Zestaw przenośny można naprawiać za pomocą utwardzanego promieniami UV prepregu z włókna szklanego/winyloestru lub włókna węglowego/epoksydu, przechowywanego w temperaturze pokojowej i zasilanego bateryjnie sprzętu do utwardzania. #insidemanufacturing #infrastruktura
Naprawa łat z prepregu utwardzanego promieniami UV. Chociaż naprawa z prepregu z włókna węglowego/epoksydu, opracowana przez Custom Technologies LLC dla mostu kompozytowego na polu wewnętrznym, okazała się prosta i szybka, zastosowanie żywicy winyloestrowej wzmocnionej włóknem szklanym, utwardzanej promieniami UV, Prepreg, pozwoliło na opracowanie wygodniejszego systemu. Źródło zdjęcia: Custom Technologies LLC
Modułowe, rozkładane mosty są kluczowym elementem wojskowych operacji taktycznych i logistyki, a także przywracania infrastruktury transportowej w przypadku klęsk żywiołowych. Konstrukcje kompozytowe są badane pod kątem zmniejszenia masy takich mostów, a tym samym odciążenia pojazdów transportowych i mechanizmów odzyskiwania po starcie. W porównaniu z mostami metalowymi, materiały kompozytowe mają również potencjał zwiększenia nośności i wydłużenia okresu eksploatacji.
Przykładem jest zaawansowany modułowy most kompozytowy (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfport, Missisipi, USA) i Materials Sciences LLC (Horsham, Pensylwania, USA) wykorzystują laminaty epoksydowe wzmocnione włóknem węglowym (rysunek 1). (Projektowanie i budowa). Jednak możliwość naprawy takich konstrukcji w terenie stanowi problem, który utrudnia wdrażanie materiałów kompozytowych.
Rysunek 1 Most kompozytowy, kluczowy element pola. Zaawansowany modułowy most kompozytowy (AMCB) został zaprojektowany i zbudowany przez Seemann Composites LLC i Materials Sciences LLC z wykorzystaniem kompozytów epoksydowych wzmocnionych włóknem węglowym. Źródło zdjęcia: Seeman Composites LLC (po lewej) i Armia Stanów Zjednoczonych (po prawej).
W 2016 roku firma Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) otrzymała grant w ramach fazy 1 programu Small Business Innovation Research (SBIR) finansowanego przez armię amerykańską na opracowanie metody naprawy, którą żołnierze mogą z powodzeniem wykonywać na miejscu. W oparciu o to podejście, w 2018 roku przyznano drugi etap grantu SBIR, aby zaprezentować nowe materiały i sprzęt zasilany bateryjnie. Nawet jeśli naprawę wykona nowicjusz bez wcześniejszego przeszkolenia, możliwe jest przywrócenie 90% lub więcej konstrukcji do pierwotnej wytrzymałości. Wykonalność technologii jest oceniana poprzez przeprowadzenie szeregu analiz, doboru materiałów, produkcji próbek i testów mechanicznych, a także napraw na małą i dużą skalę.
Głównym badaczem w dwóch fazach SBIR jest Michael Bergen, założyciel i prezes Custom Technologies LLC. Bergen przeszedł na emeryturę z Carderock w Naval Surface Warfare Center (NSWC) i przez 27 lat służył w Departamencie Konstrukcji i Materiałów, gdzie zarządzał rozwojem i zastosowaniem technologii kompozytowych we flocie Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych. Dr Roger Crane dołączył do Custom Technologies w 2015 roku po przejściu na emeryturę z Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych w 2011 roku i służy tam od 32 lat. Jego wiedza specjalistyczna z zakresu materiałów kompozytowych obejmuje publikacje techniczne i patenty, obejmujące takie tematy, jak nowe materiały kompozytowe, wytwarzanie prototypów, metody łączenia, wielofunkcyjne materiały kompozytowe, monitorowanie stanu konstrukcji oraz odbudowa materiałów kompozytowych.
