Przenośny zestaw można naprawić przy użyciu utwardzanego promieniami UV włókna szklanego/estru winylowego lub prepregu z włókna węglowego/epoksydu, przechowywanych w temperaturze pokojowej i przy użyciu sprzętu utwardzającego zasilanego akumulatorowo. #wewnątrzprodukcji #infrastruktura
Naprawa łat z prepregu utwardzanego promieniowaniem UV Chociaż opracowana przez Custom Technologies LLC naprawa prepregu z włókna węglowego/epoksydu dla kompozytowego mostu bramkowego okazała się prosta i szybka, zastosowanie żywicy winyloestrowej wzmocnionej włóknem szklanym, utwardzanej promieniami UV, Prepreg pozwoliło opracować wygodniejszy system . Źródło obrazu: Custom Technologies LLC
Modułowe, rozstawiane mosty są krytycznymi elementami taktycznych operacji wojskowych i logistyki, a także przywracania infrastruktury transportowej podczas klęsk żywiołowych. Badane są konstrukcje kompozytowe pod kątem zmniejszenia ciężaru takich mostów, a tym samym zmniejszenia obciążenia pojazdów transportowych i mechanizmów odzyskiwania po starcie. W porównaniu z mostami metalowymi materiały kompozytowe mogą również zwiększać nośność i wydłużać żywotność.
Przykładem jest zaawansowany modułowy most kompozytowy (AMCB). Firmy Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) i Materials Sciences LLC (Horsham, Pensylwania, USA) stosują laminaty epoksydowe wzmocnione włóknem węglowym (rysunek 1). ) Projektowanie i budowa). Jednakże możliwość naprawy takich konstrukcji w terenie stanowi problem utrudniający stosowanie materiałów kompozytowych.
Rysunek 1 Most kompozytowy, kluczowy atut boiska. Zaawansowany modułowy most kompozytowy (AMCB) został zaprojektowany i zbudowany przez firmy 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. firma Custom Technologies LLC (Millersville, Maryland, USA) otrzymała finansowany przez armię amerykańską grant na fazę 1 badań nad innowacjami małych przedsiębiorstw (SBIR) w celu opracowania metody naprawy, którą żołnierze mogą z powodzeniem przeprowadzić na miejscu. W oparciu o to podejście w 2018 r. przyznano drugą fazę grantu SBIR w celu zaprezentowania nowych materiałów i sprzętu zasilanego bateryjnie, nawet jeśli łatka zostanie wykonana przez nowicjusza bez wcześniejszego przeszkolenia, 90% lub więcej konstrukcji można przywrócić w stanie surowym wytrzymałość. Wykonalność technologii określa się na podstawie szeregu analiz, doboru materiałów, wytwarzania próbek i testów mechanicznych, 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 w Carderock w Naval Surface Warfare Center (NSWC) i przez 27 lat pracował 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 r., po przejściu na emeryturę w marynarce wojennej Stanów Zjednoczonych w 2011 r. i przepracował w niej 32 lata. Jego wiedza specjalistyczna w zakresie 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 renowacja materiałów kompozytowych.
Obaj eksperci opracowali unikalny proces, w którym wykorzystuje się materiały kompozytowe do naprawy pęknięć w aluminiowej nadbudowie krążownika rakietowego klasy Ticonderoga CG-47 5456. „Proces został opracowany w celu ograniczenia wzrostu pęknięć i stanowi ekonomiczną alternatywę na wymianę płyty platformy za 2–4 miliony dolarów” – powiedział Bergen. „W ten sposób udowodniliśmy, że wiemy, jak wykonywać naprawy poza laboratorium i w prawdziwym środowisku serwisowym. Wyzwanie polega jednak na tym, że obecne metody wykorzystania zasobów wojskowych nie są zbyt skuteczne. Opcją jest klejona naprawa dwustronna [zasadniczo w uszkodzonych obszarach Przyklej deskę do góry] lub wycofanie środka trwałego z użytku w celu naprawy na poziomie magazynu (poziom D). Ponieważ wymagane są naprawy na poziomie D, wiele aktywów odkłada się na bok”.
