Prenosná súprava môže byť opravená UV vytvrditeľným sklolaminátom/vinylesterom alebo uhlíkovým vláknom/epoxidovým predimpregnovaným laminátom skladovaným pri izbovej teplote a vytvrdzovacím zariadením napájaným z batérie. #insidemanufacturing #infrastructure
Oprava predimpregnovaných laminátov vytvrditeľných UV žiarením Napriek tomu, že oprava predimpregnovaných laminátov vytvrditeľných UV žiarením, vyvinutá spoločnosťou Custom Technologies LLC pre kompozitný mostík v teréne, sa ukázala ako jednoduchá a rýchla, použitie vinylesterovej živice Prepreg vytvrditeľnej UV žiarením vystuženej sklenenými vláknami vyvinulo pohodlnejší systém. . Zdroj obrázkov: Custom Technologies LLC
Modulárne nasaditeľné mosty sú kritickými prostriedkami pre vojenské taktické operácie a logistiku, ako aj pre obnovu dopravnej infraštruktúry počas prírodných katastrof. Študujú sa kompozitné konštrukcie, aby sa znížila hmotnosť takýchto mostov, čím sa zníži zaťaženie dopravných prostriedkov a mechanizmov obnovy spustenia. V porovnaní s kovovými mostíkmi majú kompozitné materiály tiež potenciál zvýšiť nosnosť a predĺžiť životnosť.
Príkladom je Advanced Modular Composite Bridge (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) a Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) používajú epoxidové lamináty vystužené uhlíkovými vláknami (obrázok 1). ) Dizajn a konštrukcia). Schopnosť opraviť takéto štruktúry v teréne je však problémom, ktorý bráni prijatiu kompozitných materiálov.
Obrázok 1 Kompozitný mostík, kľúčové aktívum v teréne Pokročilý modulárny kompozitný mostík (AMCB) navrhli a skonštruovali spoločnosti Seemann Composites LLC a Materials Sciences LLC s použitím kompozitov z epoxidovej živice vystužených uhlíkovými vláknami. Zdroj obrázkov: Seeman Composites LLC (vľavo) a americká armáda (vpravo).
V roku 2016 spoločnosť Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) získala grant 1. fázy výskumu malých podnikov (SBIR) financovaný armádou USA na vývoj metódy opráv, ktorú môžu vojaci úspešne vykonávať priamo na mieste. Na základe tohto prístupu bola v roku 2018 udelená druhá fáza grantu SBIR s cieľom predviesť nové materiály a zariadenia napájané z batérie, aj keď opravu vykoná nováčik bez predchádzajúceho školenia, 90 % alebo viac štruktúry sa dá obnoviť Surová silu. Uskutočniteľnosť technológie je určená vykonaním série analýz, výberu materiálu, úloh výroby vzoriek a mechanických testov, ako aj malých a rozsiahlych opráv.
Hlavným výskumníkom v dvoch fázach SBIR je Michael Bergen, zakladateľ a prezident Custom Technologies LLC. Bergen odišiel z Carderocku z Centra námornej povrchovej vojny (NSWC) a 27 rokov slúžil v oddelení štruktúr a materiálov, kde riadil vývoj a aplikáciu kompozitných technológií vo flotile amerického námorníctva. Dr. Roger Crane nastúpil do Custom Technologies v roku 2015 po odchode z amerického námorníctva v roku 2011 a slúžil už 32 rokov. Jeho odbornosť v oblasti kompozitných materiálov zahŕňa technické publikácie a patenty, ktoré pokrývajú témy ako nové kompozitné materiály, výroba prototypov, metódy spájania, multifunkčné kompozitné materiály, monitorovanie zdravotného stavu štruktúry a obnova kompozitných materiálov.
