Kitul portabil poate fi reparat cu prepreg din fibră de sticlă/vinil ester sau fibră de carbon/răspumină epoxidică, polimerizabil cu UV, depozitat la temperatura camerei și cu echipament de polimerizare alimentat cu baterii. #insidemanufacturing #infrastructură
Reparare peticoasă cu prepreg, polimerizabil cu UV Deși repararea cu prepreg din fibră de carbon/rășină epoxidică dezvoltată de Custom Technologies LLC pentru podul compozit infield s-a dovedit a fi simplă și rapidă, utilizarea rășinii vinilesterice Prepreg armate cu fibră de sticlă, polimerizabile cu UV, a dezvoltat un sistem mai convenabil. Sursa imaginii: Custom Technologies LLC
Podurile modulare desfășurabile sunt active esențiale pentru operațiunile tactice militare și logistică, precum și pentru restaurarea infrastructurii de transport în timpul dezastrelor naturale. Se studiază structuri compozite pentru a reduce greutatea acestor poduri, reducând astfel sarcina asupra vehiculelor de transport și a mecanismelor de lansare-recuperare. Comparativ cu podurile metalice, materialele compozite au, de asemenea, potențialul de a crește capacitatea portantă și de a prelungi durata de viață.
Podul compozit modular avansat (AMCB) este un exemplu. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, SUA) și Materials Sciences LLC (Horsham, PA, SUA) utilizează laminate epoxidice armate cu fibre de carbon (Figura 1). ) Proiectare și construcție). Cu toate acestea, capacitatea de a repara astfel de structuri pe teren a fost o problemă care împiedică adoptarea materialelor compozite.
Figura 1 Pod compozit, element cheie în teren Podul compozit modular avansat (AMCB) a fost proiectat și construit de Seemann Composites LLC și Materials Sciences LLC folosind compozite de rășină epoxidică armate cu fibră de carbon. Sursa imaginii: Seeman Composites LLC (stânga) și Armata SUA (dreapta).
În 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, SUA) a primit o subvenție finanțată de Armata SUA în cadrul programului Small Business Innovation Research (SBIR) Faza 1, pentru a dezvolta o metodă de reparare care poate fi efectuată cu succes la fața locului de către soldați. Pe baza acestei abordări, a doua fază a subvenției SBIR a fost acordată în 2018 pentru a prezenta materiale noi și echipamente alimentate cu baterii. Chiar dacă repararea este efectuată de un novice fără instruire prealabilă, 90% sau mai mult din structură poate fi restaurată din rezistența brută. Fezabilitatea tehnologiei este determinată prin efectuarea unei serii de analize, selecția materialelor, fabricarea specimenelor și sarcini de testare mecanică, precum și reparații la scară mică și la scară completă.
Principalul cercetător în cele două faze SBIR este Michael Bergen, fondatorul și președintele Custom Technologies LLC. Bergen s-a pensionat de la Carderock din cadrul Centrului Naval de Război de Suprafață (NSWC) și a lucrat în Departamentul de Structuri și Materiale timp de 27 de ani, unde a gestionat dezvoltarea și aplicarea tehnologiilor compozite în flota Marinei SUA. Dr. Roger Crane s-a alăturat Custom Technologies în 2015, după ce s-a pensionat din Marina SUA în 2011 și a lucrat în acest domeniu timp de 32 de ani. Expertiza sa în materiale compozite include publicații tehnice și brevete, acoperind subiecte precum materiale compozite noi, fabricarea de prototipuri, metode de conectare, materiale compozite multifuncționale, monitorizarea stării structurale și restaurarea materialelor compozite.
Cei doi experți au dezvoltat un proces unic care utilizează materiale compozite pentru a repara fisurile din suprastructura de aluminiu a crucișătorului cu rachete ghidate din clasa Ticonderoga CG-47 5456. „Procesul a fost dezvoltat pentru a reduce creșterea fisurilor și pentru a servi ca o alternativă economică la înlocuirea unei plăci de platformă de 2 până la 4 milioane de dolari”, a spus Bergen. „Așadar, am demonstrat că știm cum să efectuăm reparații în afara laboratorului și într-un mediu de service real. Dar provocarea este că metodele actuale de utilizare a activelor militare nu au prea mult succes. Opțiunea este repararea duplex lipită [practic, în zonele deteriorate, lipirea unei plăci deasupra] sau scoaterea activului din serviciu pentru reparații la nivel de depozit (nivel D). Deoarece sunt necesare reparații la nivel D, multe active sunt puse deoparte.”