Następnie stwierdził, że potrzebna jest metoda, którą mogą wykonać żołnierze bez doświadczenia z materiałami kompozytowymi, korzystając jedynie z zestawów i instrukcji konserwacji. Naszym celem jest uproszczenie procesu: przeczytaj instrukcję, oceń uszkodzenia i przeprowadź naprawę. Nie chcemy mieszać żywic płynnych, ponieważ wymaga to dokładnego odmierzenia, aby zapewnić całkowite utwardzenie. Potrzebujemy również systemu pozbawionego niebezpiecznych odpadów po zakończeniu napraw. Musi być także spakowany jako zestaw, który można wdrożyć w istniejącej sieci. ”
Jednym z rozwiązań, które firma Custom Technologies z powodzeniem zademonstrowała, jest przenośny zestaw wykorzystujący utwardzany klej epoksydowy w celu dostosowania łaty kompozytowej do rozmiaru uszkodzenia (do 12 cali kwadratowych). Demonstrację przeprowadzono na materiale kompozytowym reprezentującym pokład AMCB o grubości 3 cali. Materiał kompozytowy składa się z rdzenia z drewna balsa o grubości 3 cali (gęstość 15 funtów na stopę sześcienną) i dwóch warstw tkaniny Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C-LT 1100 z włókna węglowego 0°/90°, zszytej dwuosiowo, jedna warstwa C-TLX 1900 włókno węglowe 0°/+45°/-45° trzy wałki i dwie warstwy C-LT 1100, w sumie pięć warstw. „Zdecydowaliśmy, że zestaw będzie zawierał prefabrykowane łaty z quasi-izotropowego laminatu podobnego do wieloosiowego, dzięki czemu kierunek tkaniny nie będzie stanowić problemu” – powiedział Crane.
Kolejną kwestią jest matryca żywiczna stosowana do naprawy laminatu. Aby uniknąć mieszania się płynnej żywicy, w łatce zastosowany zostanie prepreg. „Jednak wyzwania te dotyczą przechowywania” – wyjaśnił Bergen. Aby opracować trwały plaster, firma Custom Technologies nawiązała współpracę z firmą Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornia, USA) w celu opracowania prepregu z włókna szklanego/estru winylowego, który utwardza się światłem ultrafioletowym (UV) w ciągu sześciu minut. Współpracowała także z firmą Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), która zasugerowała zastosowanie nowej elastycznej folii epoksydowej.
Wczesne badania wykazały, że żywica epoksydowa jest najbardziej odpowiednią żywicą do prepregów z włókna węglowego. Utwardzany promieniami UV ester winylowy i półprzezroczyste włókno szklane sprawdzają się dobrze, ale nie utwardzają się pod włóknem węglowym blokującym światło. Oparty na nowej folii Gougeon Brothers, końcowy 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 będzie również utwardzana w wyższej temperaturze, np. 177°C. Obydwa prepregi są dostarczane w przenośnym zestawie naprawczym w postaci stosu plastrów prepregu zamkniętych w plastikowej kopercie.
Ponieważ zestaw naprawczy może być przechowywany przez długi czas, firma Custom Technologies ma obowiązek przeprowadzić badanie okresu przydatności do spożycia. „Kupiliśmy cztery obudowy z twardego plastiku — typowo wojskowego typu stosowanego w sprzęcie transportowym — i do każdej z nich umieściliśmy próbki kleju epoksydowego i prepregu na bazie estrów winylowych” – powiedział Bergen. Pudełka umieszczono następnie w czterech różnych miejscach w celu przeprowadzenia testów: na dachu fabryki Gougeon Brothers w Michigan, na dachu lotniska w Maryland, na terenie obiektu zewnętrznego w Yucca Valley (pustynia w Kalifornii) oraz w zewnętrznym laboratorium testującym korozję na południu Florydy. Bergen podkreśla, że wszystkie przypadki są wyposażone w rejestratory danych: „Co trzy miesiące pobieramy próbki danych i materiałów do oceny. Maksymalna temperatura zarejestrowana w skrzynkach na Florydzie i w Kalifornii wynosi 50°F, co jest dobre dla większości żywic renowacyjnych. To prawdziwe wyzwanie.” Ponadto firma Gougeon Brothers wewnętrznie przetestowała nowo opracowaną czystą żywicę epoksydową. „Próbki umieszczone w piekarniku w temperaturze 120°F na kilka miesięcy zaczynają polimeryzować” – powiedział Bergen. „Jednak w przypadku odpowiednich próbek przechowywanych w temperaturze 130°F skład chemiczny żywicy poprawił się jedynie w niewielkim stopniu”.
Naprawę zweryfikowano na płycie testowej i na tym modelu w zmniejszonej skali firmy AMCB, w którym wykorzystano ten sam laminat i materiał rdzenia, co w oryginalnym moście zbudowanym przez firmę Seemann Composites. Źródło obrazu: Custom Technologies LLC
Aby zademonstrować technikę naprawy, należy wyprodukować, uszkodzić i naprawić reprezentatywny laminat. „W pierwszej fazie projektu początkowo wykorzystaliśmy belki o wymiarach 4 x 48 cali na małą skalę i testy zginania w czterech punktach, aby ocenić wykonalność naszego procesu naprawy” – powiedział Klein. „Następnie w drugiej fazie projektu przeszliśmy na panele o wymiarach 12 x 48 cali, przyłożyliśmy obciążenia, aby wygenerować dwuosiowy stan naprężenia powodujący awarię, a następnie oceniliśmy skuteczność naprawy. W drugiej fazie ukończyliśmy także zbudowany przez nas model AMCB. Konserwacja.”
