Setul portabil poate fi reparat cu fibră de sticlă/vinil ester sau fibră de carbon/preimpregnat epoxidic care se întărește la UV, depozitat la temperatura camerei și echipamente de întărire alimentate de baterii. #insidemanufacturing #infrastructură
Repararea plasturelui preimpregnat cu întărire UV Deși repararea preimpregnată din fibră de carbon/epoxidici dezvoltată de Custom Technologies LLC pentru podul compozit din câmp s-a dovedit a fi simplă și rapidă, utilizarea rășinii de ester vinil-ester cu întărire UV, armată cu fibră de sticlă, Prepreg a dezvoltat un sistem mai convenabil. . Sursa imagine: Custom Technologies LLC
Podurile modulare care se pot desfășura sunt active esențiale pentru operațiunile tactice militare și logistică, precum și pentru restaurarea infrastructurii de transport în timpul dezastrelor naturale. Sunt studiate structuri compozite pentru a reduce greutatea unor astfel de poduri, reducând astfel sarcina asupra vehiculelor de transport și a mecanismelor de lansare-recuperare. În comparație cu podurile metalice, materialele compozite au și potențialul de a crește capacitatea portantă și de a prelungi durata de viață.
Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) este un exemplu. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, SUA) și Materials Sciences LLC (Horsham, PA, SUA) utilizează laminate epoxidice armate cu fibră de carbon (Figura 1). ) Proiectare și construcție). Cu toate acestea, capacitatea de a repara astfel de structuri în teren a fost o problemă care împiedică adoptarea materialelor compozite.
Figura 1 Pod compozit, activ cheie în câmp Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) a fost proiectat și construit de Seemann Composites LLC și Materials Sciences LLC folosind compozite de rășini epoxidice 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 un grant pentru faza 1 de cercetare pentru inovarea în afaceri mici (SBIR) finanțat de Armata SUA 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 grantului SBIR a fost acordată în 2018 pentru a prezenta materiale noi și echipamente alimentate cu baterii, chiar dacă patch-ul este realizat de un începător fără pregătire prealabilă, 90% sau mai mult din structură poate fi restaurată. rezistenţă. Fezabilitatea tehnologiei este determinată de efectuarea unei serii de analize, selecție a 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 retras de la Carderock de la Naval Surface Warfare Center (NSWC) și a servit în Departamentul 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 retras din Marina SUA în 2011 și a servit timp de 32 de ani. Expertiza sa în materiale compozite include publicații tehnice și brevete, care acoperă subiecte precum materiale compozite noi, fabricarea prototipurilor, metode de conectare, materiale compozite multifuncționale, monitorizarea sănătății structurale și restaurarea materialului compozit.
Cei doi experți au dezvoltat un proces unic care utilizează materiale compozite pentru a repara fisurile din suprastructura de aluminiu a crucișătoarelor cu rachete ghidate din clasa Ticonderoga CG-47 5456. „Procedeul a fost dezvoltat pentru a reduce creșterea fisurilor și pentru a servi ca alternativă economică. la înlocuirea unei plăci de platformă de 2 până la 4 milioane de dolari”, a spus Bergen. „Așa că am demonstrat că știm să facem reparații în afara laboratorului și într-un mediu de service real. Dar provocarea este că metodele actuale de active militare nu au prea mult succes. Opțiunea este repararea duplex cu lipire [practic în zonele deteriorate. Lipiți o placă în partea de sus] sau scoateți activul din serviciu pentru reparații la nivel de depozit (nivel D). Deoarece sunt necesare reparații de nivel D, multe active sunt puse deoparte.”
