Prijenosni komplet može se popraviti UV-stvrdnjavajućim prepregom od stakloplastike/vinil estera ili karbonskih vlakana/epoksida, pohranjenim na sobnoj temperaturi i opremom za stvrdnjavanje na baterije. #unutarproizvodnje #infrastruktura
Popravak prepregom koji se stvrdnjava UV zračenjem Iako se popravak prepregom od karbonskih vlakana/epoksida koji je razvio Custom Technologies LLC za kompozitni most unutar polja pokazao jednostavnim i brzim, korištenjem vinil esterske smole Prepreg ojačane staklenim vlaknima koja se stvrdnjava UV zračenjem razvilo se praktičniji sustav. Izvor slike: Custom Technologies LLC
Modularni, rasklopivi mostovi ključna su sredstva za vojne taktičke operacije i logistiku, kao i za obnovu prometne infrastrukture tijekom prirodnih katastrofa. Proučavaju se kompozitne konstrukcije kako bi se smanjila težina takvih mostova, čime se smanjuje opterećenje transportnih vozila i mehanizama za lansiranje i spašavanje. U usporedbi s metalnim mostovima, kompozitni materijali također imaju potencijal povećati nosivost i produžiti vijek trajanja.
Primjer je Napredni modularni kompozitni most (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, SAD) i Materials Sciences LLC (Horsham, PA, SAD) koriste epoksidne laminate ojačane ugljičnim vlaknima (slika 1). (Dizajn i izgradnja). Međutim, mogućnost popravka takvih konstrukcija na terenu predstavlja problem koji ometa primjenu kompozitnih materijala.
Slika 1 Kompozitni most, ključna imovina unutar terena Napredni modularni kompozitni most (AMCB) projektirali su i izgradili tvrtke Seemann Composites LLC i Materials Sciences LLC koristeći kompozite od epoksidne smole ojačane ugljičnim vlaknima. Izvor slike: Seeman Composites LLC (lijevo) i američka vojska (desno).
Godine 2016. tvrtka Custom Technologies LLC (Millersville, MD, SAD) primila je grant za prvu fazu programa Small Business Innovation Research (SBIR) koji financira američka vojska za razvoj metode popravka koju vojnici mogu uspješno izvesti na licu mjesta. Na temelju ovog pristupa, druga faza SBIR-ovog granta dodijeljena je 2018. godine kako bi se predstavili novi materijali i oprema na baterije; čak i ako krpanje izvodi početnik bez prethodne obuke, može se obnoviti 90% ili više strukture. Izvedivost tehnologije određuje se nizom analiza, odabirom materijala, izradom uzoraka i mehaničkim ispitivanjima, kao i popravcima malog i punog opsega.
Glavni istraživač u dvije SBIR faze je Michael Bergen, osnivač i predsjednik tvrtke Custom Technologies LLC. Bergen je umirovljen iz Carderocka u Centru za površinsko ratovanje mornarice (NSWC) i 27 godina je služio u Odjelu za strukture i materijale, gdje je upravljao razvojem i primjenom kompozitnih tehnologija u floti američke mornarice. Dr. Roger Crane pridružio se Custom Technologiesu 2015. nakon što je 2011. otišao u mirovinu iz američke mornarice i služi 32 godine. Njegova stručnost u kompozitnim materijalima uključuje tehničke publikacije i patente, koji pokrivaju teme kao što su novi kompozitni materijali, izrada prototipova, metode spajanja, višenamjenski kompozitni materijali, praćenje stanja konstrukcija i restauracija kompozitnih materijala.
Dva stručnjaka razvila su jedinstveni postupak koji koristi kompozitne materijale za popravak pukotina u aluminijskoj nadgradnji raketne krstarice klase Ticonderoga CG-47 klase 5456. „Postupak je razvijen kako bi se smanjio rast pukotina i poslužio kao ekonomična alternativa zamjeni daske platforme od 2 do 4 milijuna dolara“, rekao je Bergen. „Tako smo dokazali da znamo kako izvršiti popravke izvan laboratorija i u stvarnom servisnom okruženju. Ali izazov je što trenutne metode za vojnu imovinu nisu baš uspješne. Opcija je popravak dvostrukim lijepljenjem [u osnovi na oštećenim područjima lijepljenje daske na vrh] ili uklanjanje imovine iz upotrebe za popravke na razini skladišta (D-razina). Budući da su potrebni popravci na razini D, mnoga se imovina odlaže.“
Nastavio je rekavši da je potrebna metoda koju mogu izvesti vojnici bez iskustva s kompozitnim materijalima, koristeći samo setove i priručnike za održavanje. Naš je cilj pojednostavniti proces: pročitati priručnik, procijeniti štetu i izvršiti popravke. Ne želimo miješati tekuće smole, jer to zahtijeva precizno mjerenje kako bi se osiguralo potpuno stvrdnjavanje. Također nam je potreban sustav bez opasnog otpada nakon što su popravci završeni. I mora biti pakiran kao set koji se može primijeniti putem postojeće mreže.
