Kitul portabil poate fi reparat cu fibră de sticlă/ester din fibră de vinil sau din fibră de carbon/epoxidică prepreg, stocate la temperatura camerei și echipamente de întărire alimentate cu baterii. #InSIDIDENufacturing #infrastructure
Repararea plasturelor prepreg-rezistente la UV Deși reparația din fibră de carbon/epoxid prepreg dezvoltată de Custom Technologies LLC pentru podul compozit infield s-a dovedit a fi simplă și rapidă, utilizarea rășinii de vinil de vinil, consolidată cu fibră de sticlă, a dezvoltat un sistem mai convenabil . Sursa imaginii: Custom Technologies LLC
Podurile modulare implementate sunt active critice pentru operațiunile și logistica tactică militară, precum și restaurarea infrastructurii de transport în timpul dezastrelor naturale. Structurile compozite sunt studiate pentru a reduce greutatea acestor poduri, reducând astfel povara asupra vehiculelor de transport și a mecanismelor de recuperare a lansării. În comparație cu podurile metalice, materialele compuse au, de asemenea, potențialul de a crește capacitatea de încărcare și de a prelungi durata de viață.
Podul compozit modular avansat (AMCB) este un exemplu. Seensann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, SUA) și Materials Sciences LLC (Horsham, PA, SUA) folosesc laminate epoxidice consolidate cu fibre de carbon (figura 1). ) Proiectare și construcție). Cu toate acestea, capacitatea de a repara astfel de structuri în domeniu a fost o problemă care împiedică adoptarea de materiale compozite.
Figura 1 Podul compozit, podul cheie al compozitului avansat de activ (AMCB) a fost proiectat și construit de Seensann Composites LLC și Materials Sciences LLC folosind compozite de rășină epoxidică armată cu fibră de carbon. Sursa imaginii: Seeman Composites LLC (stânga) și armata americană (dreapta).
În 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, SUA) a primit o subvenție 1 de cercetare a inovației pentru inovații mici (SBIR), finanțată de Armate Small Business (SBIR), finanțată de Army pentru a dezvolta o metodă de reparație 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 de baterii, chiar dacă plasturele este efectuat de un novice fără antrenament prealabil, 90% sau mai mult din structură pot fi restabilite RAW RAW rezistenţă. Fezabilitatea tehnologiei este determinată prin efectuarea unei serii de analize, selecție de materiale, fabricare de eșantioane 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 retras din Carderock de la Centrul de război de suprafață naval (NSWC) și a servit în Departamentul de Structuri și Materiale timp de 27 de ani, unde a gestionat dezvoltarea și aplicarea tehnologiilor compuse în flota Marinei SUA. Dr. Roger Crane s -a alăturat Custom Technologies în 2015, după ce s -a retras din Marina SUA în 2011 și a servit timp de 32 de ani. Experiența sa în materiale compozite include publicații tehnice și brevete, care acoperă subiecte precum materiale compuse noi, fabricare de prototipuri, metode de conectare, materiale compuse multifuncționale, monitorizare a sănătății structurale și restaurare a materialelor compuse.
Cei doi experți au dezvoltat un proces unic care folosește materiale compozite pentru a repara fisurile din suprastructura de aluminiu a Ticonderoga CG-47 Guided Missile Cruiser 5456. „Procesul a fost dezvoltat pentru a reduce creșterea fisurilor și pentru a servi ca alternativ economic la înlocuirea unei plăci de platformă de 2 până la 4 milioane de dolari ”, a spus Bergen. „Așa că am dovedit că știm cum să efectuăm reparații în afara laboratorului și într -un mediu de servicii real. Dar provocarea este că metodele actuale de active militare nu au un mare succes. Opțiunea este repararea duplexului legat [practic în zonele deteriorate lipit o placă în partea de sus] sau eliminați activul din serviciul pentru reparațiile la nivel de depozit (la nivel D). Deoarece sunt necesare reparații la nivel D, multe active sunt lăsate deoparte. ”
El a continuat să spună că ceea ce este necesar este o metodă care poate fi realizată de soldați fără experiență în materiale compuse, folosind doar kituri și manuale de întreținere. Scopul nostru este să facem procesul simplu: citiți manualul, evaluați daunele și efectuați reparații. Nu dorim să amestecăm rășini lichide, deoarece acest lucru necesită o măsurare precisă pentru a asigura vindecarea 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 pe care tehnologiile personalizate au demonstrat -o cu succes este un kit portabil care folosește un adeziv epoxidic întărit pentru a personaliza plasturele compozit adeziv în funcție de dimensiunea daunelor (până la 12 centimetri pătrați). Demonstrația a fost completată pe un material compozit reprezentând o punte AMCB groasă de 3 inci. Materialul compozit are un miez de lemn de balsa gros de 3 inci (15 kilograme pe densitate cubică a piciorului) și două straturi de vectorply (Phoenix, Arizona, SUA) C -LT 1100 Fibre de carbon 0 °/90 ° Biaxial Custed, un strat de strat de C-TLX 1900 Fibre de carbon 0 °/+45 °/-45 ° trei arbori și două straturi de C-LT 1100, un total de cinci straturi. „Am decis că kitul va folosi patch-uri prefabricate într-un laminat cvasi-izotropic similar cu o mai axă, astfel încât direcția țesăturii să nu fie o problemă”, a spus Crane.
