditinggikan.Namun saat ini, pasar perusahaan berkembang melampaui ceruk yang relatif sempit menjadi lebih banyak aplikasi seperti dinding, atap, dan lantai.
Dustin Davis, direktur pengembangan bisnis untuk Norplex-Micarta, yakin bahwa kereta api dan pasar transportasi massal lainnya akan semakin memberikan peluang bagi perusahaannya, serta pabrikan dan pemasok komposit lainnya, di tahun-tahun mendatang.Ada beberapa alasan untuk pertumbuhan yang diharapkan ini, salah satunya adalah penerapan standar Api EN 45545-2 di Eropa, yang memperkenalkan persyaratan perlindungan api, asap, dan gas (FST) yang lebih ketat untuk transportasi massal.Dengan menggunakan sistem resin fenolik, produsen komposit dapat menggabungkan sifat pelindung api dan asap yang diperlukan ke dalam produk mereka.
Selain itu, operator bus, kereta bawah tanah, dan kereta api mulai menyadari keunggulan material komposit dalam mengurangi getaran dan hiruk pikuk yang bising."Jika Anda pernah berada di kereta bawah tanah dan mendengar pelat logam berderak," kata Davis.Jika panelnya terbuat dari bahan komposit, itu akan meredam suara dan membuat kereta menjadi lebih senyap."
Bobot komposit yang lebih ringan juga membuatnya menarik bagi operator bus yang tertarik untuk mengurangi penggunaan bahan bakar dan memperluas jangkauannya.Dalam laporan September 2018, firma riset pasar Lucintel memperkirakan bahwa pasar global untuk komposit yang digunakan dalam transportasi massal dan kendaraan off-road akan tumbuh pada tingkat tahunan sebesar 4,6 persen antara 2018 dan 2023, dengan potensi nilai sebesar $1 miliar pada tahun 2023. Peluang akan datang dari berbagai aplikasi, termasuk bagian eksterior, interior, kap mesin dan powertrain, serta komponen kelistrikan.
Norplex-Micarta kini memproduksi suku cadang baru yang saat ini sedang diuji di jalur kereta ringan di Amerika Serikat.Selain itu, perusahaan terus fokus pada sistem elektrifikasi dengan bahan serat kontinu dan menggabungkannya dengan sistem resin yang lebih cepat kering."Anda dapat mengurangi biaya, meningkatkan produksi, dan menghadirkan fungsionalitas penuh fenolik FST ke pasar," jelas Davis.Sementara material komposit bisa lebih mahal daripada bagian logam serupa, Davis mengatakan biaya bukanlah faktor penentu aplikasi yang mereka pelajari.
Ringan dan tahan api
Perbaikan armada operator kereta api Eropa Duetsche Bahn yang terdiri dari 66 gerbong ICE-3 Express adalah salah satu kemampuan material komposit untuk memenuhi kebutuhan khusus pelanggan.Sistem AC, sistem hiburan penumpang, dan kursi baru menambah bobot yang tidak perlu pada gerbong ICE-3.Selain itu, lantai kayu lapis asli tidak memenuhi standar api Eropa yang baru.Perusahaan membutuhkan solusi lantai untuk membantu mengurangi berat dan memenuhi standar proteksi kebakaran.Lantai komposit ringan adalah jawabannya.
Saertex, produsen kain komposit yang berbasis di Jerman, menawarkan sistem material LEO® untuk lantainya.Daniel Stumpp, kepala pemasaran global di Saertex Group, mengatakan LEO adalah kain berlapis dan tidak berkerut yang menawarkan sifat mekanik lebih tinggi dan potensi ringan lebih besar daripada kain tenun.Sistem komposit empat komponen mencakup pelapis tahan api khusus, bahan yang diperkuat fiberglass, SAERfoam® (bahan inti dengan Jembatan Fiberglass 3D terintegrasi), dan resin vinil ester LEO.