El a continuat spunând că ceea ce este nevoie este o metodă care să poată fi efectuată de militari fără experiență în materiale compozite, folosind doar truse și manuale de întreținere. Scopul nostru este să simplificăm procesul: citiți manualul, evaluați deteriorarea și efectuați reparații. Nu dorim să amestecăm rășini lichide, deoarece aceasta necesită măsurare precisă 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 pe care Custom Technologies a demonstrat-o cu succes este un kit portabil care utilizează un adeziv epoxidic întărit pentru a personaliza plasturele compozit adeziv în funcție de dimensiunea deteriorării (până la 12 inci pătrați). Demonstrația a fost finalizată pe un material compozit reprezentând o punte AMCB de 3 inci grosime. Materialul compozit are un miez de lemn de balsa cu grosime de 3 inchi (densitate de 15 lire pe picior cub) și două straturi de țesătură din fibră de carbon Vectorply (Phoenix, Arizona, SUA) C -LT 1100 0°/90°, cusături biaxiale, un strat de C-TLX 1900 fibră 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 petice prefabricate într-un laminat cvasi-izotrop similar cu un multi-ax, astfel încât direcția țesăturii să nu fie o problemă”, a spus Crane.
Următoarea problemă este matricea de rășină utilizată pentru repararea laminatului. Pentru a evita amestecarea rășinii lichide, plasturele va folosi preimpregnat. „Cu toate acestea, aceste provocări sunt stocarea”, a explicat Bergen. Pentru a dezvolta o soluție de plasture care poate fi stocată, Custom Technologies a încheiat un parteneriat cu Sunrez Corp. (El Cajon, California, SUA) pentru a dezvolta un preimpregnat din fibră de sticlă/vinil ester care poate folosi lumina ultravioletă (UV) în șase minute. De asemenea, a colaborat cu Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, SUA), care a sugerat utilizarea unei noi folii epoxidice flexibile.
Studiile timpurii au arătat că rășina epoxidică este cea mai potrivită rășină pentru preimpregnate din fibră de carbon - esterul de vinil întărit cu UV și fibra de sticlă translucidă funcționează bine, dar nu se întăresc sub fibră de carbon care blochează lumina. Pe baza noului film Gougeon Brothers, preimpregnatul final epoxidic se întărește timp de 1 oră la 210°F/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 sticloasă (Tg) mai mare, rășina va fi, de asemenea, întărită la o temperatură mai mare, cum ar fi 350°F/177°C. Ambele preimpregnate sunt furnizate într-un kit portabil de reparații ca un teanc de plasturi preimpregnate sigilate într-un plic de folie de plastic.
Deoarece trusa de reparații poate fi depozitată pentru o perioadă lungă de timp, Custom Technologies este necesară pentru a efectua un studiu de valabilitate. „Am achiziționat patru carcase din plastic dur – un tip militar tipic folosit în echipamentele de transport – și am pus mostre de adeziv epoxidic și preimpregnat de 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 Maryland, instalația în aer liber din Yucca Valley (deșertul California) și laboratorul de testare a coroziunii în aer liber din sudul Floridei. Toate cazurile au înregistrări de date, subliniază Bergen, „Preluăm date și mostre de materiale pentru evaluare la fiecare trei luni. Temperatura maximă înregistrată în cutiile 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 epoxidice pură nou dezvoltată. „Probele care au fost introduse într-un cuptor la 120 ° F timp de câteva luni încep să se polimerizeze”, a spus Bergen. „Cu toate acestea, pentru probele corespunzătoare menținute la 110 ° F, chimia rășinii s-a îmbunătățit doar cu o cantitate mică.”
Reparația a fost verificată pe placa de testare și pe acest model la scară a AMCB, care a folosit același laminat și material de miez ca și podul original construit de Seemann Composites. Sursa imagine: 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 inci și teste de îndoire în patru puncte pentru a evalua fezabilitatea procesului nostru de reparații”, a spus Klein. „Apoi, am trecut la panouri de 12 x 48 inchi în a doua fază a proiectului, am aplicat sarcini pentru a genera o stare de efort biaxială pentru a provoca defecțiuni și apoi am evaluat performanța reparației. În a doua fază, am finalizat și modelul AMCB pe care l-am construit de întreținere.”
