Prijenosni komplet može se popraviti pomoću staklenih vlakana/vinil estera ili ugljičnih vlakana/epoksidnih preprega koji se mogu stvrdnuti UV-om i pohranjenih na sobnoj temperaturi i opreme za stvrdnjavanje na baterije. #insidemanufacturing #infrastruktura
Popravak zakrpa preprega koji se stvrdnjava UV-om. Iako se popravak preprega od ugljičnih vlakana/epoksi preprega koji je razvio Custom Technologies LLC za kompozitni most u polju pokazao jednostavnim i brzim, korištenje preprega od vinil esterske smole ojačanog staklenim vlaknima razvio je praktičniji sustav. Izvor slike: Custom Technologies LLC
Modularni razmjestivi mostovi ključna su imovina za vojne taktičke operacije i logistiku, kao i obnovu prometne infrastrukture tijekom prirodnih katastrofa. Proučavaju se kompozitne strukture kako bi se smanjila težina takvih mostova, čime bi se smanjilo opterećenje transportnih vozila i mehanizama za pokretanje i izvlačenje. U usporedbi s metalnim mostovima, kompozitni materijali također imaju potencijal povećati nosivost i produžiti vijek trajanja.
Napredni modularni kompozitni most (AMCB) je primjer. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, SAD) i Materials Sciences LLC (Horsham, PA, SAD) koriste epoksi laminate ojačane ugljičnim vlaknima (Slika 1). ) Projektiranje i konstrukcija). Međutim, mogućnost popravka takvih struktura na terenu je problem koji ometa usvajanje kompozitnih materijala.
Slika 1 Kompozitni most, ključna imovina unutar polja Napredni modularni kompozitni most (AMCB) projektirali su i izradili Seemann Composites LLC i Materials Sciences LLC koristeći kompozite epoksidne smole ojačane ugljičnim vlaknima. Izvor slike: Seeman Composites LLC (lijevo) i američka vojska (desno).
U 2016. Custom Technologies LLC (Millersville, MD, SAD) primio je potporu prve faze Istraživanja inovacija u malom poduzetništvu (SBIR) financirane od američke vojske za razvoj metode popravka koju vojnici mogu uspješno izvesti na licu mjesta. Na temelju ovog pristupa, druga faza SBIR potpore dodijeljena je 2018. za izlaganje novih materijala i opreme na baterije, čak i ako zakrpu izvede početnik bez prethodne obuke, 90% ili više strukture može se obnoviti sirova čvrstoća. Izvedivost tehnologije utvrđuje se izvođenjem niza analiza, odabira materijala, izrade uzoraka i zadataka mehaničkog ispitivanja, kao i popravaka manjeg i opsežnog opsega.
Glavni istraživač u dvije SBIR faze je Michael Bergen, osnivač i predsjednik Custom Technologies LLC. Bergen se povukao iz Carderocka iz Naval Surface Warfare Center (NSWC) i služio je u Odjelu za strukture i materijale 27 godina, gdje je upravljao razvojem i primjenom kompozitnih tehnologija u floti američke mornarice. Dr. Roger Crane pridružio se Custom Technologiesu 2015. nakon povlačenja iz američke mornarice 2011. i služio je 32 godine. Njegovo stručno znanje o kompozitnim materijalima uključuje tehničke publikacije i patente, pokrivajući teme kao što su novi kompozitni materijali, proizvodnja prototipa, metode povezivanja, višenamjenski kompozitni materijali, strukturno praćenje zdravlja i restauracija kompozitnih materijala.
Dvojica stručnjaka razvila su jedinstveni proces koji koristi kompozitne materijale za popravak pukotina u aluminijskoj nadgrađi krstarice s vođenim projektilima 5456 klase Ticonderoga CG-47. "Proces je razvijen kako bi se smanjio rast pukotina i poslužio kao ekonomična alternativa zamjeni ploče platforme od 2 do 4 milijuna dolara", rekao je Bergen. "Dakle, dokazali smo da znamo kako izvršiti popravke izvan laboratorija i u stvarnom servisnom okruženju. Ali izazov je u tome što trenutne metode vojnih sredstava nisu baš uspješne. Opcija je dvostruki popravak vezani [uglavnom na oštećenim područjima Zalijepite ploču na vrh] ili uklonite sredstvo iz usluge za popravke na razini skladišta (D-razina). Budući da su potrebni popravci na razini D, mnoga se sredstva ostavljaju sa strane."