Dvaja experti vyvinuli jedinečný proces, ktorý využíva kompozitné materiály na opravu trhlín v hliníkovej nadstavbe krížniku 5456 s riadenými strelami triedy Ticonderoga CG-47. „Proces bol vyvinutý s cieľom znížiť rast trhlín a slúžiť ako ekonomická alternatíva. na výmenu dosky nástupišťa za 2 až 4 milióny dolárov,“ povedal Bergen. „Preukázali sme teda, že vieme vykonávať opravy mimo laboratória a v reálnom servisnom prostredí. Problémom však je, že súčasné metódy vojenských aktív nie sú veľmi úspešné. Možnosťou je lepená duplexná oprava [v podstate v poškodených oblastiach Prilepte dosku na vrch] alebo odstráňte aktívum z prevádzky pre opravy na úrovni skladu (úroveň D). Keďže sú potrebné opravy na úrovni D, mnohé aktíva sú odložené bokom.“
Pokračoval, že je potrebná metóda, ktorú môžu vykonávať vojaci bez skúseností s kompozitnými materiálmi iba s použitím súprav a manuálov na údržbu. Naším cieľom je zjednodušiť tento proces: prečítajte si príručku, vyhodnoťte poškodenie a vykonajte opravy. Nechceme miešať tekuté živice, pretože to vyžaduje presné meranie na zabezpečenie úplného vytvrdnutia. Potrebujeme tiež systém bez nebezpečného odpadu po dokončení opráv. A musí byť zabalený ako súprava, ktorú je možné nasadiť v existujúcej sieti. “
Jedným z riešení, ktoré Custom Technologies úspešne predviedli, je prenosná súprava, ktorá využíva tvrdené epoxidové lepidlo na prispôsobenie lepiacej kompozitnej náplasti podľa veľkosti poškodenia (až 12 štvorcových palcov). Demonštrácia bola dokončená na kompozitnom materiáli predstavujúcom 3-palcovú hrubú AMCB palubu. Kompozitný materiál má jadro z balzového dreva s hrúbkou 3 palce (hustota 15 libier na kubickú stopu) a dve vrstvy z uhlíkových vlákien Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C -LT 1100 biaxiálne prešívaná tkanina 0°/90°, jedna vrstva C-TLX 1900 uhlíkové vlákno 0°/+45°/-45° tri hriadele a dve vrstvy C-LT 1100, spolu päť vrstiev. "Rozhodli sme sa, že súprava bude používať prefabrikované záplaty v kvázi izotropnom lamináte podobnom viacosým, takže smer tkaniny nebude problémom, " povedal Crane.
Ďalším problémom je živicová matrica používaná na opravu laminátu. Aby sa predišlo zmiešaniu tekutej živice, náplasť bude používať predimpregnovaný laminát. "Tieto výzvy sú však skladovanie," vysvetlil Bergen. Pri vývoji skladovateľného riešenia náplastí sa spoločnosť Custom Technologies spojila so spoločnosťou Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornia, USA) na vývoji predimpregnovaného laminátu zo sklenených vlákien/vinylesteru, ktorý dokáže využívať ultrafialové svetlo (UV) za šesť minút. Spolupracovalo aj so spoločnosťou Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), ktorá navrhla použitie novej flexibilnej epoxidovej fólie.
Skoré štúdie ukázali, že epoxidová živica je najvhodnejšou živicou pre predimpregnované lamináty z uhlíkových vlákien – vinylester vytvrditeľný UV žiarením a priesvitné sklenené vlákno fungujú dobre, ale nevytvrdzujú sa pod uhlíkovými vláknami blokujúcimi svetlo. Na základe nového filmu Gougeon Brothers sa finálny epoxidový predimpregnovaný laminát vytvrdzuje 1 hodinu pri 210°F/99°C a má dlhú trvanlivosť pri izbovej teplote – nie je potrebné skladovanie pri nízkej teplote. Bergen povedal, že ak je potrebná vyššia teplota skleného prechodu (Tg), živica bude tiež vytvrdená pri vyššej teplote, ako je 350 °F/177 °C. Oba predimpregnované lamináty sa dodávajú v prenosnej opravnej súprave ako stoh predimpregnovaných záplat zatavených v plastovom fóliovom obale.
