Przenośny zestaw można naprawiać za pomocą utwardzanego promieniami UV prepregu z włókna szklanego/winyloestru lub włókna węglowego/epoksydu, przechowywanego w temperaturze pokojowej oraz zasilanego bateryjnie sprzętu do utwardzania. #insidemanufacturing #infrastructure
Naprawa łat prepregowych utwardzanych promieniami UV Chociaż naprawa prepregów z włókna węglowego/epoksydu opracowana przez Custom Technologies LLC dla mostu kompozytowego na wewnętrznym polu okazała się prosta i szybka, zastosowanie żywicy winyloestrowej wzmocnionej włóknem szklanym utwardzanej promieniami UV Prepreg pozwoliło na opracowanie wygodniejszego systemu. Źródło obrazu: Custom Technologies LLC
Modułowe, rozkładane mosty są kluczowymi aktywami dla taktycznych operacji wojskowych i logistyki, a także przywracania infrastruktury transportowej podczas klęsk żywiołowych. Badane są konstrukcje kompozytowe w celu zmniejszenia ciężaru takich mostów, a tym samym zmniejszenia obciążenia 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 Advanced Modular Composite Bridge (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) i Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) wykorzystują laminaty epoksydowe wzmacniane włóknem węglowym (rysunek 1). ) Projekt i konstrukcja). Jednak możliwość naprawy takich konstrukcji w terenie stanowi problem, który utrudnia przyjęcie materiałów kompozytowych.
Rysunek 1 Most kompozytowy, kluczowy zasób wewnętrzny Most Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) został zaprojektowany i zbudowany przez Seemann Composites LLC i Materials Sciences LLC przy użyciu kompozytów żywicy epoksydowej wzmocnionej włóknem węglowym. Źródło obrazu: Seeman Composites LLC (po lewej) i US Army (po prawej).
W 2016 r. Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) otrzymało dofinansowanie z US Army Small Business Innovation Research (SBIR) Phase 1 na opracowanie metody naprawy, którą żołnierze mogą z powodzeniem wykonywać na miejscu. Na podstawie tego podejścia przyznano drugą fazę grantu SBIR w 2018 r. w celu zaprezentowania nowych materiałów i sprzętu zasilanego bateriami, nawet jeśli łatkę wykonuje nowicjusz bez wcześniejszego przeszkolenia, można przywrócić 90% lub więcej konstrukcji Surowa wytrzymałość. Wykonalność technologii jest określana poprzez przeprowadzenie szeregu analiz, doboru materiałów, produkcji próbek i zadań testowania mechanicznego, a także napraw 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 służył w dziale struktur i materiałów przez 27 lat, gdzie zarządzał rozwojem i zastosowaniem technologii kompozytowych we flocie US Navy. Dr Roger Crane dołączył do Custom Technologies w 2015 r. po przejściu na emeryturę z US Navy w 2011 r. i służył przez 32 lata. Jego wiedza specjalistyczna na temat materiałów kompozytowych obejmuje publikacje techniczne i patenty, obejmujące takie tematy, jak nowe materiały kompozytowe, produkcja prototypów, metody łączenia, wielofunkcyjne materiały kompozytowe, monitorowanie stanu konstrukcji i przywracanie materiałów kompozytowych.
Dwóch ekspertów opracowało unikalny proces, który wykorzystuje materiały kompozytowe do naprawy pęknięć w aluminiowej nadbudówce krążownika rakietowego klasy Ticonderoga CG-47 5456. „Proces został opracowany w celu zmniejszenia wzrostu pęknięć i jako ekonomiczna alternatywa dla wymiany płyty platformy kosztującej od 2 do 4 milionów dolarów” — powiedział Bergen. „W ten sposób udowodniliśmy, że wiemy, jak wykonywać naprawy poza laboratorium i w rzeczywistym środowisku serwisowym. Ale wyzwaniem jest to, że obecne metody naprawy zasobów wojskowych nie są zbyt skuteczne. Opcją jest naprawa metodą dupleksu klejonego [zasadniczo w uszkodzonych obszarach Przyklej płytę do góry] lub wycofanie aktywów z eksploatacji w celu naprawy na poziomie magazynu (poziom D). Ponieważ wymagane są naprawy na poziomie D, wiele aktywów jest odkładanych na bok”.
