Zestaw przenośny można naprawić za pomocą estra z włókna szklanego/estru winylowego lub epoksydowego przygotowawczego w temperaturze pokojowej i sprzęcie utwardzającym baterię. #Insidemanuffacking #infrastructure
ZAPREAKUJĄCE PREPREGR PREPREGE UV Chociaż naprawa włókna węglowego/epoksydowego opracowana przez Custom Technologies LLC dla mostu kompozytowego AND ALLLED okazało się proste i szybkie, zastosowanie szklanego włókna UV przygotowało się . Źródło obrazu: Custom Technologies LLC
Mosty modułowe, które można rozmieścić, są zasobami krytycznymi dla wojskowych operacji taktycznych i logistyki, a także przywrócenie infrastruktury transportowej podczas klęsk żywiołowych. Badane są konstrukcje kompozytowe w celu zmniejszenia masy takich mostów, zmniejszając w ten sposób obciążenie pojazdów transportowych i mechanizmów odzyskiwania uruchamiania. W porównaniu z metalowymi mostami materiały kompozytowe mogą również potencjalnie zwiększyć pojemność obciążenia i wydłużyć żywotność usług.
Przykładem jest zaawansowany moduł modułowy kompozytowy (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) i Materials Sciences LLC (Horsham, PA, US) wykorzystują laminaty epoksydowe wzmocnione włóknem węglowym (ryc. 1). ) Projekt i budowa). Jednak zdolność do naprawy takich struktur w terenie była problemem, który utrudnia przyjęcie materiałów kompozytowych.
Ryc. 1 Most kompozytowy, Key Belfield Asset Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) został zaprojektowany i zbudowany przez Seemann Composites LLC i Materials Sciences LLC przy użyciu kompozytów z żywicy epoksydowej wzmocnionej włóknem węglowym. Źródło obrazu: Seeman Composites LLC (po lewej) i armia amerykańska (po prawej).
W 2016 r. Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) otrzymał dotację fazy 1 finansowanej przez amerykańską armię innowacyjną (SBIR) w celu opracowania metody naprawy, którą żołnierze może z powodzeniem wykonać na miejscu. Na podstawie tego podejścia druga faza dotacji SBIR została przyznana w 2018 roku w celu zaprezentowania nowych materiałów i sprzętu zasilanego baterią, nawet jeśli nowicjusz jest wykonywany przez nowicjusza bez uprzedniego szkolenia, 90% lub więcej struktury można przywrócić surowo surowo wytrzymałość. Wykonalność technologii jest określana poprzez wykonanie serii analizy, wyboru materiałów, próbek produkcyjnych i testowania mechanicznego, a także naprawy na małą i pełną skalę.
Głównym badaczem w dwóch fazach SBIR jest Michael Bergen, założyciel i prezes Custom Technologies LLC. Bergen przeszedł na emeryturę z Carderock z Naval Surface Warfare Center (NSWC) i przez 27 lat służył w dziale struktur i materiałów, gdzie zarządzał opracowaniem i zastosowaniem technologii złożonych we flocie marynarki wojennej USA. Dr Roger Crane dołączył do Custom Technologies w 2015 r. Po przejściu na emeryturę z amerykańskiej marynarki wojennej w 2011 roku i służył od 32 lat. Jego wiedza specjalistyczna dotycząca materiałów kompozytowych obejmuje publikacje techniczne i patenty, obejmujące takie tematy, jak nowe materiały kompozytowe, prototypowe produkcja, metody połączenia, wielofunkcyjne materiały kompozytowe, konstrukcyjne monitorowanie zdrowia i przywracanie materiałów kompozytowych.
