Prijenosni komplet može se popraviti s UV-ograničenim stakloplastikom/vinilnim esterom ili karbonskim vlaknima/epoksidnim predpreg pohranjenim na sobnoj temperaturi i opremi za stvrdnjavanje na baterije. #insideMonufacturing #infrastructure
UV-ukidani popravak zakrpa Pretpreg zakrpa Iako se popravak karbonskih vlakana/epoksida predupreg razvio Custom Technologies LLC za most za kompozitni most koji se pokazao kao jednostavan i brz, upotreba staklenih vlakana ojačanih UV-ukidanim vinilnim esterom za smolu predpreg je razvio prikladniji sustav . Izvor slike: Custom Technologies LLC
Modularni mostovi su kritična imovina za vojne taktičke operacije i logistiku, kao i za obnovu prometne infrastrukture tijekom prirodnih katastrofa. Proučavaju se kompozitne strukture kako bi se smanjila težina takvih mostova, čime se smanjuje teret za transportna vozila i mehanizme za povrat pokretanja. U usporedbi s metalnim mostovima, kompozitni materijali također mogu povećati kapacitet opterećenja i proširiti životni vijek.
Primjer je napredni modularni kompozitni most (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, US) i Materials Sciences LLC (Horsham, PA, US) koriste epoksi laminate ojačane ugljičnim vlaknima (Slika 1). ) Dizajn i konstrukcija). Međutim, sposobnost popravljanja takvih struktura na terenu bila je pitanje koje ometa usvajanje kompozitnih materijala.
Slika 1 kompozitni most, ključni modularni kompozitni most s nastavnim poljem (AMCB) dizajnirao je i konstruirao SEENSANS Composites LLC i Materials Sciences LLC pomoću kompozita epoksije ojačanih ugljičnim vlaknima. Izvor slike: Seeman Composites LLC (lijevo) i američka vojska (desno).
U 2016. godini, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, SAD) primio je potporu za istraživanje inovacija s malim poduzećima (SBIR) američku vojsku (SBIR) za razvoj metode popravljanja koju vojnici mogu uspješno izvesti na licu mjesta. Na temelju ovog pristupa, druga faza stipendije SBIR dodijeljena je 2018. godine kako bi prikazala nove materijale i opremu na baterije, čak i ako je zakrpu provodi početnik bez prethodnog treninga, 90% ili više strukture može se obnoviti RAW Snaga. Izvodljivost tehnologije određuje se obavljanjem niza analize, odabira materijala, zadataka proizvodnje uzoraka i mehaničkih ispitivanja, kao i popravki malih i cjelovitih.
Glavni istraživač u dvije faze SBIR -a je Michael Bergen, osnivač i predsjednik tvrtke Custom Technologies LLC. Bergen se povukao iz Carderocka iz Centra za mornarički površinski rat (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 prilagođenim tehnologijama 2015. godine nakon što se povukao iz američke mornarice 2011. godine i služio je 32 godine. Njegova stručnost za kompozitne materijale uključuje tehničke publikacije i patente, koje pokrivaju teme poput novih kompozitnih materijala, proizvodnje prototipa, metoda povezivanja, višenamjenskih kompozitnih materijala, strukturnog praćenja zdravlja i obnove kompozitnih materijala.
Dvojica stručnjaka razvili su jedinstveni postupak koji koristi složene materijale za popravak pukotina u aluminijskoj nadgradnji klase Ticonderoga CG-47, vođenom raketom 5456. Za zamjenu platformskog odbora od 2 do 4 milijuna dolara ", rekao je Bergen. „Dakle, dokazali smo da znamo obavljati popravke izvan laboratorija i u stvarnom okruženju. Ali izazov je što trenutne metode vojne imovine nisu baš uspješne. Opcija je vezana dupleks popravka [u osnovi u oštećenim područjima zalijepite ploču na vrh] ili uklonite imovinu iz usluge za popravke na razini skladišta (D-razina). Budući da su potrebni popravci na razini D-a, mnoga je imovina odbačena. "
Nastavio je da je potrebna metoda koju mogu izvesti vojnici bez iskustva u kompozitnim materijalima, koristeći samo komplete i priručnike za održavanje. Naš je cilj da postupak bude jednostavan: pročitajte priručnik, procijenite štetu i izvršite popravke. Ne želimo miješati tekuće smole, jer to zahtijeva precizno mjerenje kako bi se osigurao potpuni lijek. Potreban nam je i sustav bez opasnog otpada nakon što su popravci završeni. I mora se pakirati kao komplet koji može implementirati postojeću mrežu. ”
Jedno rješenje koje je prilagođene tehnologije uspješno pokazalo je prijenosni komplet koji koristi pooštreni epoksidni ljepljiv za prilagodbu ljepljivog kompozitnog flastera u skladu s veličinom oštećenja (do 12 kvadratnih inča). Demonstracija je dovršena na kompozitnom materijalu koji predstavlja 3-inčnu palubu AMCB debljine. Kompozitni materijal ima 3 -inčnu jezgru od balsa debljine 3 inča (15 kilograma po kubičnoj gustoći stopala) i dva sloja vektora (Phoenix, Arizona, US) C -lt 1100 ugljična vlakna 0 °/90 ° dvoosni ušiveni tkanina, jedan sloj od C-TLX 1900 ugljična vlakna 0 °/+45 °/-45 ° Tri osovine i dva sloja C-LT 1100, ukupno pet slojeva. "Odlučili smo da će komplet koristiti montažne zakrpe u kvazi-izotropnom laminatu sličnom višestrukoj osnovi, tako da smjer tkanine neće biti problem", rekao je Crane.