Dwóch ekspertów opracowało unikalną metodę naprawy pęknięć w aluminiowej nadbudówce krążownika rakietowego Ticonderoga CG-47 (5456) wykorzystującą materiały kompozytowe. „Proces ten został opracowany w celu ograniczenia wzrostu pęknięć i stworzenia ekonomicznej alternatywy dla wymiany płyty platformy kosztującej od 2 do 4 milionów dolarów” – powiedział Bergen. „Udowodniliśmy więc, że potrafimy przeprowadzać naprawy poza laboratorium, w rzeczywistych warunkach. Wyzwaniem jest jednak to, że obecne metody naprawy sprzętu wojskowego nie są zbyt skuteczne. Alternatywą jest naprawa metodą dupleksową z klejeniem [zasadniczo w uszkodzonych obszarach przyklejenie płyty do wierzchniej warstwy] lub wycofanie sprzętu z eksploatacji w celu przeprowadzenia napraw na poziomie magazynu (poziom D). Ponieważ naprawy na poziomie D są konieczne, wiele sprzętu jest odkładanych na później”.
Dodał, że potrzebna jest metoda, którą mogą wykonać żołnierze bez doświadczenia w pracy z materiałami kompozytowymi, korzystając jedynie z zestawów i instrukcji konserwacji. Naszym celem jest uproszczenie procesu: przeczytanie instrukcji, ocena uszkodzeń i wykonanie napraw. Nie chcemy mieszać płynnych żywic, ponieważ wymaga to precyzyjnych pomiarów, aby zapewnić całkowite utwardzenie. Potrzebujemy również systemu, który nie będzie wytwarzał niebezpiecznych odpadów po zakończeniu naprawy. Musi on być zapakowany w zestaw, który można wdrożyć w ramach istniejącej sieci.
Jednym z rozwiązań, które Custom Technologies z powodzeniem zademonstrowało, jest przenośny zestaw, który wykorzystuje utwardzony klej epoksydowy do dostosowywania łatki kompozytowej do rozmiaru uszkodzenia (do 12 cali kwadratowych). Demonstracja została przeprowadzona na materiale kompozytowym reprezentującym pokład AMCB o grubości 3 cali. Materiał kompozytowy ma rdzeń z balsy o grubości 3 cali (gęstość 15 funtów na stopę sześcienną) i dwie warstwy tkaniny Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C-LT 1100 z włókna węglowego 0°/90° dwukierunkowo szytej, jedną warstwę włókna węglowego C-TLX 1900 0°/+45°/-45° trzy wałki i dwie warstwy C-LT 1100, łącznie pięć warstw. „Zdecydowaliśmy, że zestaw będzie wykorzystywał prefabrykowane łatki w laminacie quasi-izotropowym podobnym do wieloosiowego, dzięki czemu kierunek tkaniny nie będzie stanowił problemu” – powiedział Crane.
Kolejnym problemem jest matryca żywiczna używana do naprawy laminatu. Aby uniknąć mieszania się płynnej żywicy, łata będzie wykonana z prepregu. „Jednak te wyzwania dotyczą przechowywania” – wyjaśnił Bergen. Aby opracować rozwiązanie umożliwiające przechowywanie łaty, Custom Technologies nawiązało współpracę z Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornia, USA) w celu opracowania prepregu z włókna szklanego/winyloestru, który można utwardzać światłem ultrafioletowym (UV) w ciągu sześciu minut. Firma nawiązała również współpracę z Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), która zasugerowała zastosowanie nowej, elastycznej powłoki epoksydowej.
Wczesne badania wykazały, że żywica epoksydowa jest najodpowiedniejszą żywicą do prepregów z włókna węglowego – utwardzany promieniowaniem UV winyloester i półprzezroczyste włókno szklane sprawdzają się dobrze, ale nie utwardzają się pod włóknem węglowym blokującym światło. Gotowy prepreg epoksydowy, oparty na nowej folii Gougeon Brothers, jest utwardzany przez 1 godzinę w temperaturze 99°C (210°F) i ma długi okres trwałości w temperaturze pokojowej – nie wymaga przechowywania w niskiej temperaturze. Bergen powiedział, że jeśli wymagana jest wyższa temperatura zeszklenia (Tg), żywica również będzie utwardzana w wyższej temperaturze, np. 177°C (350°F). Oba prepregi są dostarczane w przenośnym zestawie naprawczym w postaci stosu łatek prepregów zamkniętych w plastikowej kopercie.