Nadalje je rekao da je ono što je potrebno metoda koju mogu izvesti vojnici bez iskustva s kompozitnim materijalima, koristeći samo pribor i priručnike za održavanje. Naš cilj je učiniti proces jednostavnim: pročitajte priručnik, procijenite štetu i izvršite popravke. Ne želimo miješati tekuće smole, jer to zahtijeva precizno mjerenje kako bi se osiguralo potpuno stvrdnjavanje. Također trebamo sustav bez opasnog otpada nakon dovršetka popravaka. I mora biti upakiran kao komplet koji se može postaviti na postojeću mrežu. ”
Jedno rješenje koje je Custom Technologies uspješno demonstrirao je prijenosni komplet koji koristi ojačano epoksidno ljepilo za prilagođavanje ljepljive kompozitne zakrpe prema veličini oštećenja (do 12 kvadratnih inča). Demonstracija je dovršena na kompozitnom materijalu koji predstavlja AMCB palubu debljine 3 inča. Kompozitni materijal ima drvenu jezgru od balze debljine 3 inča (15 funti po kubičnoj stopi gustoće) i dva sloja Vectorply (Phoenix, Arizona, SAD) C -LT 1100 karbonskih vlakana 0°/90° dvoosno prošivena tkanina, jedan sloj C-TLX 1900 karbonskih vlakana 0°/+45°/-45° tri osovine i dva sloja C-LT 1100, ukupno pet slojeva. "Odlučili smo da će komplet koristiti gotove zakrpe u kvazi-izotropnom laminatu sličnom višeosnom tako da smjer tkanine neće biti problem", rekao je Crane.
Sljedeći problem je matrica smole koja se koristi za popravak laminata. Kako bi se izbjeglo miješanje tekuće smole, flaster će koristiti prepreg. "Međutim, ovi izazovi su skladištenje", objasnio je Bergen. Za razvoj rješenja za pohranjivanje zakrpa, Custom Technologies se udružio sa Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornija, SAD) za razvoj preprega od staklenih vlakana/vinil estera koji može koristiti ultraljubičasto svjetlo (UV) u šest minuta svjetlosnog polimeriziranja. Također je surađivao s tvrtkom Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, SAD), koja je predložila upotrebu novog fleksibilnog epoksidnog filma.
Rane studije pokazale su da je epoksidna smola najprikladnija smola za preprege od ugljičnih vlakana - vinil ester koji se stvrdnjava UV-om i prozirna staklena vlakna dobro funkcioniraju, ali se ne stvrdnjavaju pod ugljičnim vlaknima koja blokiraju svjetlost. Na temelju novog filma Gougeon Brothers, konačni epoksidni prepreg očvršćava 1 sat na 210°F/99°C i ima dugi vijek trajanja na sobnoj temperaturi – nema potrebe za skladištenjem na niskim temperaturama. Bergen je rekao da ako je potrebna viša temperatura staklenog prijelaza (Tg), smola će također biti stvrdnjavana na višoj temperaturi, kao što je 350°F/177°C. Oba preprega nalaze se u prijenosnom kompletu za popravak kao hrpa prepreg zakrpa zapečaćenih u omotnici od plastične folije.
Budući da se kit za popravak može skladištiti dulje vrijeme, Custom Technologies mora provesti studiju roka trajanja. "Kupili smo četiri kućišta od tvrde plastike - tipični vojni tip koji se koristi u transportnoj opremi - i stavili smo uzorke epoksidnog ljepila i vinil esterskog preprega u svako kućište", rekao je Bergen. Kutije su zatim postavljene na četiri različite lokacije za testiranje: krov tvornice Gougeon Brothers u Michiganu, krov zračne luke u Marylandu, vanjski objekt u Yucca Valleyju (kalifornijska pustinja) i vanjski laboratorij za ispitivanje korozije u južnoj Floridi. Svi slučajevi imaju zapisivače podataka, ističe Bergen, "Uzimamo uzorke podataka i materijala za procjenu svaka tri mjeseca. Maksimalna zabilježena temperatura u kutijama na Floridi i Kaliforniji je 140°F, što je dobro za većinu restauracijskih smola. To je pravi izazov." Uz to, Gougeon Brothers je interno testirao novorazvijenu čistu epoksidnu smolu. "Uzorci koji su stavljeni u pećnicu na 120°F nekoliko mjeseci počinju se polimerizirati", rekao je Bergen. "Međutim, za odgovarajuće uzorke držane na 110°F, kemijski sastav smole poboljšao se samo za malu količinu."