Dwaj eksperci opracowali unikalny proces, który wykorzystuje materiały kompozytowe do naprawy pęknięć w nadklukturze aluminiowej w klasie Ticonderoga CG-47 Puld Cruiser 5456. „Opracowano proces zmniejszenia wzrostu pęknięć i służyć jako ekonomiczna alternatywa alternatywa do wymiany tablicy platformowej w wysokości 2 do 4 milionów dolarów ” - powiedział Bergen. „Dlatego udowodniliśmy, że wiemy, jak wykonywać naprawy poza laboratorium i w prawdziwym środowisku usługowym. Ale wyzwanie polega na tym, że obecne metody aktywów wojskowych nie są bardzo skuteczne. Opcja jest połączona naprawa dupleksu [zasadniczo w uszkodzonych obszarach przyklej płytę na górze] lub usuń zasoby z serwisowych napraw na poziomie magazynu (na poziomie D). Ponieważ wymagane są naprawy na poziomie D, wiele zasobów jest odłożonych na bok ”.
Następnie powiedział, że potrzebna jest metoda, którą mogą wykonać żołnierze bez doświadczenia w materiałach kompozytowych, przy użyciu tylko zestawów i podręczników konserwacyjnych. Naszym celem jest uproszczenie tego procesu: przeczytaj instrukcję, ocenić uszkodzenia i wykonaj naprawy. Nie chcemy mieszać płynnych żywic, ponieważ wymaga to precyzyjnego pomiaru, aby zapewnić całkowite wyleczenie. Potrzebujemy również systemu bez odpadów niebezpiecznych po zakończeniu napraw. I musi być pakowany jako zestaw, który może być wdrożony przez istniejącą sieć. "
Jednym z rozwiązań, które z powodzeniem wykazały niestandardowe technologie, jest przenośny zestaw, który wykorzystuje hartowany klej epoksydowy w celu dostosowania kleju kompozytowego w zależności od wielkości uszkodzenia (do 12 cali kwadratowych). Demonstrację zakończono na materiale kompozytowym reprezentującym 3-calowy pokład AMCB. Materiał kompozytowy ma 3 -calowy rdzeń drewna balsa (15 funtów na gęstość stopy sześciennej) i dwie warstwy Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C -LT 1100 Węglowodany 0 °/90 ° bioosiowy tkanin C-TLX 1900 FIBER 0 °/+45 °/-45 ° Trzy wały i dwie warstwy C-LT 1100, łącznie pięć warstw. „Zdecydowaliśmy, że zestaw będzie wykorzystywał prefabrykowane plamy w quasi-izotropowym laminatu podobnym do wieloosiowości, aby kierunek tkaniny nie był problemem”, powiedział Crane.
Kolejnym problemem jest matryca żywiczna używana do naprawy laminatu. Aby uniknąć mieszania żywicy płynnej, łatka będzie używać prepreg. „Jednak te wyzwania są przechowywaniem” - wyjaśnił Bergen. Aby opracować rozwiązanie do przechowywania, Custom Technologies nawiązał współpracę z Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornia, USA) w celu opracowania szklanego błonnika/estra winylowego, który może użyć światła ultrafioletowego (UV) w sześciu minutach utwardzania światła. Współpracował także z Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), co sugerowało zastosowanie nowego elastycznego filmu epoksydowego.
Wczesne badania wykazały, że żywica epoksydowa jest najbardziej odpowiednią żywicą dla prepregs z włókna węglowego-UV-UV i półprzezroczystego włókna szklanego działają dobrze, ale nie wyleczają się pod lekkim włóknem węglowym. Oparty na nowym filmie Gougeon Brothers, końcowy epoksydowy prepreg jest utwardzany przez 1 godzinę w temperaturze 210 ° F/99 ° C i ma długi okres trwałości w temperaturze pokojowej-nie potrzeba przechowywania w niskiej temperaturze. Bergen powiedział, że jeśli wymagana jest wyższa temperatura przejścia szkła (TG), żywica zostanie również wyleczona w wyższej temperaturze, takiej jak 350 ° F/177 ° C. Oba prepreg są dostarczane w przenośnym zestawie naprawczym jako stos łatek prepreg uszczelnionych w plastikowej kopercie.