Ponieważ zestaw naprawczy może być przechowywany przez długi czas, Custom Technologies musi przeprowadzić badanie trwałości. „Zakupiliśmy cztery twarde plastikowe obudowy – typowe dla sprzętu wojskowego stosowane w transporcie – i do każdej z nich włożyliśmy próbki kleju epoksydowego i prepregu winyloestrowego” – powiedział Bergen. Następnie pudełka umieszczono w czterech różnych lokalizacjach do testów: na dachu fabryki Gougeon Brothers w Michigan, na dachu lotniska w Maryland, w obiekcie zewnętrznym w Yucca Valley (pustynia kalifornijska) oraz w zewnętrznym laboratorium badań korozyjnych w południowej Florydzie. Wszystkie skrzynki są wyposażone w rejestratory danych – podkreśla Bergen. „Pobieramy dane i próbki materiałów do oceny co trzy miesiące. Maksymalna temperatura rejestrowana w skrzynkach na Florydzie i w Kalifornii wynosi 60°C (140°F), co jest wartością odpowiednią dla większości żywic renowacyjnych. To prawdziwe wyzwanie”. Ponadto firma Gougeon Brothers przeprowadziła wewnętrzne testy nowo opracowanej, czystej żywicy epoksydowej. „Próbki umieszczone w piecu w temperaturze 49°C (120°F) na kilka miesięcy zaczynają polimeryzować” – powiedział Bergen. „Jednakże w przypadku próbek przechowywanych w temperaturze 110°F skład chemiczny żywicy poprawił się tylko nieznacznie”.
Naprawę zweryfikowano na płycie testowej i tym modelu AMCB w skali, który wykorzystał ten sam laminat i rdzeń, co oryginalny most zbudowany przez Seemann Composites. Źródło zdjęcia: Custom Technologies LLC
Aby zademonstrować technikę naprawy, konieczne było wyprodukowanie, uszkodzenie i naprawa reprezentatywnego laminatu. „W pierwszej fazie projektu początkowo wykorzystaliśmy belki o wymiarach 4 x 48 cali (ok. 12 x 120 cm) w małej skali oraz testy zginania czteropunktowego, aby ocenić wykonalność naszego procesu naprawy” – powiedział Klein. „Następnie, w drugiej fazie projektu, przeszliśmy na panele o wymiarach 12 x 48 cali (ok. 30 x 120 cm), zastosowaliśmy obciążenia, aby wygenerować stan naprężenia dwuosiowego, który spowodował awarię, a następnie oceniliśmy skuteczność naprawy. W drugiej fazie ukończyliśmy również model AMCB, który zbudowaliśmy w ramach Maintenance”.
Bergen powiedział, że panel testowy użyty do udowodnienia skuteczności naprawy został wyprodukowany przy użyciu tej samej linii laminatów i materiałów rdzeniowych co AMCB wyprodukowany przez Seemann Composites, „ale zmniejszyliśmy grubość panelu z 0,375 cala do 0,175 cala, w oparciu o twierdzenie o osi równoległej. Tak jest w tym przypadku. Metoda, wraz z dodatkowymi elementami teorii belki i klasycznej teorii laminatów [CLT], została użyta do powiązania momentu bezwładności i efektywnej sztywności pełnowymiarowego AMCB z mniejszym produktem demonstracyjnym, który jest łatwiejszy w obsłudze i bardziej opłacalny. Następnie model analizy elementów skończonych [FEA] opracowany przez XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) został użyty do ulepszenia projektu napraw konstrukcyjnych”. Tkanina z włókna węglowego użyta do paneli testowych i modelu AMCB została zakupiona od Vectorply, a rdzeń z balsy został wykonany przez Core Composites (Bristol, RI, USA).
Krok 1. Ten panel testowy wyświetla otwór o średnicy 3 cali (7,5 cm), aby symulować uszkodzenie zaznaczone w środku i naprawić obwód. Źródło zdjęć dla wszystkich kroków: Custom Technologies LLC.
Krok 2. Za pomocą ręcznej szlifierki akumulatorowej usuń uszkodzony materiał i zabezpiecz łatkę naprawczą stożkiem 12:1.