El a continuat spunând că ceea ce este nevoie este o metodă care poate fi aplicată de soldați fără experiență în materiale compozite, folosind doar kituri și manuale de întreținere. Scopul nostru este să simplificăm procesul: citiți manualul, evaluați daunele și efectuați reparațiile. Nu dorim să amestecăm rășini lichide, deoarece acest lucru necesită măsurători precise pentru a asigura o întărire completă. De asemenea, avem nevoie de un sistem fără deșeuri periculoase după finalizarea reparațiilor. Și trebuie să fie ambalat ca un kit care poate fi implementat de rețeaua existentă.
O soluție demonstrată cu succes de Custom Technologies este un kit portabil care utilizează un adeziv epoxidic întărit pentru a personaliza peticul compozit adeziv în funcție de dimensiunea daunei (până la 30 cm pătrați). Demonstrația a fost realizată pe un material compozit care reprezintă o platformă AMCB cu grosimea de 7,6 cm. Materialul compozit are un miez de lemn de balsa cu grosimea de 7,6 cm (densitate de 7,2 kg pe picior cub) și două straturi de țesătură cusută biaxială Vectorply (Phoenix, Arizona, SUA) C-LT 1100 din fibră de carbon 0°/90°, un strat de fibră de carbon C-TLX 1900 0°/+45°/-45°, trei tije și două straturi de C-LT 1100, în total cinci straturi. „Am decis ca kitul să utilizeze petice prefabricate într-un laminat cvasi-izotrop, similar unui laminat multi-axe, astfel încât direcția țesăturii să nu fie o problemă”, a spus Crane.
Următoarea problemă este matricea de rășină utilizată pentru repararea laminatelor. Pentru a evita amestecarea rășinii lichide, peticul va folosi prepreg. „Totuși, aceste provocări apar în ceea ce privește depozitarea”, a explicat Bergen. Pentru a dezvolta o soluție de petic care să poată fi depozitat, Custom Technologies a încheiat un parteneriat cu Sunrez Corp. (El Cajon, California, SUA) pentru a dezvolta un prepreg din fibră de sticlă/ester vinilic care poate utiliza lumina ultravioletă (UV) în șase minute de fotopolimerizare. De asemenea, a colaborat cu Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, SUA), care a sugerat utilizarea unei noi pelicule epoxidice flexibile.
Studiile timpurii au arătat că rășina epoxidică este cea mai potrivită rășină pentru prepreg-urile din fibră de carbon - esterul vinilic polimerizabil cu UV și fibra de sticlă translucidă funcționează bine, dar nu se polimerizează sub fibră de carbon care blochează lumina. Pe baza noii pelicule de la Gougeon Brothers, prepreg-ul epoxidic final se polimerizează timp de 1 oră la 99°C și are o durată lungă de valabilitate la temperatura camerei - nu este nevoie de depozitare la temperatură scăzută. Bergen a spus că, dacă este necesară o temperatură de tranziție vitroasă (Tg) mai mare, rășina se va polimeriza și la o temperatură mai mare, cum ar fi 177°C. Ambele prepreg-uri sunt furnizate într-un kit de reparații portabil, sub forma unei stive de petice prepreg sigilate într-un plic de folie de plastic.
Întrucât kitul de reparații poate fi depozitat pentru o perioadă lungă de timp, Custom Technologies este obligată să efectueze un studiu privind durata de valabilitate. „Am achiziționat patru carcase din plastic dur - un tip militar tipic utilizat în echipamentele de transport - și am pus mostre de adeziv epoxidic și prepreg din ester vinilic în fiecare carcasă”, a spus Bergen. Cutiile au fost apoi plasate în patru locații diferite pentru testare: acoperișul fabricii Gougeon Brothers din Michigan, acoperișul aeroportului din Maryland, instalația exterioară din Yucca Valley (deșertul California) și laboratorul exterior de testare a coroziunii din sudul Floridei. Toate carcasele au înregistratoare de date, subliniază Bergen, „Preluăm mostre de date și materiale pentru evaluare la fiecare trei luni. Temperatura maximă înregistrată în cutii în Florida și California este de 60°C, ceea ce este bun pentru majoritatea rășinilor de restaurare. Este o adevărată provocare.” În plus, Gougeon Brothers a testat intern rășina epoxidică pură nou dezvoltată. „Probele care au fost plasate într-un cuptor la 50°C timp de câteva luni încep să polimerizeze”, a spus Bergen. „Totuși, pentru probele corespunzătoare păstrate la 43°C, compoziția chimică a rășinii s-a îmbunătățit doar puțin.”
Reparația a fost verificată pe placa de testare și pe această machetă la scară a AMCB, care a folosit același laminat și material de miez ca și puntea originală construită de Seemann Composites. Sursa imaginii: Custom Technologies LLC
Pentru a demonstra tehnica de reparare, trebuie fabricat, deteriorat și reparat un laminat reprezentativ. „În prima fază a proiectului, am folosit inițial grinzi la scară mică de 4 x 48 de inci și teste de încovoiere în patru puncte pentru a evalua fezabilitatea procesului nostru de reparare”, a spus Klein. „Apoi, am trecut la panouri de 12 x 48 de inci în a doua fază a proiectului, am aplicat încărcări pentru a genera o stare de solicitare biaxială care să provoace defectarea și apoi am evaluat performanța reparației. În a doua fază, am finalizat și modelul AMCB pe care l-am construit pentru Întreținere.”
