Prenosná súprava je možné opraviť pomocou sklenených vlákien/vinylesterového vlákna alebo uhlíkového vlákna/epoxidu uloženého pri izbovej teplote a vytvrdzovacím zariadením poháňaným batériou. #insideManufacturing #infraštruktúra
Oprava opravy náplasti pre podporu UV, hoci sa oprava uhlíkových vlákien/epoxidu vyvinula spoločnosťou Custom Technologies LLC pre kompozitný most Infield Composite Bridge, ktoré sa ukázalo ako jednoduché a rýchle, použitie vinylovej živicovej živice vyvíjanej sklenený . Zdroj obrázka: Custom Technologies LLC
Modulárne nasaditeľné mosty sú kritickými aktívami pre vojenské taktické operácie a logistiku, ako aj obnovenie dopravnej infraštruktúry počas prírodných katastrof. Študujú sa kompozitné štruktúry, aby sa znížila hmotnosť takýchto mostov, čím sa znižuje zaťaženie dopravných vozidiel a mechanizmov regenerácie spustenia. V porovnaní s kovovými mostmi majú kompozitné materiály tiež potenciál zvýšiť kapacitu nosenia a predĺžiť životnosť.
Príkladom je pokročilý modulárny kompozitný most (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) a Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) používajú epoxidové lamináty vystužené z uhlíkových vlákien (obrázok 1). ) Dizajn a konštrukcia). Schopnosť opraviť takéto štruktúry v tejto oblasti však bola problémom, ktorý prekáža prijatiu kompozitných materiálov.
Obrázok 1 Kompozitný most, Advanced Modulárny kompozitný most (AMCB) bol navrhnutý a skonštruovaný spoločnosťou Seemann Composites LLC a Materials Sciences LLC s použitím kompozitov epoxidovej živicovej živice zosilnené uhlíkovými vláknami. Zdroj obrázka: Seeman Composites LLC (vľavo) a americká armáda (vpravo).
V roku 2016 získala spoločnosť Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) grant fázy 1 s malými podnikami v USA (SBIR), ktorý má na mieste, aby vyvinul metódu opravy, ktorý môže vojaci úspešne vykonať na mieste. Na základe tohto prístupu bola v roku 2018 udelená druhá fáza grantu SBIR za predvádzanie nových materiálov a zariadení napájaných z batérie, aj keď náplasť vykonáva nováčik bez predchádzajúceho tréningu, 90% alebo viac zo štruktúry je možné obnoviť surové sila. Uskutočniteľnosť technológie je určená vykonaním série analýz, výberu materiálov, výroby vzoriek a mechanických testovacích úloh, ako aj opravy v malom a plnom rozsahu.
Hlavným výskumným pracovníkom v dvoch fázach SBIR je Michael Bergen, zakladateľ a prezident spoločnosti Custom Technologies LLC. Bergen odišiel z Carderock z Warfare Center Námorného povrchu (NSWC) a pôsobil v oddelení štruktúr a materiálov 27 rokov, kde spravoval vývoj a uplatňovanie kompozitných technológií vo flotile amerického námorníctva. Roger Crane nastúpil do vlastných technológií v roku 2015 po odchode z amerického námorníctva v roku 2011 a pôsobil 32 rokov. Jeho odborné znalosti z kompozitných materiálov zahŕňajú technické publikácie a patenty, pokrývajúce témy, ako sú nové kompozitné materiály, výroba prototypov, metódy pripojenia, multifunkčné kompozitné materiály, monitorovanie štruktúrneho zdravia a obnovenie kompozitného materiálu.