Ponieważ zestaw naprawczy może być przechowywany przez długi czas, do przeprowadzenia badań na przydatności do spożycia wymagane są niestandardowe technologie. „Kupiliśmy cztery twarde plastikowe obudowy - typowy typ wojskowy używany w sprzęcie transportowym - i włożyliśmy próbki klesu epoksydowego i przygotowawczego estrowego winylowego do każdej obudowy”, powiedział Bergen. Pudełka zostały następnie umieszczone w czterech różnych lokalizacjach do testowania: dach fabryki Gougeon Brothers w Michigan, dach lotniska Maryland, obiekt zewnętrzny w Dolinie Jukca (California Desert) oraz laboratorium testowania korozji na południowej Florydzie. Wszystkie przypadki mają rejestrator danych, podkreśla Bergen: „Co trzy miesiące przyjmujemy próbki danych i materiałów do oceny. Maksymalna temperatura zarejestrowana w pudełkach na Florydzie i Kalifornii wynosi 140 ° F, co jest dobre dla większości żywic restauracyjnych. To prawdziwe wyzwanie ”. Ponadto Bracia Gougeon wewnętrznie przetestowali nowo opracowaną czystą żywicę epoksydową. „Próbki umieszczone w piekarniku w temperaturze 120 ° F przez kilka miesięcy zaczynają się polimeryzować”, powiedział Bergen. „Jednak dla odpowiednich próbek przechowywanych w temperaturze 110 ° F chemia żywicy poprawiła się tylko o niewielką ilość”.
Naprawa zweryfikowano na płycie testowej i ten model AMCB, który zastosował ten sam materiał laminowany i rdzeniowy, co oryginalny most zbudowany przez kompozyty Seemann. Źródło obrazu: Custom Technologies LLC
Aby zademonstrować technikę naprawy, należy wytwarzać, uszkodzić i naprawić reprezentatywny laminat. „W pierwszej fazie projektu początkowo zastosowaliśmy małą belki 4 x 48-calowe i czteropunktowe testy gięcia, aby ocenić wykonalność naszego procesu naprawy”, powiedział Klein. „Następnie przeszliśmy do paneli 12 x 48 cali w drugiej fazie projektu, zastosowaliśmy obciążenia, aby wygenerować stan naprężenia biosiowego, aby spowodować awarię, a następnie oceniliśmy wydajność naprawy. W drugiej fazie zakończyliśmy również model AMCB, który zbudowaliśmy konserwację. ”
Bergen powiedział, że panel testowy użyty do udowodnienia wydajności naprawy został wyprodukowany przy użyciu tej samej linii laminatów i materiałów rdzeniowych, co AMCB wytwarzane przez kompozyty Seemann, „ale zmniejszyliśmy grubość panelu z 0,375 cali do 0,175 cala, w oparciu o to, że twierdzenie o osi równolegle . Tak jest. Metodę, wraz z dodatkowymi elementami teorii wiązki i klasycznej teorii laminatu [CLT], została użyta do połączenia momentu bezwładności i skutecznej sztywności AMCB pełnej skali z produktem demonstracyjnym o mniejszej wielkości, który jest łatwiejszy w obsłudze i więcej opłacalny. Następnie Model analizy elementów skończonych [FEA] opracowany przez Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) zastosowano do poprawy projektowania napraw konstrukcyjnych. ” Tkaninę z włókna węglowego stosowana do paneli testowych i model AMCB zakupiono od Vectorply, a rdzeń balsy został wykonany przez podstawowe kompozyty (Bristol, RI, US).
Krok 1. Ten panel testowy wyświetla 3 -calową średnicę otworu, aby symulować uszkodzenie oznaczone w środku i naprawić obwód. Źródło zdjęć dla wszystkich kroków: Custom Technologies LLC.
Krok 2. Użyj manualnej szlifierki zasilanej bateryjnie, aby usunąć uszkodzony materiał i załączyć poprawkę naprawy stożkiem 12: 1.