Popravak je potvrđen na ispitnoj ploči i ovom smanjenom modelu AMCB-a, koji je koristio isti laminat i materijal jezgre kao i originalni most koji je napravio Seemann Composites. Izvor slike: Custom Technologies LLC
Kako bi se demonstrirala tehnika popravka, reprezentativni laminat mora biti proizveden, oštećen i popravljen. "U prvoj fazi projekta isprva smo koristili grede male veličine 4 x 48 inča i testove savijanja u četiri točke kako bismo procijenili izvedivost našeg procesa popravka", rekao je Klein. "Zatim smo u drugoj fazi projekta prešli na ploče od 12 x 48 inča, primijenili opterećenja kako bismo generirali dvoosno stanje naprezanja koje bi uzrokovalo kvar, a zatim procijenili izvedbu popravka. U drugoj fazi također smo dovršili AMCB model koji smo izgradili Održavanje."
Bergen je rekao da je ispitna ploča korištena za dokazivanje performansi popravka proizvedena korištenjem iste linije laminata i materijala jezgre kao AMCB koji proizvodi Seemann Composites, "ali smo smanjili debljinu ploče s 0,375 inča na 0,175 inča, na temelju teorema o paralelnoj osi. To je slučaj. Metoda, zajedno s dodatnim elementima teorije greda i klasične teorije laminata [CLT], korišten je za povezivanje momenta tromosti i efektivne krutosti punog AMCB-a s demo proizvodom manje veličine s kojim je lakše rukovati i koji je isplativiji Zatim smo upotrijebili model analize konačnih elemenata [FEA] koji je razvio XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, SAD) za poboljšanje dizajna strukturalnih popravaka. Tkanina od karbonskih vlakana korištena za testne ploče i model AMCB kupljena je od Vectorply, a jezgru od balze izradio je Core Composites (Bristol, RI, US).
Korak 1. Ova ispitna ploča prikazuje promjer rupe od 3 inča za simulaciju oštećenja označenog u sredini i popravak oboda. Izvor fotografija za sve korake: Custom Technologies LLC.
Korak 2. Upotrijebite ručnu brusilicu na baterije da uklonite oštećeni materijal i zatvorite zakrpu za popravak s konusom 12:1.
"Želimo simulirati veći stupanj oštećenja na ispitnoj ploči nego što se može vidjeti na ploči mosta na terenu", objasnio je Bergen. "Dakle, naša metoda je da pomoću pile za rupe napravimo rupu promjera 3 inča. Zatim izvučemo čep oštećenog materijala i koristimo ručnu pneumatsku brusilicu za obradu marame 12:1."
Crane je objasnio da će se za popravak karbonskih vlakana/epoksida, kada se "oštećeni" materijal ploče ukloni i nanese odgovarajuća marama, prepreg izrezati na širinu i duljinu kako bi odgovarao suženju oštećenog područja. "Za našu testnu ploču, to zahtijeva četiri sloja preprega kako bi materijal za popravak bio u skladu s vrhom originalne neoštećene karbonske ploče. Nakon toga, tri pokrovna sloja ugljičnog/epoksidnog preprega koncentriraju se na ovaj popravljeni dio. Svaki sljedeći sloj proteže se 1 inč na sve strane donjeg sloja, što osigurava postupan prijenos opterećenja s "dobrog" okolnog materijala na popravljeno područje." Ukupno vrijeme za izvođenje ovog popravka - uključujući pripremu područja popravka, rezanje i postavljanje restauracijskog materijala i primjenu postupka stvrdnjavanja - približno 2,5 sata.
Za ugljična vlakna/epoksidni prepreg, područje popravka vakuumirano je pakirano i otvrdnjava na 210°F/99°C jedan sat pomoću termičkog veziva na baterije.
Iako je popravak ugljikom/epoksidom jednostavan i brz, tim je prepoznao potrebu za prikladnijim rješenjem za vraćanje performansi. To je dovelo do istraživanja ultraljubičastih (UV) otvrdnjavajućih preprega. "Interes za Sunrez vinil esterske smole temelji se na prethodnom pomorskom iskustvu s osnivačem tvrtke Markom Livesayem", objasnio je Bergen. "Prvo smo opskrbili Sunrez kvazi-izotropnom staklenom tkaninom, koristeći njihov vinil ester prepreg, i procijenili krivulju stvrdnjavanja pod različitim uvjetima. Osim toga, budući da znamo da vinil esterska smola nije kao epoksidna smola koja pruža odgovarajuću izvedbu sekundarne adhezije, potrebni su dodatni napori da se procijene različiti agensi za spajanje slojeva ljepila i odredi koji je prikladan za primjenu."
Drugi problem je što staklena vlakna ne mogu pružiti ista mehanička svojstva kao karbonska vlakna. "U usporedbi s karbonskim/epoksidnim flasterom, ovaj problem je riješen upotrebom dodatnog sloja stakla/vinil estera", rekao je Crane. "Razlog zašto je potreban samo jedan dodatni sloj je taj što je stakleni materijal teža tkanina." Ovo proizvodi odgovarajući flaster koji se može primijeniti i kombinirati u roku od šest minuta, čak i na vrlo niskim/niskim temperaturama u polju. Stvrdnjavanje bez dodavanja topline. Crane je istaknuo da se ovi popravci mogu završiti u roku od sat vremena.