Keďže opravná súprava môže byť skladovaná po dlhú dobu, Custom Technologies musí vykonať štúdiu životnosti. "Zakúpili sme štyri tvrdé plastové kryty - typický vojenský typ používaný v dopravných zariadeniach - a do každého krytu sme vložili vzorky epoxidového lepidla a vinylesterového prepregu," povedal Bergen. Krabice boli potom umiestnené na štyri rôzne miesta na testovanie: strecha továrne Gougeon Brothers v Michigane, strecha letiska v Marylande, vonkajšie zariadenie v Yucca Valley (púšť Kalifornia) a vonkajšie laboratórium na testovanie korózie na južnej Floride. Všetky prípady majú záznamníky údajov, zdôrazňuje Bergen: „Každé tri mesiace odoberáme vzorky údajov a materiálov na vyhodnotenie. Maximálna teplota zaznamenaná v boxoch na Floride a v Kalifornii je 140 °F, čo je dobré pre väčšinu obnovovacích živíc. Je to skutočná výzva.“ Spoločnosť Gougeon Brothers navyše interne testovala novo vyvinutú čistú epoxidovú živicu. "Vzorky, ktoré boli vložené do pece pri 120 ° F na niekoľko mesiacov, začnú polymerizovať, " povedal Bergen. "Avšak pre zodpovedajúce vzorky udržiavané pri 110 ° F sa chémia živice zlepšila len o malé množstvo."
Oprava bola overená na testovacej doske a na tomto zmenšenom modeli AMCB, ktorý používal rovnaký laminát a materiál jadra ako pôvodný mostík postavený spoločnosťou Seemann Composites. Zdroj obrázkov: Custom Technologies LLC
Aby sa predviedla technika opravy, musí byť vyrobený, poškodený a opravený reprezentatívny laminát. "V prvej fáze projektu sme spočiatku použili malé lúče 4 x 48 palcov a štvorbodové ohybové testy na vyhodnotenie uskutočniteľnosti nášho procesu opravy," povedal Klein. „Potom sme v druhej fáze projektu prešli na panely s rozmermi 12 x 48 palcov, aplikovali sme zaťaženie na vygenerovanie stavu dvojosového napätia, ktoré spôsobilo zlyhanie, a potom sme vyhodnotili výkon opravy. V druhej fáze sme dokončili aj model AMCB, ktorý sme postavili na údržbu.“
Bergen uviedol, že testovací panel použitý na preukázanie výkonu opravy bol vyrobený s použitím rovnakého radu laminátov a materiálov jadra ako AMCB vyrábané spoločnosťou Seemann Composites, „ale znížili sme hrúbku panelu z 0,375 palca na 0,175 palca na základe vety o paralelnej osi. . Toto je tento prípad. Metóda spolu s ďalšími prvkami teórie lúčov a klasickej teórie laminátu [CLT] bola použitá na prepojenie momentu zotrvačnosti a efektívnej tuhosti AMCB v plnom rozsahu s menším demo produktom, s ktorým sa ľahšie manipuluje a viac. nákladovo efektívne. Potom sme na zlepšenie návrhu konštrukčných opráv použili model analýzy konečných prvkov [FEA] vyvinutý spoločnosťou XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA). Tkanina z uhlíkových vlákien použitá pre testovacie panely a model AMCB bola zakúpená od spoločnosti Vectorply a balzové jadro bolo vyrobené spoločnosťou Core Composites (Bristol, RI, USA).
Krok 1. Tento testovací panel zobrazuje priemer otvoru 3 palce na simuláciu poškodenia vyznačeného v strede a opravu obvodu. Zdroj fotografií pre všetky kroky: Custom Technologies LLC.
Krok 2. Na odstránenie poškodeného materiálu použite ručnú brúsku napájanú z batérie a pripevnite opravnú záplatu kužeľom 12:1.