SMT (juga berbasis di Jerman), produsen bahan komposit, menciptakan lantai melalui proses pengisian vakum menggunakan kantong vakum silikon yang dapat digunakan kembali yang dibuat oleh Alan Harper, sebuah perusahaan Inggris."Kami menghemat sekitar 50 persen berat dari kayu lapis sebelumnya," kata Stumpp."Sistem LEO didasarkan pada laminasi serat kontinu dengan sistem resin tanpa isi dengan sifat mekanik yang sangat baik... . Selain itu, komposit tidak membusuk, yang merupakan keuntungan besar, terutama di area yang bersalju di musim dingin dan lantainya basah."Lantai, karpet atas, dan bahan karet semuanya memenuhi standar tahan api yang baru.
SMT telah memproduksi lebih dari 32.000 kaki persegi panel, yang telah dipasang di sekitar sepertiga dari delapan rangkaian ICE-3 hingga saat ini.Selama proses perbaikan, ukuran setiap panel dioptimalkan agar sesuai dengan mobil tertentu.OEM sedan ICE-3 sangat terkesan dengan lantai komposit baru sehingga memerintahkan atap komposit untuk menggantikan sebagian struktur atap logam lama di gerbong kereta.
Pergi lebih jauh
Proterra, perancang dan produsen bus listrik nol-emisi yang berbasis di California, telah menggunakan bahan komposit di semua bodinya sejak 2009. Pada 2017, perusahaan mencetak rekor dengan berkendara sejauh 1.100 mil sekali jalan dengan Catalyst bertenaga baterai. ®E2 bus.Bus tersebut memiliki bodi ringan yang dibuat oleh produsen komposit TPI Composite.
* Baru-baru ini, TPI berkolaborasi dengan Proterra untuk memproduksi bus listrik komposit all-in-one terintegrasi."Dalam bus atau truk biasa, ada sasis, dan bodi berada di atas sasis tersebut," jelas Todd Altman, direktur pemasaran Strategis di TPI.Dengan desain bus bercangkang keras, kami menyatukan sasis dan bodi, serupa dengan desain mobil all-in-one." Struktur tunggal lebih efektif daripada dua struktur terpisah dalam memenuhi persyaratan kinerja.
Bodi cangkang tunggal Proterra dibuat khusus, dirancang dari awal untuk menjadi kendaraan listrik.Itu perbedaan penting, kata Altman, karena pengalaman banyak pembuat mobil dan pembuat bus listrik adalah mencoba upaya terbatas untuk mengadaptasi desain tradisional mereka untuk mesin pembakaran internal ke kendaraan listrik."Mereka menggunakan platform yang sudah ada dan mencoba mengemas baterai sebanyak mungkin. Itu tidak menawarkan solusi terbaik dari sudut pandang mana pun.""kata Altmann.
Banyak bus listrik, misalnya, memiliki baterai di belakang atau di atas kendaraan.Tapi untuk Proterra, TPI bisa memasang baterai di bawah bus."Jika Anda menambahkan banyak bobot pada struktur kendaraan, Anda ingin bobot itu seringan mungkin, baik dari sudut pandang performa maupun dari sudut pandang keselamatan," kata Altman.Dia mencatat bahwa banyak produsen bus dan mobil listrik sekarang kembali ke papan gambar untuk mengembangkan desain yang lebih efisien dan terarah untuk kendaraan mereka.
TPI telah menandatangani perjanjian lima tahun dengan Proterra untuk memproduksi hingga 3.350 badan bus komposit di fasilitas TPI di Iowa dan Rhode Island.
Perlu menyesuaikan
Merancang bodi bus Catalyst mengharuskan TPI dan Proterra secara konstan menyeimbangkan kekuatan dan kelemahan dari semua material yang berbeda sehingga mereka dapat memenuhi sasaran biaya sambil mencapai kinerja yang optimal.Altman mencatat bahwa pengalaman TPI dalam memproduksi bilah angin besar dengan panjang sekitar 200 kaki dan berat 25.000 pon membuatnya relatif mudah bagi mereka untuk memproduksi badan bus berukuran 40 kaki dengan berat antara 6.000 dan 10.000 pon.