Dodał, że potrzebna jest metoda, którą mogą wykonać żołnierze bez doświadczenia w materiałach kompozytowych, używając jedynie 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 bez niebezpiecznych odpadów po zakończeniu napraw. I musi być on zapakowany jako zestaw, który może zostać wdrożony przez istniejącą sieć. ”
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° zszytej dwukierunkowo, jedną warstwę włókna węglowego C-TLX 1900 0°/+45°/-45°, trzy wałki i dwie warstwy C-LT 1100, łącznie pięć warstw. „Postanowiliśmy, 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 płynnej żywicy, łatka będzie używać prepregu. „Jednak te wyzwania dotyczą przechowywania”, wyjaśnił Bergen. Aby opracować rozwiązanie łatki nadające się do przechowywania, Custom Technologies nawiązało współpracę z Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornia, USA) w celu opracowania prepregu z włókna szklanego/winyloestru, który może wykorzystywać światło ultrafioletowe (UV) w ciągu sześciu minut Utwardzanie światłem. Współpracowało również z Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), który zasugerował użycie nowej elastycznej folii epoksydowej.
Wczesne badania wykazały, że żywica epoksydowa jest najbardziej odpowiednią żywicą do prepregów z włókna węglowego — utwardzany promieniami UV winyloester i półprzezroczyste włókno szklane sprawdzają się dobrze, ale nie utwardzają się pod blokującym światło włóknem węglowym. Na podstawie nowej folii Gougeon Brothers ostateczny prepreg epoksydowy jest utwardzany przez 1 godzinę w temperaturze 210°F/99°C i ma długi okres trwałości w temperaturze pokojowej — nie ma potrzeby przechowywania w niskiej temperaturze. Bergen powiedział, że jeśli wymagana jest wyższa temperatura zeszklenia (Tg), żywica zostanie również utwardzona w wyższej temperaturze, takiej jak 350°F/177°C. Oba prepregi są dostarczane w przenośnym zestawie naprawczym jako stos łatek prepregów zamkniętych w plastikowej kopercie foliowej.
Ponieważ zestaw naprawczy może być przechowywany przez długi czas, Custom Technologies musi przeprowadzić badanie okresu przydatności. „Kupiliśmy cztery twarde plastikowe obudowy — typowe wojskowe obudowy używane w sprzęcie transportowym — i umieściliśmy w każdej z nich próbki kleju epoksydowego i winyloestrowego prepregu” — powiedział Bergen. Następnie pudełka umieszczono w czterech różnych miejscach w celu przeprowadzenia testów: na dachu fabryki Gougeon Brothers w Michigan, na dachu lotniska w Maryland, w obiekcie zewnętrznym w Yucca Valley (pustynia w Kalifornii) oraz w laboratorium do badań korozyjnych na zewnątrz w południowej Florydzie. Wszystkie skrzynki mają 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 140°F, co jest dobrą temperaturą dla większości żywic renowacyjnych. To prawdziwe wyzwanie”. Ponadto Gougeon Brothers przeprowadził wewnętrzne testy nowo opracowanej czystej żywicy epoksydowej. „Próbki umieszczone w piecu w temperaturze 120°F przez kilka miesięcy zaczynają polimeryzować” — powiedział Bergen. „Jednakże w przypadku próbek przechowywanych w temperaturze 110°F, skład chemiczny żywicy poprawił się jedynie nieznacznie”.
Naprawa została zweryfikowana na płycie testowej i tym modelu w skali AMCB, który wykorzystywał ten sam laminat i materiał rdzenia, co oryginalny most zbudowany przez Seemann Composites. Źródło obrazu: Custom Technologies LLC
Aby zademonstrować technikę naprawy, należy wyprodukować, uszkodzić i naprawić reprezentatywny laminat. „W pierwszej fazie projektu początkowo użyliśmy belek 4 x 48 cali na małą skalę i czteropunktowych testów zginania, aby ocenić wykonalność naszego procesu naprawy” — powiedział Klein. „Następnie przeszliśmy na panele 12 x 48 cali w drugiej fazie projektu, zastosowaliśmy obciążenia, aby wygenerować stan naprężenia dwuosiowego powodujący awarię, a następnie oceniliśmy wydajność naprawy. W drugiej fazie ukończyliśmy również model AMCB, który zbudowaliśmy Maintenance”.