Dvaja odborníci vyvinuli jedinečný proces, ktorý využíva kompozitné materiály na opravu trhlín v hliníkovej podstavbe tried Ticonderoga CG-47, ktorý vedie raketový krížnik 5456. „Tento proces bol vyvinutý na zníženie rastu prasklí na výmenu dosky platformy vo výške 2 až 4 milióny dolárov, “uviedol Bergen. „Dokázali sme teda, že vieme, ako vykonávať opravy mimo laboratória a v skutočnom prostredí služieb. Výzvou však je, že súčasné metódy vojenských aktív nie sú príliš úspešné. Možnosťou je pripevnená duplexná oprava [v podstate v poškodených oblastiach prilepte dosku na vrchol] alebo odstráňte aktívum z servisu na opravy na úrovni skladu (na úrovni D). Pretože sú potrebné opravy na úrovni D, veľa aktív je odložených. “
Ďalej povedal, že to, čo je potrebné, je metóda, ktorú môžu vojaci vykonávať bez skúseností s kompozitnými materiálmi, pričom používajú iba súpravy a príručky na údržbu. Naším cieľom je jednoduchý proces: Prečítajte si príručku, vyhodnotiť poškodenie a vykonať opravy. Nechceme miešať tekuté živice, pretože to vyžaduje presné meranie, aby sa zabezpečilo úplné vyliečenie. Po dokončení opráv potrebujeme tiež systém bez nebezpečného odpadu. A musí byť zabalená ako súprava, ktorú môže nasadiť existujúcou sieťou. "
Jedným z riešení, ktoré vlastné technológie úspešne demonštrovali, je prenosná súprava, ktorá používa tvrdené epoxidové lepidlo na prispôsobenie zloženej náplasti lepidla podľa veľkosti poškodenia (až 12 štvorcových palcov). Demonštrácia bola dokončená na kompozitnom materiáli predstavujúcom 3-palcovú palubu AMCB. Kompozitný materiál má 3 -palcové hrubé jadro Balsa Wood (15 libier na hustotu kubickej stopy) a dve vrstvy vektorky (Phoenix, Arizona, US) C -LT 1100 uhlíkových vlákien 0 °/90 ° Biaxiálne šité tkanina, jednu vrstvu z jednej vrstvy z jednej vrstvy z jednej vrstvy z vrstvy C-TLX 1900 uhlíkové vlákno 0 °/+45 °/-45 ° tri hriadele a dve vrstvy C-LT 1100, celkom päť vrstiev. "Rozhodli sme sa, že táto súprava bude používať prefabrikované záplaty v kvázi-izotropnom lamináte podobnom viacjasnej osi, takže smer tkaniny nebude problémom," uviedol Crane.
Ďalším problémom je živicová matica použitá na laminátovú opravu. Aby sa zabránilo miešaniu tekutej živice, náplasť použije Prepreg. "Tieto výzvy sú však skladom," vysvetlil Bergen. Na vývoj riešenia podielových záplat spoločnosť Custom Technologies spolupracovala so spoločnosťou Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornia, USA) s cieľom vyvinúť sklenenú vlákno/vinylester prepreg, ktorá môže použiť ultrafialové svetlo (UV) za šesť minút vytvrdzovania svetla. Spolupracoval tiež s Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), ktorý navrhol použitie nového flexibilného epoxidového filmu.
Prvé štúdie ukázali, že epoxidová živica je najvhodnejšou živicou pre vinylesterovú vlákna vyrábajúcu uhlíkové vlákna a priesvitné sklenené vlákna fungujú dobre, ale pri uhlíkových vlákninách blokujúcich svetlo sa nevyliečia. Na základe nového filmu Gougeon Brothers sa konečný epoxidový prepreg vylieči 1 hodinu pri 210 ° F/99 ° C a má dlhú trvanlivosť pri teplote miestnosti-nie je potrebné ukladať nízkoteplotné skladovanie. Bergen uviedol, že ak sa vyžaduje vyššia teplota prechodu skla (TG), živica sa tiež vylieči pri vyššej teplote, napríklad 350 ° F/177 ° C. Obidve predpregy sú vybavené prenosnou opravnou súpravou ako stohom záplat predpreg utesnených v plastovej obálke filmu.