Bergen powiedział, że panel testowy użyty do sprawdzenia skuteczności naprawy został wyprodukowany przy użyciu tego samego asortymentu laminatów i materiałów rdzenia, co AMCB produkowany 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. Metodę tę, wraz z dodatkowymi elementami teorii belek i klasycznej teorii laminatów [CLT], wykorzystano do powiązania momentu bezwładności i efektywnej sztywności pełnowymiarowego AMCB z produktem demonstracyjnym o mniejszych rozmiarach, który jest łatwiejszy w obsłudze i ma więcej opłacalne. Następnie wykorzystaliśmy model analizy elementów skończonych [FEA] opracowany przez XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) do ulepszenia projektowania napraw konstrukcyjnych.” Tkanina z włókna węglowego zastosowana w panelach testowych i modelu AMCB została zakupiona od Vectorply, a rdzeń balsowy został wykonany przez dostarczoną firmę Core Composites (Bristol, RI, USA).
Krok 1. Ten panel testowy wyświetla otwór o średnicy 3 cali, aby symulować uszkodzenia zaznaczone pośrodku i naprawić obwód. Źródło zdjęć wszystkich etapów: Custom Technologies LLC.
Krok 2. Użyj ręcznej szlifierki akumulatorowej, aby usunąć uszkodzony materiał i zamknij łatę naprawczą za pomocą stożka 12:1.
„Chcemy symulować większy stopień uszkodzeń na płycie testowej, niż można by zaobserwować na pomoście mostu w terenie” – wyjaśnił Bergen. „Naszą metodą jest więc wykonanie otworu o średnicy 3 cali za pomocą otwornicy. Następnie wyciągamy korek z uszkodzonego materiału i za pomocą ręcznej szlifierki pneumatycznej obrabiamy szalik 12:1.”
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 odpowiednią do stożka uszkodzonego obszaru. „W przypadku naszego panelu testowego wymaga to czterech warstw prepregu, aby materiał naprawczy był spójny z wierzchnią częścią oryginalnego, nieuszkodzonego panelu węglowego. Następnie na naprawianej części skupia się trzy warstwy pokrywające prepregu węglowego/epoksydowego. Każda kolejna warstwa rozciąga się na 1 cal ze wszystkich stron dolnej warstwy, co zapewnia stopniowe przenoszenie obciążenia z „dobrego” otaczającego materiału do naprawianego obszaru. Całkowity czas wykonania tej naprawy, włączając przygotowanie miejsca naprawy, wycięcie i nałożenie materiału odbudowującego 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 przy użyciu klejarki termicznej zasilanej akumulatorowo.
Chociaż naprawa metodą węglową/epoksydową jest prosta i szybka, zespół dostrzegł potrzebę wygodniejszego rozwiązania umożliwiającego przywrócenie wydajności. Doprowadziło to do opracowania prepregów utwardzanych ultrafioletem (UV). „Zainteresowanie żywicami winyloestrowymi Sunrez wynika z wcześniejszych doświadczeń morskich zdobytych z założycielem firmy Markiem Livesayem” – wyjaśnił Bergen. „Najpierw dostarczyliśmy firmie Sunrez quasi-izotropową tkaninę szklaną, wykorzystując jej prepreg na bazie estrów winylowych i oceniliśmy krzywą utwardzania w różnych warunkach. Ponadto, ponieważ wiemy, że żywica winyloestrowa nie przypomina żywicy epoksydowej, która zapewnia odpowiednią przyczepność wtórną, konieczne są dodatkowe wysiłki w celu oceny różnych środków sprzęgających warstwę 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 węglową/epoksydową problem ten rozwiązuje się poprzez zastosowanie dodatkowej warstwy szkła/estru winylowego” – powiedział Crane. „Powodem, dla którego potrzebna jest tylko jedna dodatkowa warstwa, jest to, że materiał szklany jest cięższym materiałem”. W ten sposób powstaje odpowiedni plaster, który można nałożyć i połączyć w ciągu sześciu minut, nawet przy bardzo niskich/mroźnych temperaturach na boisku. Utwardzanie bez dostarczania ciepła. Crane zwrócił uwagę, że prace naprawcze można zakończyć w ciągu godziny.