TPI dapat memperoleh kekuatan struktural yang dibutuhkan dengan menggunakan serat karbon secara selektif dan mempertahankannya untuk memperkuat area yang menanggung beban terbesar."Kami menggunakan serat karbon di mana pada dasarnya Anda bisa membeli mobil," kata Altman.Secara keseluruhan, serat karbon membentuk kurang dari 10 persen bahan penguat komposit tubuh, dan sisanya adalah serat kaca.
TPI memilih resin vinil ester karena alasan yang sama.“Kalau kita lihat epoxies memang bagus, tapi kalau diawetkan harus dinaikkan suhunya, jadi harus panaskan cetakannya. Itu biaya tambahan,” lanjutnya.
Perusahaan menggunakan pencetakan transfer resin dengan bantuan vakum (VARTM) untuk menghasilkan struktur sandwich komposit yang memberikan kekakuan yang diperlukan pada satu cangkang.Selama proses pembuatan, beberapa fiting logam (seperti fiting berulir dan pelat sadap) dimasukkan ke dalam bodi.Bus dibagi menjadi bagian atas dan bawah, yang kemudian direkatkan.Pekerja nantinya harus menambahkan hiasan komposit kecil seperti fairing, tetapi jumlah bagiannya adalah sebagian kecil dari bus logam.
Setelah mengirim bodi jadi ke pabrik produksi bus Proterra, jalur produksi mengalir lebih cepat karena lebih sedikit pekerjaan yang harus dilakukan."Mereka tidak harus melakukan semua pengelasan, penggilingan, dan pembuatan, dan mereka memiliki antarmuka yang sangat sederhana untuk menghubungkan bodi ke drivetrain," tambah Altman.Proterra menghemat waktu dan mengurangi biaya overhead karena lebih sedikit ruang produksi yang diperlukan untuk cangkang monokotik.
Altman yakin permintaan badan bus komposit akan terus tumbuh karena kota-kota beralih ke bus listrik untuk mengurangi polusi dan memangkas biaya.Menurut Proterra, kendaraan listrik baterai memiliki biaya siklus hidup operasi terendah (12 tahun) dibandingkan dengan bus diesel, gas alam terkompresi, atau bus hibrida diesel.Itu mungkin salah satu alasan mengapa Proterra mengatakan penjualan bus listrik bertenaga baterai sekarang mencapai 10% dari total pasar transportasi.
Masih terdapat beberapa kendala dalam penerapan material komposit secara luas pada bodi bus listrik.Salah satunya adalah spesialisasi kebutuhan pelanggan bus yang berbeda."Setiap otoritas transit ingin mendapatkan bus dengan cara yang berbeda -- konfigurasi kursi, bukaan palka. Ini merupakan tantangan besar bagi produsen bus, dan banyak dari item konfigurasi tersebut dapat diberikan kepada kami.""Kata Altman. "Produsen bodi terintegrasi ingin memiliki bentuk standar, tetapi jika setiap pelanggan menginginkan penyesuaian tingkat tinggi, itu akan sulit dilakukan." TPI terus bekerja sama dengan Proterra untuk menyempurnakan desain bus agar dapat dikelola dengan lebih baik. fleksibilitas yang dibutuhkan oleh pelanggan akhir.
Jelajahi kemungkinannya
Komposit terus menguji apakah materialnya cocok untuk aplikasi transportasi massal baru.Di Inggris, ELG Carbon Fibre, yang berspesialisasi dalam teknologi untuk mendaur ulang dan menggunakan kembali serat karbon, memimpin konsorsium perusahaan yang mengembangkan material komposit ringan untuk bogie di mobil penumpang.Bogie menopang bodi mobil, memandu rangkaian roda, dan menjaga stabilitasnya.Mereka membantu meningkatkan kenyamanan berkendara dengan menyerap getaran rel dan meminimalkan gaya sentrifugal saat kereta berputar.