Bergen a spus că panoul de testare folosit pentru a dovedi performanța reparației a fost fabricat folosind aceeași linie de laminate și materiale de bază ca AMCB fabricate de Seemann Composites, „dar am redus grosimea panoului de la 0,375 inchi la 0,175 inci, pe baza teoremei axei paralele. . Acesta este cazul. Metoda, împreună cu elementele suplimentare ale teoriei fasciculului 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 mult. rentabil. Apoi, modelul de analiză cu elemente finite [FEA] dezvoltat de XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, SUA) a fost folosit pentru a îmbunătăți proiectarea reparațiilor structurale.” Țesătura din fibră de carbon folosită pentru panourile de testare și modelul AMCB a fost achiziționată de la Vectorply, iar miezul de balsa a fost realizat de Core Composites (Bristol, RI, SUA) furnizat.
Pasul 1. Acest panou de testare afișează un diametru de găuri de 3 inci pentru a simula deteriorarea marcată în centru și pentru a repara circumferința. Sursă foto pentru toți pașii: Custom Technologies LLC.
Pasul 2. Folosiți o mașină de șlefuit manuală alimentată de baterii pentru a îndepărta materialul deteriorat și închideți plasturele de reparare cu un conic de 12:1.
„Vrem să simulăm un grad mai mare de deteriorare pe placa de testare decât s-ar putea vedea pe platforma podului pe teren”, a explicat Bergen. „Deci 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 mașină de șlefuit pneumatică de mână pentru a procesa o eșarfă 12:1.”
Crane a explicat că pentru repararea fibrei de carbon/epoxidice, odată ce materialul panoului „deteriorat” este îndepărtat și este aplicată o eșarfă adecvată, preimpregnatul va fi tăiat la lățime și lungime pentru a se potrivi cu conicitatea zonei deteriorate. „Pentru panoul nostru de testare, acest lucru necesită patru straturi de preimpregnat 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 carbon/preimpregnat epoxidic sunt concentrate pe acest pe piesa reparată. Fiecare strat succesiv se extinde cu 1 inch pe toate părțile stratului inferior, ceea ce asigură un transfer gradual de sarcină 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 - aproximativ 2,5 ore.
Pentru fibră de carbon/preimpregnat epoxidic, zona de reparare este ambalată în vid și întărită la 210°F/99°C timp de o oră folosind un liant termic alimentat de baterii.
Deși repararea carbon/epoxidice este simplă și rapidă, echipa a recunoscut nevoia unei soluții mai convenabile pentru a restabili performanța. Acest lucru a condus la explorarea preimpregnatelor cu întărire cu ultraviolete (UV). „Interesul pentru rășinile vinilesterice Sunrez se bazează pe experiența navală anterioară cu fondatorul companiei Mark Livesay”, a explicat Bergen. „Am furnizat mai întâi lui Sunrez o țesătură de sticlă cvasi-izotropă, folosind preimpregnatul lor de vinilester și am evaluat curba de întărire în diferite condiții. În plus, pentru că știm că rășina vinilesterică nu este ca rășina epoxidice care oferă o performanță adecvată de aderență secundară, deci sunt necesare eforturi suplimentare pentru a evalua diferiți agenți de cuplare a stratului adeziv și pentru a determina care dintre ele este potrivit pentru aplicare.”
O altă problemă este că fibrele de sticlă nu pot oferi aceleași proprietăți mecanice ca fibrele de carbon. „În comparație cu plasturele de carbon/epoxidice, această problemă este rezolvată prin utilizarea unui strat suplimentar de sticlă/vinil ester”, 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 potrivit care poate fi aplicat și combinat în șase minute chiar și la temperaturi foarte reci/înghețate în câmp. Întărire fără a furniza căldură. Crane a subliniat că această lucrare de reparație poate fi finalizată în decurs de o oră.