Obydwa systemy poprawek zostały zademonstrowane i przetestowane. Przy każdej naprawie zaznaczany jest obszar, który ma zostać uszkodzony (krok 1), wycinany otwornicą, a następnie usuwany za pomocą ręcznej szlifierki akumulatorowej (krok 2). Następnie przytnij naprawiony obszar do stożka 12:1. Oczyść powierzchnię szalika wacikiem nasączonym alkoholem (krok 3). Następnie przytnij łatę naprawczą do odpowiedniego rozmiaru, przyłóż ją do czyszczonej powierzchni (krok 4) i zagęść wałkiem w celu usunięcia pęcherzyków powietrza. W przypadku prepregu z włókna szklanego/estru winylowego utwardzanego promieniami UV, nałóż warstwę rozdzielającą na naprawiany obszar i utwardzaj plaster za pomocą bezprzewodowej lampy UV przez sześć minut (krok 5). W przypadku prepregów z włókna węglowego/epoksydu należy użyć zaprogramowanej, zasilanej jednym przyciskiem, klejarki termicznej, aby zapakować próżniowo i utwardzić naprawiony obszar w temperaturze 210°F/99°C przez jedną godzinę.
Krok 5. Po nałożeniu warstwy peelingującej na naprawiane miejsce za pomocą bezprzewodowej lampy UV utwardzamy plaster przez 6 minut.
„Następnie przeprowadziliśmy testy, aby ocenić przyczepność łaty i jej zdolność do przywracania nośności konstrukcji” – powiedział Bergen. „W pierwszym etapie musimy wykazać łatwość aplikacji i możliwość odzyskania co najmniej 75% siły. Odbywa się to poprzez czteropunktowe zginanie belki z włókna węglowego/żywicy epoksydowej i balsy o wymiarach 4 x 48 cali i rdzenia balsowego po naprawie symulowanego uszkodzenia. Tak. W drugiej fazie projektu wykorzystano panel o wymiarach 12 x 48 cali, który musiał spełniać 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 na boisku, aby zapewnić wizualne odniesienie.
Kluczowym aspektem projektu jest udowodnienie, że nowicjusze mogą z łatwością ukończyć naprawę. Z tego powodu Bergen wpadł na pomysł: „Obiecałem zademonstrować naszym dwóm kontaktom technicznym w armii: dr Bernardowi Sii i Ashley Gennie. Podczas końcowego przeglądu pierwszej fazy projektu poprosiłem o brak napraw. Naprawy dokonał doświadczony Ashley. Korzystając z dostarczonego przez nas zestawu i instrukcji, nałożyła łatkę i bez żadnych problemów ukończyła naprawę.”
Rysunek 2 Zasilana akumulatorowo, wstępnie zaprogramowana maszyna do zgrzewania, zasilana akumulatorowo, może utwardzić łatę naprawczą z włókna węglowego/epoksydu za naciśnięciem jednego przycisku, bez konieczności posiadania wiedzy na temat naprawy lub programowania cyklu utwardzania. Źródło obrazu: Custom Technologies, LLC
Kolejnym kluczowym osiągnięciem jest system utwardzania zasilany akumulatorowo (rysunek 2). „Dzięki konserwacji na boisku masz tylko energię akumulatorową” – zauważył Bergen. „Cały sprzęt procesowy w opracowanym przez nas zestawie naprawczym jest bezprzewodowy”. Obejmuje to zgrzewanie termiczne zasilane akumulatorowo, opracowane wspólnie przez firmę Custom Technologies i dostawcę maszyn do zgrzewania termicznego WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). „To zasilane bateryjnie spoiwo termiczne jest zaprogramowane do całkowitego utwardzania, więc nowicjusze nie muszą programować cyklu utwardzania” – powiedział Crane. „Wystarczą, aby nacisnąć przycisk, aby ukończyć odpowiednią rampę i namoczyć”. Obecnie używane akumulatory wystarczą na rok, po czym będą musiały zostać ponownie naładowane.
Po zakończeniu drugiej fazy projektu firma Custom Technologies przygotowuje propozycje dalszych ulepszeń oraz zbiera listy zainteresowań i wsparcia. „Naszym celem jest doprowadzenie tej technologii do poziomu TRL 8 i wprowadzenie jej na rynek” – powiedział Bergen. „Widzimy również potencjał zastosowań pozamilitarnych”.
Wyjaśnia starą technologię stojącą za pierwszym w branży wzmocnieniem włókien i posiada dogłębną wiedzę na temat nowych włókien i przyszłego rozwoju.
Już wkrótce i będzie mógł odbyć lot po raz pierwszy. Aby osiągnąć swoje cele, Boeing 787 opiera się na innowacjach w zakresie materiałów i procesów kompozytowych
Czas publikacji: 02 września 2021 r