Bergen powiedział, że panel testowy użyty do udowodnienia wydajności 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 laminatu [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 balsowy został wykonany przez Core Composites (Bristol, RI, USA).
Krok 1. Ten panel testowy wyświetla średnicę otworu 3 cali, aby symulować uszkodzenia zaznaczone w środku i naprawić obwód. Źródło zdjęcia dla wszystkich kroków: Custom Technologies LLC.
Krok 2. Za pomocą ręcznej szlifierki akumulatorowej usuń uszkodzony materiał i zabezpiecz łatkę naprawczą stożkiem 12:1.
„Chcemy symulować wyższy stopień uszkodzeń na płycie testowej niż można zobaczyć na płycie mostu w terenie” – wyjaśnił Bergen. „Nasza metoda polega więc na użyciu piły otworowej do wykonania otworu o średnicy 3 cali. Następnie wyciągamy korek uszkodzonego materiału i używamy ręcznej szlifierki pneumatycznej do przetworzenia 12:1 szalika”.
Crane wyjaśnił, że w przypadku naprawy 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 zgodny z górną częścią oryginalnego, nieuszkodzonego panelu węglowego. Następnie trzy warstwy wierzchnie prepregu węglowego/epoksydowego są skoncentrowane na naprawionej części. Każda kolejna warstwa rozciąga się na 1 cal ze wszystkich stron dolnej warstwy, co zapewnia stopniowe przenoszenie obciążenia z „dobrego” otaczającego materiału na naprawiany obszar”. Całkowity czas wykonania tej naprawy — w tym przygotowanie obszaru naprawy, cięcie i umieszczanie materiału renowacyjnego oraz zastosowanie procedury utwardzania — wynosi około 2,5 godziny.
W przypadku prepregu z włókna węglowego/epoksydu, obszar naprawy jest pakowany próżniowo i utwardzany w temperaturze 210°F/99°C przez jedną godzinę za pomocą zasilanego bateryjnie urządzenia do łączenia termicznego.
Chociaż naprawa metodą węglowo-epoksydową jest prosta i szybka, zespół dostrzegł potrzebę wygodniejszego rozwiązania w celu przywrócenia wydajności. Doprowadziło to do eksploracji prepregów utwardzanych ultrafioletem (UV). „Zainteresowanie żywicami winyloestrowymi Sunrez wynika z wcześniejszych doświadczeń marynarki wojennej z założycielem firmy Markiem Livesayem” — 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 jest taka jak żywica epoksydowa, która zapewnia odpowiednią przyczepność wtórną, konieczne są dodatkowe wysiłki w celu oceny różnych środków sprzęgających warstwy klejącej 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, problem ten rozwiązuje się poprzez zastosowanie dodatkowej warstwy szkła/winyloestru” — powiedział Crane. „Powodem, dla którego potrzebna jest tylko jedna dodatkowa warstwa, jest to, że materiał szklany jest cięższą tkaniną”. Daje to odpowiednią łatkę, którą można nałożyć i połączyć w ciągu sześciu minut, nawet w bardzo niskich/mroźnych temperaturach na boisku. Utwardzanie bez dostarczania ciepła. Crane zauważył, że tę naprawę można wykonać w ciągu godziny.
Oba systemy łatek zostały zademonstrowane i przetestowane. W przypadku każdej naprawy obszar, który ma zostać uszkodzony, jest oznaczany (krok 1), tworzony za pomocą piły otwornicy, a następnie usuwany za pomocą ręcznej szlifierki zasilanej akumulatorem (krok 2). Następnie nacina się naprawiany obszar na stożek 12:1. Oczyszcza się powierzchnię szalika wacikiem nasączonym alkoholem (krok 3). Następnie przycina się łatkę naprawczą do określonego rozmiaru, umieszcza się ją na oczyszczonej powierzchni (krok 4) i utrwala wałkiem, aby usunąć pęcherzyki powietrza. W przypadku prepregu winyloestrowego z włókna szklanego/utwardzanego promieniami UV, należy umieścić warstwę rozdzielającą na naprawianym obszarze i utwardzić łatkę za pomocą bezprzewodowej lampy UV przez sześć minut (krok 5). W przypadku prepregu z włókna węglowego/epoksydu użyj wstępnie zaprogramowanego, zasilanego akumulatorem urządzenia do łączenia termicznego z jednym przyciskiem, aby zapakować próżniowo i utwardzić naprawiany obszar w temperaturze 210°F/99°C przez jedną godzinę.