Keďže súprava na opravu môže byť uložená po dlhú dobu, na vykonanie štúdie o trvanlivosti sú potrebné vlastné technológie. "Kúpili sme štyri tvrdé plastové kryty - typický vojenský typ používaný v dopravných zariadeniach - a do každého krytu sme vložili vzorky epoxidového lepidla a vinylesterového predprega," uviedol Bergen. Škatule boli potom umiestnené na štyroch rôznych miestach na testovanie: strecha továrne Gougeon Brothers v Michigane, streche letiska v Marylande, vonkajšom zariadení v údolí Yucca (kalifornská púšť) a laboratória testovania korózie v južnej Floride. Všetky prípady majú databátorov, Bergen zdôrazňuje: „Berieme údaje a vzorky materiálov na vyhodnotenie každé tri mesiace. Maximálna teplota zaznamenaná v škatuliach na Floride a Kalifornii je 140 ° F, čo je dobré pre väčšinu obnovovacích živíc. Je to skutočná výzva. “ Okrem toho Gougeon Brothers interne testovali novo vyvinutú čistú epoxidovú živicu. "Vzorky, ktoré boli umiestnené v rúre pri 120 ° F na niekoľko mesiacov, sa začínajú polymerizovať," uviedol Bergen. "Avšak pre zodpovedajúce vzorky udržiavané pri 110 ° F sa chémia živice zlepšila iba o malé množstvo."
Oprava bola overená na skúšobnej doske a na tomto modeli AMCB mierky, ktorý používal rovnaký laminátový a základný materiál ako pôvodný most postavený spoločnosťou Seemann Composites. Zdroj obrázka: Custom Technologies LLC
Na preukázanie techniky opravy musí byť vyrobený, poškodený a opravený reprezentatívny laminát. "V prvej fáze projektu sme spočiatku používali malé lúče 4 x 48 palcov a štvorbodové ohybové testy na vyhodnotenie uskutočniteľnosti nášho procesu opravy," uviedol Klein. „Potom sme v druhej fáze projektu prešli na 12 x 48 palcových panelov, použili sme zaťaženie na vytvorenie stavu dvojosového stresu, aby spôsobili zlyhanie, a potom sme vyhodnotili výkon opravy. V druhej fáze sme tiež dokončili model AMCB, ktorý sme vytvorili údržba. “
Bergen uviedol, že testovací panel použitý na preukázanie opravného výkonu sa vyrába pomocou rovnakej línie laminátov a jadrových materiálov ako AMCB vyrábané spoločnosťou Seemann Composites, „ale znížili sme hrúbku panela z 0,375 palca na 0,175 palca, na základe paralelnej osi vety . Toto je prípad. Táto metóda, spolu s ďalšími prvkami teórie lúča a klasickej teórie laminátu [CLT], sa použila na prepojenie momentu zotrvačnosti a účinnej tuhosti AMCB v plnom rozsahu s demo s menšou veľkosťou, ktorý sa ľahšie zvládne a viac nákladovo efektívne. Potom sme sa my modelu konečných prvkov [FEA] vyvinutý spoločnosťou Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) použil na zlepšenie konštrukcie štrukturálnych opráv. “ Tkanina z uhlíkových vlákien použitých pre testovacie panely a model AMCB bol zakúpený od vektorky a jadro Balsa bolo vyrobené z Core Composites (Bristol, RI, USA).
Krok 1. Tento testovací panel zobrazuje priemer otvoru 3 palce na simuláciu poškodenia označeného v strede a opraví obvod. Zdroj fotografie pre všetky kroky: Custom Technologies LLC.
Krok 2. Na odstránenie poškodeného materiálu použite manuálnu mlynček napájanú z batérie a priložte opravnú opravu pomocou zúženia 12: 1.