Sljedeći je problem matrica smole koja se koristi za popravak laminata. Kako bi se izbjeglo miješanje tekuće smole, flaster će koristiti prepeg. "Međutim, ovi su izazovi skladištenje", objasnio je Bergen. Kako bi razvio patch patch rješenje, Custom Technologies udružio se sa Sunrez Corp. (El Cajon, California, SAD) kako bi razvio stakleni vlaknski/vinilni esterski ester koji može koristiti ultraljubičasto svjetlo (UV) u šest minuta stvrdnjavanja svjetla. Također je surađivao s braćom Gougeon (Bay City, Michigan, SAD), što je sugeriralo upotrebu novog fleksibilnog epoksi filma.
Rane studije pokazale su da je epoksidna smola najprikladnija smola za prepers-vinil ester i prozirne staklene vlaknastih vlakana, ali ne liječe pod laganim vlaknima. Na temelju novog filma braće Gougeon, konačni epoksidni prepeg izliječen je 1 sat na 210 ° F/99 ° C i ima dugi rok trajanja na sobnoj temperaturi-bez potrebe za skladištenjem niske temperature. Bergen je rekao da ako je potrebna viša temperatura prijelaza stakla (TG), smola će se također izliječiti na višoj temperaturi, poput 350 ° F/177 ° C. Oba su predprega prikazana u prijenosnom kompletu za popravak kao hrpa prepeg flastera zapečaćenih u plastičnoj omotnici filma.
Budući da se komplet za popravak može pohraniti već duže vrijeme, potrebne su prilagođene tehnologije za provesti studiju roka trajanja. "Kupili smo četiri tvrdog plastičnog kućišta - tipičnu vojnu vrstu koja se koristi u opremi za transport - i u svako kućište smo stavili uzorke epoksidnog ljepila i vinil estera", rekao je Bergen. Kutije su zatim postavljene na četiri različita mjesta za testiranje: krov tvornice braće Gougeon u Michiganu, krov zračne luke Maryland, vanjski objekt u dolini Yucca (Kalifornijska pustinja) i na otvorenom laboratoriju za testiranje korozije na jugu Floride. Svi slučajevi imaju zapisnike podataka, Bergen ističe: „Uzimamo uzorke podataka i materijala za procjenu svaka tri mjeseca. Maksimalna temperatura zabilježena u kutijama na Floridi i Kaliforniji je 140 ° F, što je dobro za većinu smola za obnovu. To je pravi izazov. " Pored toga, braća Gougeon interno su testirala novorazvijenu čistu epoksidnu smolu. "Uzorci koji su nekoliko mjeseci postavljeni u pećnicu na 120 ° F počinju polimerizirati", rekao je Bergen. "Međutim, za odgovarajuće uzorke koji se održavaju na 110 ° F, kemija smole poboljšana je samo za malu količinu."