Bergen a spus că panoul de testare folosit pentru a demonstra performanța reparației a fost fabricat folosind aceeași linie de laminate și materiale de miez ca AMCB fabricat de Seemann Composites, „dar am redus grosimea panoului de la 0,375 inci la 0,175 inci, pe baza teoremei axelor paralele. Acesta este cazul. Metoda, împreună cu elementele suplimentare ale teoriei grinzilor și teoriei clasice a laminatelor [CLT], a fost utilizată pentru a lega momentul de inerție și rigiditatea efectivă a AMCB la scară completă cu un produs demonstrativ de dimensiuni mai mici, care este mai ușor de manevrat și mai rentabil. Apoi, am furnizat modelul de analiză cu elemente finite [FEA] dezvoltat de XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, SUA) pentru a îmbunătăți proiectarea reparațiilor structurale.” Materialul din fibră de carbon utilizat pentru panourile de testare și modelul AMCB a fost achiziționat de la Vectorply, iar miezul de balsa a fost fabricat de Core Composites (Bristol, RI, SUA).
Pasul 1. Acest panou de testare afișează un diametru al găurii de 3 inci pentru a simula deteriorarea marcată în centru și a repara circumferința. Sursa fotografiei pentru toți pașii: Custom Technologies LLC.
Pasul 2. Folosiți o polizor manuală alimentată cu baterii pentru a îndepărta materialul deteriorat și închideți zona de reparare cu o conicitate de 12:1.
„Dorim să simulăm un grad mai mare de deteriorare pe placa de testare decât s-ar putea observa pe tablierul podului pe teren”, a explicat Bergen. „Așadar, metoda noastră este de a folosi o carotă pentru a face o gaură cu diametrul de 7,6 cm. Apoi, scoatem dopul din materialul deteriorat și folosim o polizor pneumatic manual pentru a prelucra o gaură de 12:1.”
Crane a explicat că, pentru repararea cu fibră de carbon/rășină epoxidică, odată ce materialul panoului „deteriorat” este îndepărtat și se aplică o folie adecvată, prepreg-ul va fi tăiat la lățimea și lungimea necesare pentru a se potrivi cu conicitatea zonei deteriorate. „Pentru panoul nostru de testare, este nevoie de patru straturi de prepreg pentru a menține materialul de reparare în concordanță cu partea superioară a panoului original de carbon nedeteriorat. După aceea, cele trei straturi de acoperire de prepreg carbon/rășină epoxidică sunt concentrate pe această parte reparată. Fiecare strat succesiv se extinde 2,5 cm pe toate laturile stratului inferior, ceea ce asigură un transfer treptat al sarcinii de la materialul „bun” din jur la zona reparată.” Timpul total pentru efectuarea acestei reparații - inclusiv pregătirea zonei de reparare, tăierea și plasarea materialului de restaurare și aplicarea procedurii de întărire - este de aproximativ 2,5 ore.
Pentru prepreg-ul din fibră de carbon/rășină epoxidică, zona de reparare este ambalată în vid și întărită la 99°C timp de o oră, folosind un aparat de lipire termică alimentat cu baterii.
Deși repararea carbonului/rășinii epoxidice este simplă și rapidă, echipa a recunoscut necesitatea unei soluții mai convenabile pentru a restabili performanța. Acest lucru a dus la explorarea prepreg-urilor cu întărire ultravioletă (UV). „Interesul pentru rășinile vinil esterice Sunrez se bazează pe experiența navală anterioară cu fondatorul companiei, Mark Livesay”, a explicat Bergen. „Mai întâi am furnizat companiei Sunrez o țesătură de sticlă cvasi-izotropă, folosind prepreg-ul lor vinil esteric, și am evaluat curba de întărire în diferite condiții. În plus, deoarece știm că rășina vinil esterică nu este ca rășina epoxidică, ceea ce oferă performanțe de aderență secundară adecvate, sunt necesare eforturi suplimentare pentru a evalua diferiți agenți de cuplare a straturilor adezive și a determina care dintre ei este potrivit pentru aplicație.”
O altă problemă este că fibrele de sticlă nu pot oferi aceleași proprietăți mecanice ca fibrele de carbon. „Comparativ cu peticele de carbon/rășină epoxidică, această problemă este rezolvată prin utilizarea unui strat suplimentar de sticlă/vinil ester”, a spus Crane. „Motivul pentru care este necesar un singur strat suplimentar este că materialul din sticlă este o țesătură mai grea.” Acest lucru produce un petic adecvat care poate fi aplicat și combinat în șase minute, chiar și la temperaturi foarte scăzute/de îngheț în interiorul terenului. Întărire fără a furniza căldură. Crane a subliniat că aceste lucrări de reparații pot fi finalizate în decurs de o oră.