Jedno rješenje koje je Custom Technologies uspješno demonstrirao je prijenosni komplet koji koristi ojačano epoksidno ljepilo za prilagodbu kompozitne ljepljive zakrpe prema veličini oštećenja (do 12 četvornih inča). Demonstracija je provedena na kompozitnom materijalu koji predstavlja 3 inča debelu 3 inča debelu 3 inča (7,6 cm). Kompozitni materijal ima jezgru od balsa drva debljine 3 inča (gustoća 15 funti po kubnoj stopi) i dva sloja tkanine Vectorply (Phoenix, Arizona, SAD) C-LT 1100 od karbonskih vlakana 0°/90° dvoosno prošivene tkanine, jedan sloj C-TLX 1900 od karbonskih vlakana 0°/+45°/-45° s 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.
Sljedeće pitanje je matrica smole koja se koristi za popravak laminata. Kako bi se izbjeglo miješanje tekuće smole, zakrpa će se koristiti prepreg. „Međutim, ti izazovi su skladištenje“, objasnio je Bergen. Kako bi razvili rješenje za zakrpu koje se može skladištiti, Custom Technologies surađivao je sa Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornija, SAD) na razvoju preprega od staklenih vlakana/vinil estera koji može koristiti ultraljubičasto svjetlo (UV) za šest minuta svjetlosnog stvrdnjavanja. Također je surađivao s Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, SAD), koji su predložili upotrebu novog fleksibilnog epoksidnog filma.
Rane studije pokazale su da je epoksidna smola najprikladnija smola za preprege od karbonskih vlakana - UV-stvrdnjavajući vinil ester i prozirna staklena vlakna dobro funkcioniraju, ali se ne stvrdnjavaju pod utjecajem karbonskih vlakana koja blokiraju svjetlost. Na temelju novog filma tvrtke Gougeon Brothers, konačni epoksidni prepreg stvrdnjava se 1 sat na 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 staklastog prijelaza (Tg), smola će se također stvrdnjavati na višoj temperaturi, kao što je 177 °C. Oba preprega isporučuju se u prijenosnom kompletu za popravak kao snop prepreg zakrpa zatvorenih u plastičnoj omotnici.
Budući da se komplet za popravak može skladištiti dulje vrijeme, tvrtka Custom Technologies mora provesti studiju o roku trajanja. „Kupili smo četiri kućišta od tvrde plastike - tipičan vojni tip koji se koristi u transportnoj opremi - i u svako kućište stavili uzorke epoksidnog ljepila i vinil esterskog preprega“, rekao je Bergen. Kutije su zatim postavljene na četiri različite lokacije za testiranje: krov tvornice Gougeon Brothers u Michiganu, krov zračne luke Maryland, vanjski objekt u Yucca Valleyju (kalifornijska pustinja) i vanjski laboratorij za ispitivanje korozije na jugu Floride. Sva kućišta imaju zapisivače podataka, ističe Bergen, „Uzimamo uzorke podataka i materijala za procjenu svaka tri mjeseca. Maksimalna zabilježena temperatura u kutijama na Floridi i u Kaliforniji je 140°F, što je dobro za većinu smola za restauraciju. To je pravi izazov.“ Osim toga, Gougeon Brothers je interno testirao novo razvijenu čistu epoksidnu smolu. „Uzorci koji su nekoliko mjeseci stavljeni u pećnicu na 120°F počinju se polimerizirati“, rekao je Bergen. „Međutim, za odgovarajuće uzorke držane na 43°C, kemija smole se poboljšala samo malo.“
Popravak je provjeren na testnoj ploči i ovom modelu AMCB-a u mjerilu, koji je koristio isti laminat i materijal jezgre kao i originalni most koji je izgradila tvrtka Seemann Composites. Izvor slike: Custom Technologies LLC
Kako bi se demonstrirala tehnika popravka, mora se proizvesti, oštetiti i popraviti reprezentativni laminat. „U prvoj fazi projekta, u početku smo koristili male grede dimenzija 4 x 48 inča i testove savijanja u četiri točke kako bismo procijenili izvedivost našeg postupka popravka“, rekao je Klein. „Zatim smo u drugoj fazi projekta prešli na ploče dimenzija 12 x 48 inča, primijenili opterećenja kako bismo stvorili dvoosno stanje naprezanja koje uzrokuje lom, a zatim procijenili učinkovitost popravka. U drugoj fazi, također smo dovršili AMCB model održavanja koji smo izgradili.“
Bergen je rekao da je ispitna ploča korištena za dokazivanje performansi popravka proizvedena korištenjem iste linije laminata i jezgrenih materijala kao i AMCB koji proizvodi Seemann Composites, „ali smo smanjili debljinu ploče s 0,375 inča na 0,175 inča, na temelju teorema o paralelnim osima. To je slučaj. Metoda, zajedno s dodatnim elementima teorije greda i klasične teorije laminata [CLT], korištena je za povezivanje momenta inercije i efektivne krutosti AMCB-a u punoj veličini s demo proizvodom manje veličine koji je lakši za rukovanje i isplativiji. Zatim smo... Model analize konačnih elemenata [FEA] koji je razvio XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, SAD) korišten je za poboljšanje dizajna strukturnih popravaka.“ Tkanina od karbonskih vlakana korištena za ispitne ploče i model AMCB-a kupljena je od Vectorplyja, a balsa jezgru izradio je Core Composites (Bristol, RI, SAD).