Ambele sisteme de patch-uri au fost demonstrate și testate. Pentru fiecare reparație, zona care trebuie deteriorată este marcată (pasul 1), creată cu un ferăstrău cu gaură și apoi îndepărtată cu o polizor manuală alimentată cu baterie (pasul 2). Apoi tăiați zona reparată într-o formă conică de 12:1. Curățați suprafața eșarfei cu un tampon cu alcool (pasul 3). Apoi, tăiați plasturele de reparație la o anumită dimensiune, așezați-l pe suprafața curățată (pasul 4) și consolidați-l cu o rolă pentru a elimina bulele de aer. Pentru preimpregnat din fibră de sticlă/vinil ester cu întărire UV, apoi așezați stratul de eliberare pe zona reparată și întăriți plasturele cu o lampă UV fără fir timp de șase minute (pasul 5). Pentru fibră de carbon/preimpregnat epoxidic, utilizați un liant termic pre-programat, cu un singur buton, alimentat de baterie, pentru a aspira și întări zona reparată la 210°F/99°C timp de o oră.
Pasul 5. După ce ați plasat stratul de peeling pe zona reparată, utilizați o lampă UV fără fir pentru a întări plasturele timp de 6 minute.
„Apoi am efectuat teste pentru a evalua adezivitatea plasturelui și capacitatea acestuia de a restabili capacitatea portantă a structurii”, a spus Bergen. „În prima etapă, trebuie să dovedim ușurința în aplicare și capacitatea de a recupera cel puțin 75% din rezistență. Acest lucru se realizează prin îndoirea în patru puncte pe o fibră de carbon/rășină epoxidice de 4 x 48 inci și un fascicul de miez de balsa 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% la sarcini complexe de deformare. Am îndeplinit toate aceste cerințe, iar apoi am fotografiat metodele de reparație pe modelul AMCB. Cum să utilizați tehnologia și echipamentul în câmp pentru a oferi o referință vizuală.”
Un aspect cheie al proiectului este acela de a demonstra că începătorii pot finaliza cu ușurință reparația. Din acest motiv, Bergen a avut o idee: „Am promis să le demonstrez celor două contacte tehnice din Armată: Dr. Bernard Sia și Ashley Genna. În revizuirea finală a primei faze a proiectului, nu am cerut nicio reparație. Ashley cu experiență a efectuat reparația. Folosind trusa și manualul pe care le-am furnizat, ea a aplicat plasturele și a finalizat reparația fără probleme.”
Figura 2 Mașina de lipire termică alimentată cu baterie, preprogramată, alimentată cu baterie, poate întări plasturele de reparare din fibră de carbon/epoxidice prin apăsarea unui buton, fără a fi nevoie de cunoștințe de reparare sau de programare a ciclului de întărire. Sursa imagine: 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. „Toate echipamentele de proces din kitul de reparații pe care l-am dezvoltat sunt fără fir.” Aceasta include lipirea termică alimentată de baterii dezvoltată în comun de Custom Technologies și mașina furnizorului de mașini de lipire termică WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, SUA). „Acest liant termic alimentat de baterii este preprogramat pentru a se întări complet, astfel încât începătorii nu trebuie să programeze ciclul de întărire”, a spus Crane. „Trebuie doar să apese un buton pentru a finaliza rampa corespunzătoare și a se înmuia.” Bateriile utilizate în prezent pot dura un an înainte de a trebui reîncărcate.
Odată cu finalizarea celei de-a doua etape a proiectului, Custom Technologies pregătește propuneri de îmbunătățire ulterioare și colectează scrisori 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 arta veche din spatele primei armături cu fibre din industrie și are o înțelegere aprofundată a noii științe a fibrelor și a dezvoltării viitoare.
În curând și zboară pentru prima dată, 787 se bazează pe inovații în materiale și procese compozite pentru a-și atinge obiectivele.
Ora postării: 02-sept-2021