Următoarea problemă este matricea de rășină folosită pentru repararea laminatului. Pentru a evita amestecarea rășinii lichide, plasturele va folosi Prepreg. „Cu toate acestea, aceste provocări sunt depozitare”, a explicat Bergen. Pentru a dezvolta o soluție de patch -uri stomabile, Custom Technologies s -a asociat cu Sunrez Corp. (El Cajon, California, SUA) pentru a dezvolta o fibră de sticlă/ester de vinil prepreg, care poate folosi Ultraviolet Light (UV) în șase minute întărirea luminii. De asemenea, a colaborat cu Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, SUA), care a sugerat utilizarea unui nou film epoxidic flexibil.
Studiile timpurii au arătat că rășina epoxidică este cea mai potrivită rășină pentru fibra de carbon prepregs-uv-rezistentă la ester de vinil și fibră de sticlă translucidă funcționează bine, dar nu se vindecă sub fibră de carbon cu blocare ușoară. Pe baza noului film al lui Gougeon Brothers, prepregul epoxid final este vindecat timp de 1 oră la 210 ° f/99 ° C și are o durată de valabilitate lungă la temperatura camerei, nu este nevoie de depozitare la temperaturi scăzute. Bergen a spus că, dacă este necesară o temperatură mai mare de tranziție a sticlei (TG), rășina va fi vindecată și la o temperatură mai ridicată, cum ar fi 350 ° F/177 ° C. Ambele prepreguri sunt furnizate într -un kit de reparații portabile ca o stivă de patch -uri prepreg sigilate într -un plic de film de plastic.
Deoarece kitul de reparații poate fi păstrat mult timp, tehnologiile personalizate sunt necesare pentru a efectua un studiu de valabilitate. „Am achiziționat patru incinte din plastic dur - un tip militar tipic utilizat în echipamentele de transport - și am pus probe de adeziv epoxidic și ester de vinil prepreg în fiecare incintă”, 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 în aer liber din Valea Yucca (deșertul din California) și laboratorul de testare a coroziunii în aer liber din sudul Florida. Toate cazurile au jurnaliști de date, subliniază Bergen: „Luăm date de date și materiale pentru evaluare la fiecare trei luni. Temperatura maximă înregistrată în cutii din Florida și California este de 140 ° F, ceea ce este bun pentru majoritatea rășinilor de restaurare. Este o adevărată provocare. ” În plus, Gougeon Brothers a testat intern rășina epoxidică pură recent dezvoltată. „Probele care au fost introduse într -un cuptor la 120 ° F timp de câteva luni încep să polimerizeze”, a spus Bergen. „Cu toate acestea, pentru eșantioanele corespunzătoare menținute la 110 ° F, chimia de rășină s -a îmbunătățit doar cu o cantitate mică.”