Popravak je provjeren na ispitnoj ploči i ovaj model skale AMCB, koji je koristio isti laminat i jezgrani materijal kao i originalni most koji je izgradio Seemann Composites. Izvor slike: Custom Technologies LLC
Da bi se pokazala tehnika popravljanja, reprezentativni laminat mora se proizvesti, oštetiti i popraviti. "U prvoj fazi projekta u početku smo koristili malene 4 x 48-inčne grede i testove savijanja u četiri točke kako bismo procijenili izvedivost našeg procesa popravljanja", rekao je Klein. "Zatim smo prešli na 12 x 48 inčne ploče u drugoj fazi projekta, primijenili opterećenja kako bismo stvorili stanje dvosmjernog naprezanja kako bi uzrokovali neuspjeh, a zatim procijenili performanse popravka. U drugoj fazi također smo dovršili AMCB model koji smo izgradili održavanje. "
Bergen je rekao da je testna ploča koja se koristi za dokazivanje performansi popravka proizvedena korištenjem iste loze laminata i jezgrenih materijala kao AMCB proizvedena od strane Seemann Composites -a, „ali smanjili smo debljinu ploče s 0,375 inča na 0,175 inča, na temelju teorema paralelne osi . To je slučaj. Metoda, zajedno s dodatnim elementima teorije snopa i klasične teorije laminata [CLT], korištena je za povezivanje trenutka inercije i učinkovite krutosti punog AMCB-a s demo proizvodom manje veličine koji je lakši za rukovanje i više ekonomično. Zatim, mi model analize konačnih elemenata [FEA] koji je razvio Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, SAD) korišten je za poboljšanje dizajna strukturnih popravaka. " Tkanina od karbonskih vlakana koja se koristi za ispitne ploče i AMCB model kupljena je od Vectorply -a, a jezgru Balsa napravili su temeljni kompoziti (Bristol, RI, US).
Korak 1. Ova testna ploča prikazuje promjer rupe od 3 inča kako bi simulirala oštećenja označena u sredini i popravila opseg. Izvor fotografije za sve korake: Custom Technologies LLC.
Korak 2. Upotrijebite ručnu brusilicu na bateriju za uklanjanje oštećenog materijala i zatvorite zakrpu za popravak konusom od 12: 1.
"Želimo simulirati veći stupanj oštećenja na testnoj ploči nego što se može vidjeti na palubi mosta u polju", objasnio je Bergen. „Dakle, naša je metoda korištenje pile za rupu za izradu rupe promjera 3 inča. Zatim izvadimo utikač oštećenog materijala i koristimo ručno pneumatsku brusilicu za obradu šal od 12: 1. "
Dizalica je objasnila da se za popravak ugljičnih vlakana/epoksida, nakon što se ukloni "oštećeni" materijal za ploče i primijeni odgovarajući šal, predpreg će se smanjiti na širinu i duljinu kako bi odgovarao konus oštećenog područja. „Za našu testnu ploču, za to su potrebna četiri sloja PrePrega kako bi se materijal za popravak održao u skladu s vrhom originalne neoštećene ugljične ploče. Nakon toga, tri prekrivajuća sloja ugljikovog/epoksidnog predprega koncentrirana su na to na popravljenom dijelu. Svaki uzastopni sloj proteže se 1 inč na svim stranama donjeg sloja, koji omogućuje postupni prijenos opterećenja s "dobrog" okolnog materijala do popravljenog područja. " Ukupno vrijeme za obavljanje ovog popravka, priprema za popravak, rezanje i postavljanje materijala za restauraciju i primjenu postupka stvrdnjavanja-dodatno 2,5 sata.
Za predpreg od karbonskih vlakana/epoksida, površina za popravak je vakuumsko pakirano i izliječeno na 210 ° F/99 ° C u trajanju od jednog sata koristeći toplinski bonder na bateriju.
Iako je popravak ugljika/epoksida jednostavan i brz, tim je prepoznao potrebu za prikladnijim rješenjem za vraćanje performansi. To je dovelo do istraživanja ultraljubičastog (UV) izliječenja predprega. "Interes za Sunrez Vinyl Ester smole temelji se na prethodnom pomorskom iskustvu s osnivačem tvrtke Mark Livesay", objasnio je Bergen. „Prvo smo Sunrezu pružili kvazi-izotropnu staklenu staklenu tkaninu, koristeći njihov vinil ester prepeg, i procijenili krivulju stvrdnjavanja u različitim uvjetima. Pored toga, budući da znamo da vinilna ester smola nije poput epoksidne smole koja pruža odgovarajuće sekundarne performanse adhezije, pa su potrebni dodatni napori za procjenu različitih sredstava za spajanje ljepljivih slojeva i određivanje koji je prikladan za primjenu. "
Drugi je problem što staklena vlakna ne mogu pružiti ista mehanička svojstva kao i ugljična vlakna. "U usporedbi s ugljičnim/epoksidnim flasterom, ovaj se problem rješava pomoću dodatnog sloja stakla/vinil estera", rekao je Crane. "Razlog zašto je potreban samo jedan dodatni sloj je taj što je stakleni materijal teža tkanina." To proizvodi odgovarajuću flasteru koji se može primijeniti i kombinirati u roku od šest minuta, čak i pri vrlo hladnim/smrzavajućim temperaturama na terenu. Izliječenje bez pružanja topline. Crane je istaknuo da se ovaj popravak može završiti u roku od sat vremena.