„Chceme simulovať vyšší stupeň poškodenia na testovacej doske, než aký je možné vidieť na mostovke v teréne,“ vysvetlil Bergen. „Našou metódou je teda použiť dierovaciu pílu na vytvorenie diery s priemerom 3 palce. Potom vytiahneme zátku poškodeného materiálu a pomocou ručnej pneumatickej brúsky spracujeme šatku 12:1.“
Crane vysvetlil, že pri oprave uhlíkových vlákien/epoxidu, keď sa odstráni „poškodený“ panelový materiál a nanesie sa vhodná šatka, predimpregnovaný laminát sa odreže na šírku a dĺžku, aby zodpovedal zúženiu poškodenej oblasti. „Pre náš testovací panel to vyžaduje štyri vrstvy predimpregnovaného laminátu, aby sa materiál na opravu udržal v súlade s vrchnou časťou pôvodného nepoškodeného uhlíkového panelu. Potom sa tri krycie vrstvy uhlíkovo/epoxidového predimpregnovaného laminátu koncentrujú na tento opravený diel. Každá nasledujúca vrstva presahuje 1 palec na všetky strany spodnej vrstvy, čo poskytuje postupný prenos zaťaženia z „dobrého“ okolitého materiálu na opravenú oblasť. Celkový čas na vykonanie tejto opravy – vrátane prípravy opravovanej plochy, rezania a umiestnenia náhradného materiálu a aplikácie vytvrdzovacieho postupu – je približne 2,5 hodiny.
V prípade predimpregnovaného laminátu z uhlíkových vlákien/epoxidu sa opravovaná plocha vákuovo zabalí a vytvrdí pri teplote 210 °F/99 °C počas jednej hodiny pomocou tepelnej spojky napájanej z batérie.
Hoci oprava uhlíka/epoxidu je jednoduchá a rýchla, tím uznal potrebu pohodlnejšieho riešenia na obnovenie výkonu. To viedlo k skúmaniu predimpregnovaných laminátov vytvrdzujúcich ultrafialovým (UV) žiarením. „Záujem o vinylesterové živice Sunrez je založený na predchádzajúcich námorných skúsenostiach so zakladateľom spoločnosti Markom Livesayom,“ vysvetlil Bergen. „Najprv sme Sunrezovi poskytli kvázi izotropnú sklenenú tkaninu s použitím ich vinylesterového predimpregnovaného laminátu a vyhodnotili sme krivku vytvrdzovania za rôznych podmienok. Okrem toho, pretože vieme, že vinylesterová živica nie je ako epoxidová živica, ktorá poskytuje vhodnú sekundárnu adhéziu, je potrebné ďalšie úsilie na vyhodnotenie rôznych spojovacích činidiel adhéznej vrstvy a určenie toho, ktorý z nich je vhodný pre danú aplikáciu.
Ďalším problémom je, že sklenené vlákna nedokážu poskytnúť rovnaké mechanické vlastnosti ako uhlíkové vlákna. "V porovnaní s uhlíkovou/epoxidovou náplasťou je tento problém vyriešený použitím ďalšej vrstvy skla/vinylesteru," povedal Crane. "Dôvod, prečo je potrebná iba jedna ďalšia vrstva, je ten, že sklenený materiál je ťažšia tkanina." Vznikne tak vhodná náplasť, ktorú je možné aplikovať a skombinovať do šiestich minút aj pri veľmi nízkych/mrazivých teplotách v teréne. Vytvrdzovanie bez poskytnutia tepla. Crane poukázal na to, že tieto opravy môžu byť hotové do hodiny.
Oba patch systémy boli demonštrované a testované. Pri každej oprave sa miesto, ktoré sa má poškodiť, označí (krok 1), vytvorí sa dierovačkou a následne sa odstráni pomocou ručnej brúsky na batérie (krok 2). Potom vyrežte opravené miesto do skosenia 12:1. Očistite povrch šatky alkoholovým tampónom (krok 3). Potom narežte opravnú záplatu na určitú veľkosť, položte ju na očistený povrch (krok 4) a spevnite valčekom, aby ste odstránili vzduchové bubliny. V prípade vinylesterového predimpregnovaného laminátu vytvrdzujúceho skleneným vláknom/UV potom položte na opravené miesto uvoľňovaciu vrstvu a vytvrdzujte náplasť pomocou bezdrôtovej UV lampy počas šiestich minút (krok 5). V prípade predimpregnovaného laminátu z uhlíkových vlákien/epoxidu použite na vákuové balenie a vytvrdenie opraveného miesta pri teplote 210 °F/99 °C po dobu jednej hodiny vopred naprogramovaný tepelný spoj s jedným tlačidlom napájaný z batérie.