Salah satu tujuan dari proyek ini adalah untuk menghasilkan bogie yang 50 persen lebih ringan dari bogie logam yang sebanding."Jika bogie lebih ringan, kerusakan trek akan lebih sedikit, dan karena beban di trek akan lebih rendah, waktu perawatan dan biaya perawatan dapat dikurangi," kata Camille Seurat, insinyur pengembangan produk ELG.Tujuan tambahannya adalah untuk mengurangi gaya roda samping ke rel sebesar 40% dan menyediakan pemantauan kondisi seumur hidup.Dewan Keamanan dan Standar Rel Kereta Api (RSSB) nirlaba Inggris mendanai proyek tersebut dengan tujuan menghasilkan produk yang layak secara komersial.
Uji coba pembuatan yang ekstensif telah dilakukan dan sejumlah panel uji telah dibuat menggunakan prepreg dari pengepresan mati, layup basah konvensional, perfusi, dan autoklaf.Karena produksi bogie akan terbatas, perusahaan memilih prepreg epoksi yang diawetkan dalam autoklaf sebagai metode konstruksi yang paling hemat biaya.
Prototipe bogie ukuran penuh memiliki panjang 8,8 kaki, lebar 6,7 kaki, dan tinggi 2,8 kaki.Itu terbuat dari kombinasi serat karbon daur ulang (bantalan bukan tenunan yang disediakan oleh ELG) dan kain serat karbon mentah.Serat satu arah akan digunakan untuk elemen kekuatan utama dan akan ditempatkan di cetakan menggunakan teknologi robot.Sebuah epoksi dengan sifat mekanik yang baik akan dipilih, yang akan menjadi epoksi tahan api yang baru diformulasikan yang telah disertifikasi EN45545-2 untuk digunakan pada perkeretaapian.
Tidak seperti bogie baja, yang dilas dari balok kemudi ke dua balok samping, bogie komposit akan dibuat dengan bagian atas dan bawah berbeda yang kemudian disatukan.Untuk mengganti bogie logam yang ada, versi komposit harus menggabungkan braket sambungan suspensi dan rem serta aksesori lain di posisi yang sama.“Untuk saat ini, kami telah memilih untuk mempertahankan fitting baja, namun untuk proyek selanjutnya, mungkin menarik untuk mengganti fitting baja dengan fitting tipe komposit sehingga kami dapat mengurangi bobot akhir lebih lanjut,” kata Seurat.
Anggota konsorsium dari Sensors and Composites Group di University of Birmingham sedang mengawasi pengembangan sensor, yang akan diintegrasikan ke dalam bogie komposit pada tahap pembuatan."Sebagian besar sensor akan fokus pada pemantauan ketegangan pada titik-titik diskrit pada bogie, sementara yang lain untuk penginderaan suhu," kata Seurat.Sensor akan memungkinkan pemantauan struktur komposit secara real-time, memungkinkan pengumpulan data beban seumur hidup.Ini akan memberikan informasi berharga tentang beban puncak dan kelelahan jangka panjang.
Studi awal menunjukkan bahwa bogie komposit harus mampu mencapai pengurangan berat yang diinginkan sebesar 50%.Tim proyek berharap memiliki bogie besar yang siap untuk diuji pada pertengahan 2019.Jika prototipe bekerja seperti yang diharapkan, mereka akan menghasilkan lebih banyak bogie untuk menguji trem yang dibuat oleh Alstom, perusahaan transportasi kereta api.
Menurut Seurat, meskipun masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan, indikasi awal menunjukkan bahwa membangun bogie komposit yang layak secara komersial dapat bersaing dengan bogie logam dalam hal biaya dan kekuatan.“Kemudian menurut saya ada banyak pilihan dan aplikasi potensial untuk komposit di industri perkeretaapian,” tambahnya.(Artikel dicetak ulang dari Serat Karbon dan Teknologi Kompositnya oleh Dr. Qian Xin).
Waktu posting: Mar-07-2023