„Chcemy zasymulować wyższy stopień uszkodzeń płyty testowej niż ten, który można zaobserwować na płycie mostu w terenie” – wyjaśnił Bergen. „Nasza metoda polega na użyciu otwornicy do wykonania otworu o średnicy 7,5 cm. Następnie wyciągamy korek z uszkodzonego materiału i używamy ręcznej szlifierki pneumatycznej do uzyskania efektu 12:1”.
Crane wyjaśnił, że w przypadku naprawy z włókna węglowego/epoksydu, po usunięciu „uszkodzonego” materiału panelu i nałożeniu odpowiedniego szalika, prepreg zostanie przycięty na szerokość i długość, aby dopasować go do stożka uszkodzonego obszaru. „W przypadku naszego panelu testowego wymaga to czterech warstw prepregu, aby materiał naprawczy był spójny z górną częścią oryginalnego, nieuszkodzonego panelu węglowego. Następnie trzy warstwy wierzchnie prepregu węglowego/epoksydowego są skoncentrowane na naprawianej części. Każda kolejna warstwa rozciąga się o 2,5 cm z każdej strony dolnej warstwy, co zapewnia stopniowe przenoszenie obciążenia z „dobrego” materiału otaczającego na naprawiany obszar”. Całkowity czas wykonania tej naprawy – wliczając przygotowanie obszaru naprawy, cięcie i nakładanie materiału renowacyjnego oraz zastosowanie procedury utwardzania – wynosi około 2,5 godziny.
W przypadku prepregu z włókna węglowego/epoksydu, naprawiany obszar jest pakowany próżniowo i utwardzany w temperaturze 210°F/99°C przez jedną godzinę za pomocą termicznego urządzenia spajającego zasilanego bateryjnie.
Chociaż naprawa metodą węglowo-epoksydową jest prosta i szybka, zespół dostrzegł potrzebę wygodniejszego rozwiązania przywracającego wydajność. Doprowadziło to do badań nad prepregami utwardzanymi promieniowaniem ultrafioletowym (UV). „Zainteresowanie żywicami winyloestrowymi Sunrez wynika z wcześniejszych doświadczeń założyciela firmy, Marka Livesaya, w służbie marynarki wojennej” – wyjaśnił Bergen. „Najpierw dostarczyliśmy Sunrez quasi-izotropową tkaninę szklaną, wykorzystując ich prepreg winyloestrowy, i oceniliśmy krzywą utwardzania w różnych warunkach. Ponadto, ponieważ wiemy, że żywica winyloestrowa nie zapewnia odpowiedniej przyczepności wtórnej, jak żywica epoksydowa, konieczne są dodatkowe wysiłki w celu oceny różnych środków sprzęgających warstwy kleju i określenia, który z nich jest odpowiedni do danego zastosowania”.
Innym problemem jest to, że włókna szklane nie mogą zapewnić takich samych właściwości mechanicznych jak włókna węglowe. „W porównaniu z łatką węglowo-epoksydową, ten problem rozwiązuje się poprzez zastosowanie dodatkowej warstwy włókna szklanego/winyloestru” – powiedział Crane. „Powodem, dla którego potrzebna jest tylko jedna dodatkowa warstwa, jest fakt, że materiał szklany jest cięższy”. W ten sposób powstaje odpowiednia łatka, którą można nałożyć i połączyć w ciągu sześciu minut, nawet w bardzo niskich/mroźnych temperaturach na polu. Utwardzanie odbywa się bez użycia ciepła. Crane podkreślił, że naprawę można wykonać w ciągu godziny.
Oba systemy łatania zostały zademonstrowane i przetestowane. W przypadku każdej naprawy obszar do uszkodzenia jest oznaczany (krok 1), tworzony za pomocą piły otwornicy, a następnie usuwany za pomocą ręcznej szlifierki akumulatorowej (krok 2). Następnie nacina się naprawiany obszar na stożek 12:1. Oczyszcza się powierzchnię szalika wacikiem nasączonym alkoholem (krok 3). Następnie przycina się łatę do określonego rozmiaru, umieszcza się ją na oczyszczonej powierzchni (krok 4) i utrwala wałkiem, aby usunąć pęcherzyki powietrza. W przypadku prepregu z włókna szklanego/winyloestru utwardzanego promieniowaniem UV, na naprawiany obszar nakłada się warstwę rozdzielającą i utwardza łatę bezprzewodową lampą UV przez sześć minut (krok 5). W przypadku prepregu z włókna węglowego/epoksydu, należy użyć wstępnie zaprogramowanego, zasilanego bateryjnie, jednoprzyciskowego urządzenia do łączenia termicznego, aby zapakować próżniowo i utwardzić naprawiany obszar w temperaturze 99°C przez godzinę.