Krok 5. Po nałożeniu warstwy złuszczającej na naprawiany 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. „Na pierwszym etapie musimy udowodnić łatwość aplikacji i zdolność do odzyskania co najmniej 75% wytrzymałości. Odbywa się to poprzez czteropunktowe zginanie belki rdzeniowej z włókna węglowego/żywicy epoksydowej i balsy o wymiarach 4 x 48 cali po naprawie symulowanych uszkodzeń. Tak. W drugiej fazie projektu wykorzystano panel o wymiarach 12 x 48 cali i musi on wykazywać ponad 90% wymagań wytrzymałościowych przy złożonych obciążeniach odkształceniowych. Spełniliśmy wszystkie te wymagania, a następnie sfotografowaliśmy metody naprawy na modelu AMCB. Jak wykorzystać technologię i sprzęt terenowy, aby zapewnić wizualne odniesienie”.
Kluczowym aspektem projektu jest udowodnienie, że nowicjusze mogą łatwo wykonać naprawę. Z tego powodu Bergen wpadł na pomysł: „Obiecałem zademonstrować to naszym dwóm kontaktom technicznym w armii: dr Bernardowi Sia i Ashley Genna. Podczas ostatecznego przeglądu pierwszej fazy projektu nie prosiłem o żadne naprawy. Doświadczona Ashley wykonała naprawę. Korzystając z zestawu i instrukcji, które dostarczyliśmy, nałożyła łatkę i ukończyła naprawę bez żadnych problemów”.
Rysunek 2 Zasilana bateryjnie, wstępnie zaprogramowana, zasilana bateryjnie maszyna do łączenia termicznego może utwardzać łatkę naprawczą z włókna węglowego/epoksydu za naciśnięciem przycisku, bez potrzeby wiedzy o naprawie lub programowania cyklu utwardzania. Źródło obrazu: Custom Technologies, LLC
Innym kluczowym osiągnięciem jest zasilany bateryjnie system utwardzania (Rysunek 2). „Podczas konserwacji w terenie masz tylko zasilanie bateryjne”, zauważył Bergen. „Cały sprzęt procesowy w zestawie naprawczym, który opracowaliśmy, jest bezprzewodowy”. Obejmuje to zasilane bateryjnie urządzenie do łączenia termicznego opracowane wspólnie przez Custom Technologies i dostawcę maszyn do łączenia termicznego WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). „To zasilane bateryjnie urządzenie do łączenia termicznego jest wstępnie zaprogramowane do ukończenia utwardzania, więc nowicjusze nie muszą programować cyklu utwardzania”, powiedział Crane. „Wystarczy nacisnąć przycisk, aby ukończyć właściwe nachylenie i namaczanie”. Obecnie używane baterie mogą wytrzymać rok, zanim będą wymagały ponownego naładowania.
Po zakończeniu drugiej fazy projektu Custom Technologies przygotowuje dalsze propozycje ulepszeń i zbiera listy zainteresowania i wsparcia. „Naszym celem jest doprowadzenie tej technologii do TRL 8 i wprowadzenie jej w teren” — powiedział Bergen. „Widzimy również potencjał w zastosowaniach niemilitarnych”.
Wyjaśnia starą technikę, na której opiera się pierwsze wzmocnienie włókien w branży, i posiada dogłębną wiedzę na temat nowej nauki o włóknach i przyszłego rozwoju.
Samolot 787, który wkrótce po raz pierwszy odbędzie lot, opiera się na innowacjach w zakresie materiałów kompozytowych i procesów, aby osiągnąć swoje cele
Czas publikacji: 02-09-2021