Reparația a fost verificată pe placa de testare și acest model de scară a AMCB, care a folosit același material laminat și miez ca podul original construit de compozitele Seemann. Sursa imaginii: Custom Technologies LLC
Pentru a demonstra tehnica de reparație, trebuie fabricat, deteriorat și reparată un laminat reprezentativ. „În prima fază a proiectului, am folosit inițial grinzi la scară mică de 4 x 48 inch și teste de îndoire în patru puncte pentru a evalua fezabilitatea procesului nostru de reparație”, a spus Klein. „Apoi, am trecut la panouri de 12 x 48 inch în a doua fază a proiectului, am aplicat sarcini pentru a genera o stare de stres biaxial pentru a provoca eșec, apoi am evaluat performanța de reparație. În a doua fază, am finalizat și modelul AMCB pe care l -am construit întreținere. ”
Bergen a spus că panoul de testare folosit pentru a demonstra performanța de reparație a fost fabricat folosind aceeași linie de laminate și materiale de miez ca AMCB fabricat de compozitele Seemann, „dar am redus grosimea panoului de la 0,375 inci la 0,175 inci, pe baza teoremei axei paralele . Acesta este cazul. Metoda, împreună cu elementele suplimentare ale teoriei fasciculului și ale teoriei laminatelor clasice [CLT], a fost utilizată pentru a lega momentul inerției și rigidității eficiente a AMCB la scară completă cu un produs demo de dimensiuni mai mici, care este mai ușor de gestionat și mai mult rentabil. Apoi, noi, analiza elementelor finite [FEA], dezvoltată de Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, SUA) a fost utilizat pentru a îmbunătăți proiectarea reparațiilor structurale. ” Țesătura din fibră de carbon folosită pentru panourile de testare și modelul AMCB a fost achiziționată de la VecrorPly, iar miezul de balsa a fost realizat de compozitele de bază (Bristol, RI, SUA) furnizate.
Pasul 1. Acest panou de testare afișează un diametru de 3 inci pentru a simula deteriorarea marcată în centru și pentru a repara circumferința. Sursa foto pentru toți pașii: Custom Technologies LLC.
Pasul 2. Folosiți o polizor manual alimentat cu baterie pentru a îndepărta materialul deteriorat și pentru a închide plasturele de reparație cu un conic de 12: 1.
„Vrem să simulăm un grad mai mare de daune pe placa de testare decât se poate observa pe puntea podului din câmp”, a explicat Bergen. „Așadar, metoda noastră este să folosim un ferăstrău pentru a face o gaură cu diametrul de 3 inci. Apoi, scoatem dopul materialului deteriorat și folosim o râșniță pneumatică de mână pentru a prelucra o eșarfă 12: 1. "
Crane a explicat că pentru repararea fibrei de carbon/epoxidice, odată ce materialul panou „deteriorat” este îndepărtat și se aplică o eșarfă corespunzătoare, prepregul va fi tăiat la lățime și lungime pentru a se potrivi cu conicul zonei deteriorate. „Pentru panoul nostru de testare, acest lucru necesită patru straturi de Prepreg pentru a menține materialul de reparație în concordanță cu partea superioară a panoului de carbon original nedeteriorat. După aceea, cele trei straturi de acoperire de pre -prepreg cu carbon/epoxid sunt concentrate pe acest lucru pe partea reparată. Fiecare strat succesiv se extinde pe 1 inch pe toate părțile stratului inferior, ceea ce oferă un transfer de încărcare treptat de la materialul „bun” înconjurător până la zona reparată. ” Timpul total pentru a efectua această reparație, inclusiv prepararea zonei de reparație, tăierea și plasarea materialului de restaurare și aplicarea procedurii de întărire în valoare de 2,5 ore.
Pentru fibra de carbon/prepregul epoxidic, zona de reparație este ambalată în vid și vindecată la 210 ° f/99 ° C timp de o oră folosind un bonder termic alimentat cu baterii.
Deși reparația de carbon/epoxid este simplă și rapidă, echipa a recunoscut necesitatea unei soluții mai convenabile pentru a restabili performanța. Acest lucru a dus la explorarea prepreg -urilor de întărire ultraviolete (UV). „Interesul pentru rășini de ester de vinil Sunrez se bazează pe experiența navală anterioară cu fondatorul companiei Mark Livesay”, a explicat Bergen. „Mai întâi am oferit Sunrez o țesătură de sticlă cvasi-izotropă, folosind Vinyl Ester Prepreg și am evaluat curba de întărire în condiții diferite. În plus, deoarece știm că rășina esterului de vinil nu este ca rășina epoxidică care oferă o performanță de aderență secundară adecvată, astfel încât sunt necesare eforturi suplimentare pentru a evalua diverși agenți de cuplare a straturilor adezive și pentru a determina care este adecvat pentru aplicație. ”
O altă problemă este că fibrele de sticlă nu pot oferi aceleași proprietăți mecanice ca fibrele de carbon. „În comparație cu plasturele de carbon/epoxid, această problemă este rezolvată folosind un strat suplimentar de ester de sticlă/vinil”, a spus Crane. „Motivul pentru care este nevoie de un singur strat suplimentar este că materialul de sticlă este o țesătură mai grea.” Acest lucru produce un plasture adecvat care poate fi aplicat și combinat în șase minute chiar și la temperaturi foarte rece/înghețate. Întărirea fără a oferi căldură. Crane a subliniat că această lucrare de reparație poate fi finalizată într -o oră.