„Chcemy symulować wyższy stopień uszkodzenia na tablicy testowej, niż można było zobaczyć na pokładzie mostu na polu” - wyjaśnił Bergen. „Tak więc naszą metodą jest użycie piły do dziury do wykonania 3-calowego otworu o średnicy. Następnie wyciągamy wtyczkę uszkodzonego materiału i używamy ręcznego pneumatycznego szlifierki do przetworzenia szalika 12: 1. ”
Crane wyjaśnił, że w przypadku naprawy włókna węglowego/epoksydowego, po usunięciu „uszkodzonego” materiału panelu i zastosowania odpowiedniego szalika, prepreg zostanie przecięty do szerokości i długości, aby pasował do stożka uszkodzonego obszaru. „W naszym panelu testowym wymaga to czterech warstw prepreg, aby utrzymać materiał naprawczy spójny z górną częścią nieuszkodzonego panelu węglowego. Następnie trzy pokrywające warstwy prepreg węgla/epoksydowego koncentrują się na tym na naprawionej części. Każda kolejna warstwa rozciąga się 1 cal po wszystkich stronach dolnej warstwy, co zapewnia stopniowe przenoszenie obciążenia z „dobrego” otaczającego materiału do naprawionego obszaru ”. Całkowity czas na przygotowanie tego obszaru naprawy, w tym przygotowanie, cięcie i umieszczenie materiału przywracania oraz zastosowanie procedury utwardzania około 2,5 godziny.
W przypadku preprega z włókna węglowego/epoksydowej powierzchnia naprawy jest pakowana próżniowo i utwardzana w temperaturze 210 ° F/99 ° C przez godzinę za pomocą termicznej bonder z zasilaniem baterii.
Chociaż naprawa węgla/epoksydowa jest prosta i szybka, zespół rozpoznał potrzebę wygodniejszego rozwiązania do przywrócenia wydajności. Doprowadziło to do eksploracji prepregi utwardzania ultrafioletowego (UV). „Zainteresowanie żywicami Ester Sunreza opiera się na wcześniejszych doświadczeniach marynarki wojennej z założycielem firmy Markiem Livesay” - wyjaśnił Bergen. „Najpierw dostarczyliśmy Sunrezowi quasi-izotropowy tkanin szklany, używając ich estru winylowego, i oceniliśmy krzywą utwardzania w różnych warunkach. Ponadto, ponieważ wiemy, że żywica estru winylowego nie przypomina żywicy epoksydowej, która zapewnia odpowiednią wtórną wydajność adhezji, dlatego wymagane są dodatkowe wysiłki w celu oceny różnych środków sprzęgających warstwy klesu i ustalenia, który jest odpowiedni do zastosowania. ”
Innym problemem jest to, że włókna szklane nie mogą zapewnić takich samych właściwości mechanicznych jak włókna węglowe. „W porównaniu z łatką węglową/epoksydową problem ten jest rozwiązany za pomocą dodatkowej warstwy estru szkła/winylu”, powiedział Crane. „Powodem, dla którego potrzebna jest tylko jedna dodatkowa warstwa, jest to, że materiał szklany jest cięższym materiałem”. Powoduje to odpowiednią łatkę, którą można zastosować i połączyć w ciągu sześciu minut, nawet przy bardzo zimnych/zamrażających temperaturach pola bramkowego. Utwardzanie bez zapewnienia ciepła. Crane wskazał, że te prace naprawcze mogą zostać zakończone w ciągu godziny.
Oba systemy łatek zostały wykazane i przetestowane. Dla każdej naprawy obszar do uszkodzenia jest oznaczony (krok 1), utworzony za pomocą piły do otworu, a następnie usuwany za pomocą manualnej szlifierki zasilanej baterią (krok 2). Następnie pokrój naprawiony obszar na stożkę 12: 1. Wyczyść powierzchnię szalika za pomocą podkładki alkoholowej (krok 3). Następnie pokrój poprawkę do określonego rozmiaru, umieść ją na oczyszczonej powierzchni (krok 4) i skonsoliduj ją wałkiem, aby usunąć pęcherzyki powietrza. W przypadku szklanego światłowodu/UV ester winylowego prepreg, następnie umieść warstwę uwalniania na naprawionym obszarze i wylecz łatkę lampą UV bez przewodowej lampy UV przez sześć minut (krok 5). W przypadku preprega z włókna węglowego/epoksydowego użyj wstępnie zaprogramowanego, jednego przycisku, napędzanego baterią, aby opakować próżniowo i wyleczyć naprawiony obszar w temperaturze 210 ° F/99 ° C przez jedną godzinę.