Krok 5. Po umiestnení zlupovacej vrstvy na opravené miesto použite bezdrôtovú UV lampu na vytvrdenie náplasti po dobu 6 minút.
"Potom sme vykonali testy na vyhodnotenie priľnavosti náplasti a jej schopnosti obnoviť nosnosť konštrukcie," povedal Bergen. „V prvej fáze musíme dokázať jednoduchosť aplikácie a schopnosť obnoviť aspoň 75 % sily. To sa vykonáva štvorbodovým ohnutím na nosníku z uhlíkových vlákien/epoxidovej živice a balzového jadra s rozmermi 4 x 48 palcov po oprave simulovaného poškodenia. áno. V druhej fáze projektu sa použil panel s rozmermi 12 x 48 palcov a musí vykazovať požiadavky na pevnosť viac ako 90 % pri komplexnom zaťažení. Všetky tieto požiadavky sme splnili a následne sme nafotili spôsoby opravy na modeli AMCB. Ako používať technológiu a vybavenie v teréne na poskytnutie vizuálnej referencie."
Kľúčovým aspektom projektu je dokázať, že nováčikovia môžu ľahko dokončiť opravu. Z tohto dôvodu dostal Bergen nápad: „Sľúbil som, že to predvediem našim dvom technickým kontaktom v armáde: Dr. Bernardovi Siaovi a Ashley Gennovej. Pri záverečnej kontrole prvej fázy projektu som nepožadoval žiadne opravy. Opravu vykonala skúsená Ashley. Pomocou súpravy a manuálu, ktorý sme jej poskytli, aplikovala náplasť a dokončila opravu bez akýchkoľvek problémov.“
Obrázok 2 Batériou napájaný vytvrdzovací predprogramovaný, batériou poháňaný stroj na tepelné spájanie dokáže vytvrdiť opravnú náplasť z uhlíkových vlákien/epoxidu stlačením tlačidla bez potreby znalostí o oprave alebo programovania cyklu vytvrdzovania. Zdroj obrázkov: Custom Technologies, LLC
Ďalším kľúčovým vývojom je vytvrdzovací systém napájaný z batérie (obrázok 2). "Vďaka údržbe v teréne máte len energiu z batérie," zdôraznil Bergen. "Všetky procesné zariadenia v súprave na opravu, ktorú sme vyvinuli, sú bezdrôtové." To zahŕňa tepelné spájanie poháňané batériou vyvinuté spoločne spoločnosťou Custom Technologies a strojom dodávajúcim stroj na tepelné spájanie WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). „Táto batériou napájaná tepelná väzba je vopred naprogramovaná na úplné vytvrdnutie, takže nováčikovia nemusia programovať cyklus vytvrdzovania,“ povedal Crane. "Stačí stlačiť tlačidlo, aby dokončili správnu rampu a namočili." Batérie, ktoré sa v súčasnosti používajú, môžu vydržať rok, kým ich bude potrebné dobiť.
Po dokončení druhej fázy projektu Custom Technologies pripravuje následné návrhy na zlepšenie a zbiera listy so záujmom a podporou. „Naším cieľom je dospieť k tejto technológii na TRL 8 a uviesť ju do praxe,“ povedal Bergen. "Vidíme aj potenciál pre nevojenské aplikácie."
Vysvetľuje staré umenie, ktoré stojí za prvým vystužením vlákien v tomto odvetví, a má hlboké znalosti o nových vláknach a budúcom vývoji.
Model 787, ktorý príde čoskoro a bude lietať po prvýkrát, sa pri dosahovaní svojich cieľov spolieha na inovácie v oblasti kompozitných materiálov a procesov.
Čas odoslania: Sept-02-2021