Ambele sisteme de plasture au fost demonstrate și testate. Pentru fiecare reparație, zona care trebuie deteriorată este marcată (pasul 1), creată cu un ferăstrău cu gaură, apoi îndepărtat folosind o polizor manual alimentat cu baterie (pasul 2). Apoi tăiați zona reparată într -un conic de 12: 1. Curățați suprafața eșarfei cu un tampon de alcool (pasul 3). Apoi, tăiați plasturele de reparație la o anumită dimensiune, așezați -l pe suprafața curățată (pasul 4) și consolidați -l cu un role pentru a îndepărta bulele de aer. Pentru fibra de sticlă/Vinil Vinyl ester prepreg, apoi așezați stratul de eliberare pe zona reparată și vindecați plasturele cu o lampă UV fără fir timp de șase minute (pasul 5). Pentru fibra de carbon/epoxidice prepreg, utilizați un bonder termic pre-programat, cu un buton, cu baterie, pentru a pachet de vid și a vindeca suprafața reparată la 210 ° F/99 ° C timp de o oră.
Pasul 5. După așezarea stratului de decojire pe zona reparată, utilizați o lampă UV fără fir pentru a vindeca plasturele timp de 6 minute.
„Apoi am efectuat teste pentru a evalua adezivitatea plasturelui și capacitatea acestuia de a restabili capacitatea de încărcare a structurii”, a spus Bergen. „În prima etapă, trebuie să dovedim ușurința aplicării și capacitatea de a recupera cel puțin 75% din forță. Acest lucru se realizează prin îndoire în patru puncte pe o fibră de carbon de 4 x 48 inch/rășină epoxidică și fascicul de bază de balsa după repararea deteriorării simulate. Da. A doua fază a proiectului a utilizat un panou de 12 x 48 inch și trebuie să prezinte mai mult de 90% cerințe de rezistență sub sarcini complexe de tulpini. Am îndeplinit toate aceste cerințe, apoi am fotografiat metodele de reparație pe modelul AMCB. Cum se utilizează tehnologia și echipamentele Infield pentru a oferi o referință vizuală. ”
Un aspect cheie al proiectului este de a demonstra că novicii pot completa cu ușurință reparația. Din acest motiv, Bergen a avut o idee: „Am promis să demonstrez celor două contacte tehnice ale noastre din armată: Dr. Bernard Sia și Ashley Genna. În revizuirea finală a primei faze a proiectului, nu am cerut reparații. Ashley cu experiență a efectuat reparația. Folosind kitul și manualul pe care l -am oferit, a aplicat plasturele și a completat reparația fără probleme. ”
Figura 2 Mașina de legare termică pre-programată cu baterie, alimentate de baterie, poate vindeca plasturele de reparație a fibrei de carbon/epoxidice la apăsarea unui buton, fără a fi nevoie de reparații de cunoștințe sau de întărire a ciclului de întărire. Sursa imaginii: Custom Technologies, LLC
O altă dezvoltare cheie este sistemul de întărire alimentat cu baterii (figura 2). „Prin întreținerea infieldului, aveți doar putere bateriei”, a subliniat Bergen. „Toate echipamentele de proces din kitul de reparații pe care l -am dezvoltat este wireless.” Aceasta include lipirea termică cu baterii, dezvoltată în comun de către mașina de mașini Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, SUA), furnizorul de mașini de legătură termică Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, SUA). „Acest bonder termic alimentat cu baterii este pre-programat pentru a completa întărirea, astfel încât începătorii nu trebuie să programeze ciclul de întărire”, a spus Crane. „Trebuie doar să apese un buton pentru a completa rampa și înmuiarea corespunzătoare.” Bateriile utilizate în prezent pot dura un an înainte de a fi reîncărcate.
Odată cu finalizarea celei de-a doua faze a proiectului, Custom Technologies pregătește propunerile de îmbunătățire a urmăririi și colectarea scrisorilor de interes și sprijin. „Scopul nostru este să maturizăm această tehnologie la TRL 8 și să o aducem pe teren”, a spus Bergen. „De asemenea, vedem potențialul aplicațiilor non-militare.”
Explică vechea artă din spatele primei întăriri a fibrelor din industrie și are o înțelegere aprofundată a noilor științe ale fibrelor și dezvoltării viitoare.
În curând și zborul pentru prima dată, 787 se bazează pe inovații în materiale și procese compuse pentru a -și atinge obiectivele
Timpul post: 02-2021 septembrie