Krok 5. Po umieszczeniu warstwy obierającej na naprawionym obszarze użyj bezprzewodowej lampy UV, aby wyleczyć łatkę przez 6 minut.
„Następnie przeprowadziliśmy testy w celu oceny przyczepności łatki i jej zdolności do przywracania pojemności obciążenia struktury”, powiedział Bergen. „W pierwszym etapie musimy udowodnić łatwość zastosowania i zdolność do odzyskania co najmniej 75% siły. Odbywa się to przez czteropunktowe zginanie na 48-calowym włóknie węglowym/żywicy epoksydowej i wiązce rdzenia balsa po naprawie symulowanych uszkodzeń. Tak. Druga faza projektu wykorzystała panel 12 x 48 cali i musi wykazywać więcej niż 90% wymagań wytrzymałościowych przy złożonych obciążeniach odkształcenia. Spotkaliśmy wszystkie te wymagania, a następnie sfotografowaliśmy metody naprawy modelu AMCB. Jak korzystać z technologii i sprzętu Infield, aby zapewnić wizualne odniesienie. ”
Kluczowym aspektem projektu jest udowodnienie, że nowicjusze mogą łatwo ukończyć naprawę. Z tego powodu Bergen wpadł na pomysł: „Obiecałem zademonstrować nasze dwa kontakty techniczne w armii: dr Bernard Sia i Ashley Genna. W końcowym przeglądzie pierwszej fazy projektu poprosiłem o brak napraw. Doświadczona Ashley wykonała naprawę. Korzystając z dostarczonego zestawu i instrukcji, nałożyła łatkę i bez problemów zakończyła naprawę. ”
Ryc. 2 Wstępnie zaprogramowana, napięta bateria maszyna łączenia termicznego zasilana bateryjnie może wyleczyć plaster naprawy włókna węglowego/epoksydowego za naciśnięciem przycisku, bez potrzeby programowania wiedzy lub cyklu utwardzania. Źródło obrazu: Custom Technologies, LLC
Kolejnym kluczowym rozwojem jest system utwardzania zasilany baterią (ryc. 2). „Dzięki konserwacji infield masz tylko zasilanie baterii” - zauważył Bergen. „Cały opracowany przez nas sprzęt procesowy w zestawie naprawczym jest bezprzewodowy”. Obejmuje to łączenie termiczne zasilane baterią opracowane wspólnie przez dostawcę technologii niestandardowych i dostawcy maszyn do wiązania termicznego Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). „Ten napędzany baterią Bonder jest wstępnie zaprogramowany do całkowitego utwardzania, więc nowicjusze nie muszą programować cyklu utwardzania”, powiedział Crane. „Muszą tylko nacisnąć przycisk, aby ukończyć odpowiednią rampę i namoczyć”. Obecnie używane baterie mogą trwać rok, zanim będą musiały zostać naładowane.
Po zakończeniu drugiej fazy projektu, Custom Technologies przygotowuje propozycje poprawy dalszych i zbiera listy zainteresowania i wsparcia. „Naszym celem jest dojrzewanie tej technologii do TRL 8 i przeniesienie jej na pole” - powiedział Bergen. „Widzimy również potencjał zastosowań nie militarnych”.
Wyjaśnia starą sztukę pierwszego wzmocnienia włókien w branży i ma dogłębne zrozumienie nowej nauki o włókien i przyszłego rozwoju.
Wkrótce i latając po raz pierwszy, 787 opiera się na innowacjach w materiałach i procesach złożonych
Czas po: 02-2021 września