Ambele sisteme de petice au fost demonstrate și testate. Pentru fiecare reparație, zona care urmează a fi deteriorată este marcată (pasul 1), creată cu un ferăstrău circular și apoi îndepărtată folosind o polizor manuală alimentată cu baterii (pasul 2). Apoi, tăiați zona reparată într-o conicitate de 12:1. Curățați suprafața eșarfei cu o burete îmbibat cu alcool (pasul 3). Apoi, tăiați peticul de reparare la o anumită dimensiune, așezați-l pe suprafața curățată (pasul 4) și consolidați-l cu o rolă pentru a îndepărta bulele de aer. Pentru prepreg-ul din fibră de sticlă/vinil ester cu întărire UV, aplicați stratul de detașare pe zona reparată și întăriți peticul cu o lampă UV fără fir timp de șase minute (pasul 5). Pentru prepreg-ul din fibră de carbon/răspoxid, utilizați un aparat de lipire termică preprogramat, cu un singur buton, alimentat cu baterii, pentru a ambala în vid și a întări zona reparată la 99°C timp de o oră.
Pasul 5. După aplicarea stratului de exfoliere pe zona reparată, utilizați o lampă UV fără fir pentru a întări plasturele timp de 6 minute.
„Apoi am efectuat teste pentru a evalua aderența plasturelui și capacitatea sa de a restabili capacitatea portantă a structurii”, a spus Bergen. „În prima etapă, trebuie să dovedim ușurința aplicării și capacitatea de a recupera cel puțin 75% din rezistență. Acest lucru se realizează prin îndoire în patru puncte pe o grindă cu miez de fibră de carbon/rășină epoxidică și balsa de 4 x 48 inci, după repararea daunelor simulate. Da. A doua fază a proiectului a folosit un panou de 12 x 48 inci și trebuie să prezinte cerințe de rezistență de peste 90% sub sarcini complexe. Am îndeplinit toate aceste cerințe, apoi am fotografiat metodele de reparare pe modelul AMCB. Cum se utilizează tehnologia și echipamentele din teren pentru a oferi o referință vizuală.”
Un aspect cheie al proiectului este de a demonstra că și începătorii pot finaliza reparația cu ușurință. Din acest motiv, Bergen a avut o idee: „Am promis să le demonstrez celor două persoane de contact tehnice din Armată: Dr. Bernard Sia și Ashley Genna. În analiza finală a primei faze a proiectului, nu am cerut nicio reparație. Experimentata Ashley a efectuat reparația. Folosind kitul și manualul pe care i le-am furnizat, a aplicat plasturele și a finalizat reparația fără nicio problemă.”
Figura 2 Mașina de lipire termică alimentată de baterii, preprogramată pentru întărire, poate întări zona de reparare din fibră de carbon/rășină epoxidică prin simpla apăsare a unui buton, fără a fi nevoie de cunoștințe de reparații sau de programarea ciclului de întărire. Sursa imaginii: Custom Technologies, LLC
O altă dezvoltare cheie este sistemul de întărire alimentat de baterii (Figura 2). „Prin întreținerea pe teren, aveți doar energie de la baterie”, a subliniat Bergen. „Tot echipamentul de proces din kitul de reparații pe care l-am dezvoltat este wireless.” Aceasta include mașina de lipire termică alimentată de baterii, dezvoltată în comun de Custom Technologies și furnizorul de mașini de lipire termică WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, SUA). „Această mașină de lipire termică alimentată de baterii este preprogramată pentru a finaliza întărirea, astfel încât începătorii nu trebuie să programeze ciclul de întărire”, a spus Crane. „Trebuie doar să apese un buton pentru a finaliza rampa și impregnarea corespunzătoare.” Bateriile utilizate în prezent pot dura un an înainte de a fi nevoie să fie reîncărcate.
Odată cu finalizarea celei de-a doua faze a proiectului, Custom Technologies pregătește propuneri de îmbunătățire ulterioară și colectează scrisori de interes și susținere. „Scopul nostru este să maturizăm această tehnologie la TRL 8 și să o aducem pe teren”, a spus Bergen. „De asemenea, vedem potențialul pentru aplicații non-militare.”
Explică arta veche din spatele primei armături cu fibre din industrie și are o înțelegere aprofundată a noii științe a fibrelor și a dezvoltărilor viitoare.
În curând și zburând pentru prima dată, 787 se bazează pe inovații în materiale și procese compozite pentru a-și atinge obiectivele.
Data publicării: 02 septembrie 2021