"Chceme simulovať vyšší stupeň poškodenia na skúšobnej doske, ako je možné vidieť na mostnej palube v poli," vysvetlil Bergen. „Našou metódou je teda použiť dieru pílu na vytvorenie otvoru s priemerom 3 palce. Potom vytiahneme zástrčku poškodeného materiálu a pomocou ručného pneumatického mlynca na spracovanie šálu 12: 1. “
Žeriav vysvetlil, že pri oprave uhlíkových vlákien/epoxidov sa po odstránení „poškodeného“ panelového materiálu a použití vhodná šatka, predpreg sa prenesie na šírku a dĺžku, aby zodpovedal zúženiu poškodenej oblasti. „Pre náš testovací panel si to vyžaduje štyri vrstvy Prepreg, aby bol opravný materiál v súlade s hornou časťou pôvodného nepoškodeného uhlíkového panela. Potom sú tri pokryté vrstvy predprega uhlíka/epoxidu sústredené na túto časť. Každá po sebe nasledujúca vrstva rozširuje 1 palec na všetkých stranách spodnej vrstvy, ktorá poskytuje postupný prenos zaťaženia z „dobrého“ okolitého materiálu do opravenej oblasti. “ Celkový čas na vykonanie tejto prípravy opravy v oblasti opravy, rezanie a umiestnenie obnovovacieho materiálu a nanášanie postupu vytvrdzovania, ktoré sú aplikované 2,5 hodiny.
Pre prepreg uhlíkových vlákien/epoxidu je oblasť opravy zabalená a vyliečená pri 210 ° F/99 ° C počas jednej hodiny pomocou tepelného bonda napájaného z batérie.
Aj keď je oprava uhlíka/epoxidu jednoduchá a rýchla, tím uznal potrebu pohodlnejšieho riešenia na obnovenie výkonu. To viedlo k prieskumu ultrafialového (UV) vyliečenia predpregs. "Záujem o živice Sunrez Vinylester je založený na predchádzajúcich námorných skúsenostiach so zakladateľom spoločnosti Mark Livesay," vysvetlil Bergen. „Najprv sme poskytli spoločnosti Sunrez kvázi izotropnú sklenenú tkaninu, pričom sme použili ich vinylesterové predpreg a vyhodnotili krivku vytvrdzovania za rôznych podmienok. Okrem toho, pretože vieme, že vinylesterová živica nie je ako epoxidová živica, ktorá poskytuje vhodný výkon sekundárnej adhézie, takže je potrebné ďalšie úsilie na vyhodnotenie rôznych spojovacích činidiel adhezívnej vrstvy a na určenie, ktoré z nich je vhodné pre aplikáciu. “
Ďalším problémom je to, že sklenené vlákna nemôžu poskytovať rovnaké mechanické vlastnosti ako uhlíkové vlákna. "V porovnaní s náplasťou uhlíka/epoxy sa tento problém vyrieši pomocou ďalšej vrstvy skla/vinylesteru," uviedol Crane. „Dôvodom, prečo je potrebná iba jedna ďalšia vrstva, je to, že sklenený materiál je ťažšia tkanina.“ To vytvára vhodnú náplasť, ktorú je možné aplikovať a kombinovať do šiestich minút, dokonca aj pri veľmi chladných/mrazivých teplotách infield. Vytvrdzovanie bez poskytnutia tepla. Crane poukázal na to, že tieto opravné práce je možné dokončiť do hodiny.
Obidva náplastné systémy boli demonštrované a testované. Pre každú opravu je oblasť, ktorá sa má poškodiť, označená (krok 1), vytvorená s otvorom píly a potom sa odstráni pomocou manuálneho mlynčeka napájaného z batérie (krok 2). Potom nakrájajte opravenú plochu na zúženie 12: 1. Vyčistite povrch šálu pomocou alkoholovej podložky (krok 3). Ďalej nakrájajte opravu opravy na určitú veľkosť, položte ju na vyčistený povrch (krok 4) a konsolidujte ju pomocou valca, aby ste odstránili vzduchové bubliny. V prípade sklenených vlákien/UV vyliečenia vinylesteru predpreg, potom položte vrstvu uvoľňovania na opravenú plochu a vyliečite náplasť bezdrôtovým UV žiarovkou na šesť minút (krok 5). V prípade prepreg v uhlíkových vláknach/epoxidu použite na vákuové balenie predprogramovaný, jedno posuvný, batériový tepelný bonder na vákuové balenie a vyliečte opravenú plochu pri 210 ° F/99 ° C počas jednej hodiny.