Oba su sustava zakrpa demonstrirana i testirana. Za svaki popravak, područje koje treba oštetiti označeno je (korak 1), stvoreno pomoću rupe, a zatim se ukloni pomoću ručne brusilice s pogonom na bateriju (korak 2). Zatim izrežite popravljeno područje na konus od 12: 1. Očistite površinu šal alkoholom (korak 3). Zatim izrežite zakrpu za popravak na određenu veličinu, stavite ga na očišćenu površinu (korak 4) i konsolidirajte ga valjkom kako biste uklonili mjehuriće zraka. Za vinil ester za staklene vlakna/UV-ov vinil ester, a zatim stavite sloj otpuštanja na popravljeno područje i izliječite flaster s bežičnom UV svjetiljkom šest minuta (korak 5). Za predupreg od ugljičnih vlakana/epoksida koristite unaprijed programirani toplinski bonder s jednim gumbom, za vakuum pakiranje i izliječite popravljeno područje na 210 ° F/99 ° C u trajanju od jednog sata.
Korak 5. Nakon što postavite sloj ljuštenja na popravljeno područje, upotrijebite bežičnu UV svjetiljku za izliječenje flastera 6 minuta.
"Tada smo proveli testove kako bismo procijenili ljepljivost flastera i njegovu sposobnost vraćanja nosivosti strukture", rekao je Bergen. „U prvoj fazi moramo dokazati jednostavnost primjene i mogućnost oporavka najmanje 75% snage. To se postiže savijanjem u četiri točke na 4 x 48 inča od ugljičnih vlakana/epoksidne smole i jezgre Balsa jezgre nakon popravljanja simuliranog oštećenja. Da. Druga faza projekta koristila je ploču od 12 x 48 inča i mora pokazati više od 90% zahtjeva čvrstoće pod složenim opterećenjima naprezanja. Upoznali smo sve te zahtjeve, a zatim fotografirali metode popravljanja na AMCB modelu. Kako koristiti tehnologiju i opremu za polje za pružanje vizualne reference. "
Ključni aspekt projekta je dokazati da novaci mogu lako dovršiti popravak. Iz tog razloga, Bergen je imao ideju: „Obećao sam da ću pokazati naša dva tehnička kontakta u vojsci: dr. Bernard Sia i Ashley Genna. U konačnom pregledu prve faze projekta, zatražio sam popravke. Iskusni Ashley izvršio je popravak. Koristeći komplet i priručnik koji smo pružili, ona je primijenila flaster i bez problema dovršila popravak. "
Slika 2 Napravljeni stroj za toplinsko vezanje na baterije s motorom koji se opskrbljuje s baterijom može izliječiti zakrpu za popravak ugljičnih vlakana/epoksida na pritisku gumba, bez potrebe za popravkom znanja ili programiranjem ciklusa stvrdnjavanja. Izvor slike: Custom Technologies, LLC
Drugi ključni razvoj je sustav stvrdnjavanja na bateriju (Slika 2). "Kroz održavanje na terenu imate samo snagu baterije", istaknuo je Bergen. "Sva procesna oprema u kompletu za popravak koji smo razvili je bežična." To uključuje toplinsko povezivanje s baterijom, koje su zajednički razvijene prilagođene tehnologije i dobavljača strojeva za termičko vezanje Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). "Ovaj toplinski bonder na baterije unaprijed je programiran za potpunu stvrdnjavanje, tako da novakinja ne trebaju programirati ciklus stvrdnjavanja", rekao je Crane. "Oni samo trebaju pritisnuti gumb kako bi dovršili odgovarajuću rampu i natopili se." Baterije koje se trenutno koriste mogu trajati godinu dana prije nego što ih trebaju napuniti.
Po završetkom druge faze projekta, Custom Technologies priprema prijedloge za unapređenje praćenja i prikupljanje pisama od interesa i podrške. "Naš je cilj sazrijevati ovu tehnologiju TRL 8 i dovesti je na teren", rekao je Bergen. "Također vidimo potencijal za nevojne aplikacije."
Objašnjava staru umjetnost koja stoji iza prvog pojačanja vlakana u industriji i ima dubinsko razumijevanje nove znanosti o vlaknima i budućeg razvoja.
Uskoro i prvi put leti, 787 se oslanja na inovacije u kompozitnim materijalima i procesima kako bi postigli svoje ciljeve
Post Vrijeme: SEP-02-2021