Oba sustava zakrpa su demonstrirana i testirana. Za svaki popravak, područje koje treba oštetiti je označeno (korak 1), napravljeno pilom za rupe, a zatim uklonjeno ručnom brusilicom na baterije (korak 2). Zatim izrežite popravljeno područje u konus 12:1. Očistite površinu šala alkoholnom blazinicom (korak 3). Zatim izrežite zakrpu za popravak na određenu veličinu, stavite je na očišćenu površinu (korak 4) i učvrstite valjkom kako biste uklonili mjehuriće zraka. Za staklena vlakna/UV-stvrdnjavajući vinil ester prepreg, zatim postavite sloj za odvajanje na popravljeno područje i sušite flaster bežičnom UV lampom šest minuta (korak 5). Za ugljična vlakna/epoksidni prepreg, upotrijebite unaprijed programirani termalni spojnik na baterije s jednim gumbom za vakuumiranje i sušenje popravljenog područja na 210°F/99°C jedan sat.
Korak 5. Nakon postavljanja sloja za ljuštenje na popravljeno područje, upotrijebite bežičnu UV lampu za sušenje flastera 6 minuta.
"Tada smo proveli testove kako bismo procijenili ljepljivost flastera i njegovu sposobnost da obnovi nosivost strukture", rekao je Bergen. "U prvoj fazi moramo dokazati jednostavnost primjene i sposobnost oporavka od najmanje 75% čvrstoće. To se postiže savijanjem u četiri točke na 4 x 48 inčnim ugljičnim vlaknima/epoksidnoj smoli i jezgri od balze nakon popravka simulirane štete. Da. Druga faza projekta koristila je ploču od 12 x 48 inča i mora pokazati više od 90% zahtjeva čvrstoće pod složenim deformacijskim opterećenjima. Ispunili smo sve te zahtjeve, a zatim smo fotografirali metode popravka na modelu AMCB. Kako koristiti tehnologiju i opremu na terenu za pružanje vizualne reference.”
Ključni aspekt projekta je dokazati da početnici mogu lako dovršiti popravak. Iz tog razloga, Bergen je imao ideju: "Obećao sam da ću pokazati našim dvama tehničkim kontaktima u vojsci: dr. Bernard Sia i Ashley Genna. U konačnom pregledu prve faze projekta nisam tražio popravke. Iskusna Ashley izvršila je popravak. Koristeći komplet i priručnik koji smo dali, stavila je zakrpu i dovršila popravak bez ikakvih problema."
Slika 2 Unaprijed programirani termalni stroj za stvrdnjavanje na baterije napajan baterijama može stvrdnuti krpu za popravak karbonskih vlakana/epoksida pritiskom na gumb, bez potrebe za znanjem o popravku ili programiranjem ciklusa stvrdnjavanja. Izvor slike: Custom Technologies, LLC
Drugi ključni razvoj je sustav otvrdnjavanja na baterije (Slika 2). "Kroz održavanje na terenu imate samo baterijsko napajanje", istaknuo je Bergen. "Sva procesna oprema u kompletu za popravak koji smo razvili je bežična." To uključuje toplinsko lijepljenje na baterije koje su zajednički razvili Custom Technologies i dobavljač strojeva za toplinsko lijepljenje WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, SAD). “Ovaj termalni bonder na baterije unaprijed je programiran za završetak stvrdnjavanja, tako da početnici ne moraju programirati ciklus stvrdnjavanja,” rekao je Crane. "Samo trebaju pritisnuti gumb da dovrše odgovarajuću rampu i namaču se." Baterije koje se trenutno koriste mogu trajati godinu dana prije nego što ih je potrebno ponovno napuniti.
Uz završetak druge faze projekta, Custom Technologies priprema naknadne prijedloge poboljšanja i prikuplja pisma interesa i podrške. "Naš cilj je sazrijeti ovu tehnologiju do TRL 8 i staviti je na teren", rekao je Bergen. "Također vidimo potencijal za nevojne primjene."
Objašnjava staru umjetnost koja stoji iza prvog ojačanja vlaknima u industriji i ima duboko razumijevanje nove znanosti o vlaknima i budućeg razvoja.
Uskoro dolazi i prvi put leti, 787 oslanja se na inovacije u kompozitnim materijalima i procesima za postizanje svojih ciljeva
Vrijeme objave: 2. rujna 2021