Korak 1. Ova testna ploča prikazuje rupu promjera 7,6 cm kako bi se simulirala oštećenja označena u središtu i popravio opseg. Izvor fotografije za sve korake: Custom Technologies LLC.
Korak 2. Pomoću ručne brusilice na baterije uklonite oštećeni materijal i zatvorite mjesto popravka konusom 12:1.
„Želimo simulirati veći stupanj oštećenja na testnoj ploči nego što bi se mogao vidjeti na mostovnoj konstrukciji na terenu“, objasnio je Bergen. „Dakle, naša metoda je korištenje kružne pile za izradu rupe promjera 7,6 cm. Zatim izvlačimo čep oštećenog materijala i ručnom pneumatskom brusilicom obrađujemo rub 12:1.“
Crane je objasnio da će se za popravak karbonskim vlaknima/epoksidom, nakon što se ukloni „oštećeni“ materijal ploče i nanese odgovarajući rub, prepreg izrezati na širinu i duljinu kako bi odgovarao konusnom dijelu oštećenog područja. „Za našu testnu ploču potrebna su četiri sloja preprega kako bi se materijal za popravak održao u skladu s vrhom originalne neoštećene karbonske ploče. Nakon toga, tri pokrovna sloja karbonskog/epoksidnog preprega koncentriraju se na ovaj popravljeni dio. Svaki sljedeći sloj proteže se 2,5 cm sa svih strana donjeg sloja, što omogućuje postupan prijenos opterećenja s „dobrog“ okolnog materijala na popravljeno područje.“ Ukupno vrijeme potrebno za izvođenje ovog popravka - uključujući pripremu područja popravka, rezanje i postavljanje materijala za restauraciju te primjenu postupka stvrdnjavanja - iznosi približno 2,5 sata.
Za prepreg od karbonskih vlakana/epoksida, područje popravka se vakuumski pakira i stvrdnjava na 99°C tijekom jednog sata pomoću termičkog lijepioca na baterije.
Iako je popravak ugljikom/epoksidom jednostavan i brz, tim je prepoznao potrebu za praktičnijim rješenjem za vraćanje performansi. To je dovelo do istraživanja preprega koji se stvrdnjavaju ultraljubičastim (UV) zračenjem. „Interes za Sunrezove vinil esterske smole temelji se na prethodnom iskustvu u pomorstvu s osnivačem tvrtke Markom Livesayem“, objasnio je Bergen. „Prvo smo Sunrezu osigurali kvazi-izotropnu staklenu tkaninu koristeći njihov vinil esterski prepreg i procijenili krivulju stvrdnjavanja pod različitim uvjetima. Osim toga, budući da znamo da vinil esterska smola nije poput epoksidne smole koja pruža odgovarajuće performanse sekundarnog prianjanja, potrebni su dodatni napori za procjenu različitih sredstava za spajanje ljepljivih slojeva i određivanje koje je prikladno za primjenu.“
Drugi problem je što staklena vlakna ne mogu pružiti ista mehanička svojstva kao karbonska vlakna. „U usporedbi s ugljičnim/epoksidnim flasterom, ovaj problem se rješava korištenjem dodatnog sloja stakla/vinil estera“, rekao je Crane. „Razlog zašto je potreban samo jedan dodatni sloj je taj što je stakleni materijal teža tkanina.“ Time se dobiva prikladan flaster koji se može nanijeti i kombinirati u roku od šest minuta čak i pri vrlo hladnim/niskim temperaturama unutar terena. Stvrdnjava se bez dovođenja topline. Crane je istaknuo da se ovaj popravak može dovršiti u roku od sat vremena.