Krok 5. Po nałożeniu warstwy złuszczającej na naprawiony obszar, użyj bezprzewodowej lampy UV, aby utwardzić łatkę przez 6 minut.
„Następnie przeprowadziliśmy testy, aby ocenić przyczepność łatki i jej zdolność do przywracania nośności konstrukcji” – powiedział Bergen. „W pierwszym etapie musimy udowodnić łatwość aplikacji i zdolność do odzyskania co najmniej 75% wytrzymałości. Odbywa się to poprzez czteropunktowe zginanie belki z rdzeniem z włókna węglowego/żywicy epoksydowej i balsy o wymiarach 4 x 48 cali po naprawie symulowanych uszkodzeń. Tak. W drugim etapie projektu wykorzystano panel o wymiarach 12 x 48 cali, który musi spełniać wymagania wytrzymałościowe przekraczające 90% przy złożonych obciążeniach odkształcających. Spełniliśmy wszystkie te wymagania, a następnie sfotografowaliśmy metody naprawy na modelu AMCB. Jak wykorzystać technologię i sprzęt terenowy do zapewnienia wizualnego odniesienia”.
Kluczowym aspektem projektu jest udowodnienie, że nowicjusze z łatwością wykonają naprawę. Dlatego Bergen wpadł na pomysł: „Obiecałem zademonstrować to naszym dwóm kontaktom technicznym w armii: dr. Bernardowi Sii i Ashley Gennie. Podczas końcowej oceny pierwszego etapu projektu nie prosiłem o żadne naprawy. Doświadczona Ashley wykonała naprawę. Korzystając z dostarczonego przez nas zestawu i instrukcji, nałożyła łatkę i bez problemu ukończyła naprawę”.
Rysunek 2. Zasilana bateryjnie, wstępnie zaprogramowana, termiczna maszyna do łączenia na gorąco, utwardza łatę naprawczą z włókna węglowego/epoksydu za naciśnięciem przycisku, bez konieczności posiadania wiedzy z zakresu napraw ani programowania cyklu utwardzania. Źródło obrazu: Custom Technologies, LLC
Kolejnym kluczowym udoskonaleniem jest system utwardzania zasilany bateryjnie (rysunek 2). „Podczas konserwacji w terenie korzysta się wyłącznie z zasilania bateryjnego” – zauważył Bergen. „Cały sprzęt procesowy w opracowanym przez nas zestawie naprawczym jest bezprzewodowy”. Obejmuje to zasilane bateryjnie urządzenie do klejenia termicznego, opracowane wspólnie przez Custom Technologies i dostawcę urządzeń do klejenia termicznego, firmę WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). „Ta zasilana bateryjnie spawarka termiczna jest wstępnie zaprogramowana do pełnego utwardzania, więc nowicjusze nie muszą programować cyklu utwardzania” – powiedział Crane. „Wystarczy nacisnąć przycisk, aby ukończyć odpowiednie nagrzewanie i namaczanie”. Obecnie używane akumulatory wystarczają na rok, zanim będą wymagały ponownego naładowania.
Po zakończeniu drugiego etapu projektu, Custom Technologies przygotowuje kolejne propozycje ulepszeń i zbiera listy zainteresowania oraz poparcia. „Naszym celem jest doprowadzenie tej technologii do poziomu TRL 8 i wprowadzenie jej do użytku w terenie” – powiedział Bergen. „Dostrzegamy również potencjał w zastosowaniach pozamilitarnych”.
Wyjaśnia starą sztukę stojącą za pierwszym w branży wzmocnieniem włókienniczym i posiada dogłębną wiedzę na temat nowej nauki o włóknach i przyszłego rozwoju.
Wkrótce i po raz pierwszy w locie samolot 787 będzie korzystał z innowacji w zakresie materiałów kompozytowych i procesów, aby osiągnąć swoje cele
Czas publikacji: 02.09.2021