Krok 5. Po umiestnení odlupovacej vrstvy na opravenú oblasť pomocou bezdrôtovej UV žiarovky vyliečite náplasť 6 minút.
"Potom sme vykonali testy na vyhodnotenie adhéznosti náplasti a jej schopnosti obnoviť zaťažovaciu kapacitu štruktúry," uviedol Bergen. „V prvej fáze musíme dokázať ľahkú aplikáciu a schopnosť získať späť najmenej 75% sily. Toto sa uskutočňuje štvorbodovým ohýbaním na uhlíkovej/epoxidovej živici 4 x 48 palcov a jadrového lúča Balsa po opravení simulovaného poškodenia. Áno. Druhá fáza projektu použila panel s rozmermi 12 x 48 palcov a musí vykazovať viac ako 90% požiadavky na pevnosť pri komplexnom zaťažení napätia. Splnili sme všetky tieto požiadavky a potom sme fotografovali metódy opravy na modeli AMCB. Ako používať technológiu a vybavenie Infield na poskytnutie vizuálnej referencie. “
Kľúčovým aspektom projektu je dokázať, že nováčikovia môžu ľahko dokončiť opravu. Z tohto dôvodu mal Bergen predstavu: „Sľúbil som, že preukážem našim dvom technickým kontaktom v armáde: Dr. Bernard Sia a Ashley Genna. V záverečnom preskúmaní prvej fázy projektu som požiadal o žiadne opravy. Oprava vykonala skúsená Ashley. Pomocou súpravy a príručky, ktorú sme poskytli, použila náplasť a bez problémov dokončila opravu. “
Obrázok 2 Vytvrdzovaný predprogramovaný vytvrdzovaný, tepelný spojovací stroj poháňaný batériou dokáže vyliečiť opravu uhlíkových vlákien/epoxidovej opravy pri stlačení tlačidla bez potreby znalostí o opravách alebo programovaní vytvrdzovania cyklu. Zdroj obrázka: Custom Technologies, LLC
Ďalším kľúčovým vývojom je vytvrdzovací systém poháňaný batériou (obrázok 2). "Prostredníctvom údržby Infield máte iba energiu batérie," zdôraznil Bergen. „Všetky procesné vybavenie v opravárenskej súprave, ktorú sme vyvinuli, sú bezdrôtové.“ Zahŕňa to tepelné spojenie s tepelnou batériou vyvinuté spoločne spoločnosťou Custom Technologies a Termal Bonding Machine Dodávateľ Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA) Machine. "Tento tepelný bonder poháňaný batériou je vopred naprogramovaný na dokončenie vytvrdzovania, takže nováčikovia nemusia programovať cyklus vytvrdzovania," uviedol Crane. "Potrebujú len stlačiť tlačidlo, aby vyplnili správnu rampu a namočili." Batérie, ktoré sa v súčasnosti používajú, môžu trvať rok, kým sa musia nabíjať.
Po dokončení druhej fázy projektu pripravuje Custom Technologies návrhy na zlepšenie následných opatrení a zhromažďuje záujmové listy a podporu. "Naším cieľom je dozrieť túto technológiu TRL 8 a priviesť ju na pole," uviedol Bergen. „Vidíme tiež potenciál nevojenských aplikácií.“
Vysvetľuje staré umenie, ktoré stojí za prvým posilňovaním vlákien v tomto odvetví, a má hĺbkové chápanie novej vedy o vláknine a budúci rozvoj.
Čoskoro a prvýkrát lietajú, 787 sa spolieha na inovácie v kompozitných materiáloch a procesoch na dosiahnutie svojich cieľov
Čas príspevku: sep-02-2021