Oba sustava zakrpa su demonstrirana i testirana. Za svaki popravak, područje koje treba oštetiti se označava (korak 1), stvara se pilom za rupe, a zatim se uklanja ručnom brusilicom na baterije (korak 2). Zatim se popravljeno područje reže u omjeru konusa 12:1. Očistite površinu ruba alkoholnim jastučićem (korak 3). Zatim se zakrpa za popravak izreže na određenu veličinu, postavi na očišćenu površinu (korak 4) i učvrsti valjkom kako bi se uklonili mjehurići zraka. Za prepreg od staklenih vlakana/vinil estera koji se stvrdnjava UV zračenjem, stavite odvojivi sloj na popravljeno područje i sušite zakrpu bežičnom UV lampom šest minuta (korak 5). Za prepreg od karbonskih vlakana/epoksida, upotrijebite unaprijed programirani termalni lijepilac s jednim gumbom na baterije za vakuumsko pakiranje i sušenje popravljenog područja na 99°C tijekom jednog sata.
Korak 5. Nakon što ste nanijeli sloj za piling na popravljeno područje, upotrijebite bežičnu UV lampu za sušenje flastera 6 minuta.
„Zatim smo proveli testove kako bismo procijenili ljepljivost zakrpe i njezinu sposobnost vraćanja nosivosti konstrukcije“, rekao je Bergen. „U prvoj fazi moramo dokazati jednostavnost nanošenja i sposobnost oporavka od najmanje 75% čvrstoće. To se postiže savijanjem u četiri točke na gredi od karbonskih vlakana/epoksidne smole i balse dimenzija 4 x 48 inča nakon popravka simuliranog oštećenja. Da. U drugoj fazi projekta korištena je ploča dimenzija 12 x 48 inča i mora pokazivati više od 90% zahtjeva čvrstoće pod složenim opterećenjima naprezanja. Ispunili smo sve te zahtjeve, a zatim fotografirali metode popravka na AMCB modelu. Kako koristiti tehnologiju i opremu na terenu kako bismo pružili vizualnu referencu.“
Ključni aspekt projekta je dokazati da početnici mogu lako izvršiti popravak. Iz tog razloga, Bergen je imao ideju: „Obećao sam demonstrirati našim dvama tehničkim kontaktima u vojsci: dr. Bernardu Siji i Ashley Genni. U završnom pregledu prve faze projekta, tražio sam da se ne izvode popravci. Iskusna Ashley izvršila je popravak. Koristeći komplet i priručnik koji smo im dali, nanijela je zakrpu i dovršila popravak bez ikakvih problema.“
Slika 2. Baterijski, unaprijed programirani stroj za termičko lijepljenje može stvrdnjavati karbonska vlakna/epoksidnu smolu pritiskom na gumb, bez potrebe za znanjem o popravcima ili programiranjem ciklusa stvrdnjavanja. Izvor slike: Custom Technologies, LLC
Još jedan ključni razvoj je sustav stvrdnjavanja na baterije (slika 2). „Tijekom održavanja na terenu imate samo napajanje iz baterija“, istaknuo je Bergen. „Sva procesna oprema u kompletu za popravak koji smo razvili je bežična.“ To uključuje i termičko lijepljenje na baterije koje su zajednički razvili Custom Technologies i dobavljač strojeva za termičko lijepljenje WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, SAD). „Ovaj uređaj za termičko lijepljenje na baterije unaprijed je programiran za dovršetak stvrdnjavanja, tako da početnici ne moraju programirati ciklus stvrdnjavanja“, rekao je Crane. „Samo trebaju pritisnuti gumb za dovršetak odgovarajućeg ubrzanja i namakanja.“ Baterije koje se trenutno koriste mogu trajati godinu dana prije nego što ih je potrebno ponovno napuniti.
Završetkom druge faze projekta, Custom Technologies priprema prijedloge za daljnja poboljšanja i prikuplja pisma interesa i podrške. „Naš je cilj sazrijeti ovu tehnologiju do TRL 8 i donijeti 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 dubinsko razumijevanje nove znanosti o vlaknima i budućeg razvoja.
Uskoro stiže i prvi put leti, 787 se oslanja na inovacije u kompozitnim materijalima i procesima kako bi postigao svoje ciljeve.
Vrijeme objave: 02.09.2021.