Prenosnú súpravu je možné opraviť pomocou UV vytvrditeľného sklolaminátu/vinylesteru alebo prepregu z uhlíkových vlákien/epoxidu, skladovaného pri izbovej teplote a pomocou zariadenia na vytvrdzovanie na batérie. #vnútrivýroby #infraštruktúra
Oprava prepregom vytvrdzovaným UV žiarením Hoci sa oprava prepregom z uhlíkových vlákien/epoxidu, ktorú vyvinula spoločnosť Custom Technologies LLC pre kompozitný most v rámci poľa, ukázala ako jednoduchá a rýchla, použitie vinylesterovej živice vystuženej sklenenými vláknami vytvrdzovateľnej UV žiarením sa vyvinulo ako pohodlnejší systém. Zdroj obrázka: Custom Technologies LLC
Modulárne rozložiteľné mosty sú kľúčovými prostriedkami pre vojenské taktické operácie a logistiku, ako aj pre obnovu dopravnej infraštruktúry počas prírodných katastrof. Skúmajú sa kompozitné konštrukcie s cieľom znížiť hmotnosť takýchto mostov, a tým znížiť zaťaženie dopravných vozidiel a mechanizmov na odpaľovanie a záchranu. V porovnaní s kovovými mostami majú kompozitné materiály tiež potenciál zvýšiť nosnosť a predĺžiť životnosť.
Príkladom je pokročilý modulárny kompozitný most (AMCB). Spoločnosti Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) a Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) používajú epoxidové lamináty vystužené uhlíkovými vláknami (obrázok 1). (Návrh a konštrukcia). Schopnosť opraviť takéto konštrukcie v teréne však predstavuje problém, ktorý bráni prijatiu kompozitných materiálov.
Obrázok 1 Kompozitný most, kľúčový prvok v teréne Pokročilý modulárny kompozitný most (AMCB) bol navrhnutý a postavený spoločnosťami Seemann Composites LLC a Materials Sciences LLC s použitím epoxidových živicových kompozitov vystužených uhlíkovými vláknami. Zdroj obrázka: Seeman Composites LLC (vľavo) a americká armáda (vpravo).
V roku 2016 spoločnosť Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) získala grant fázy 1 programu Small Business Innovation Research (SBIR) financovaný americkou armádou na vývoj metódy opravy, ktorú môžu vojaci úspešne vykonávať priamo na mieste. Na základe tohto prístupu bola v roku 2018 udelená druhá fáza grantu SBIR na prezentáciu nových materiálov a zariadení napájaných z batérií. Aj keď opravu vykoná začiatočník bez predchádzajúceho školenia, je možné obnoviť 90 % alebo viac konštrukcie. Uskutočniteľnosť technológie sa určuje vykonaním série analýz, výberu materiálu, výroby vzoriek a mechanických skúšobných úloh, ako aj opráv v malom a veľkom rozsahu.
Hlavným výskumníkom v dvoch fázach SBIR je Michael Bergen, zakladateľ a prezident spoločnosti Custom Technologies LLC. Bergen odišiel do dôchodku z Carderocku v Námornom centre pre povrchové bojové operácie (NSWC) a 27 rokov pôsobil v oddelení konštrukcií a materiálov, kde riadil vývoj a aplikáciu kompozitných technológií vo flotile amerického námorníctva. Dr. Roger Crane nastúpil do spoločnosti Custom Technologies v roku 2015 po odchode z amerického námorníctva do dôchodku v roku 2011 a slúži už 32 rokov. Jeho odborné znalosti v oblasti kompozitných materiálov zahŕňajú technické publikácie a patenty, ktoré sa zaoberajú témami ako nové kompozitné materiály, výroba prototypov, metódy spájania, multifunkčné kompozitné materiály, monitorovanie štrukturálneho stavu a obnova kompozitných materiálov.
Dvaja experti vyvinuli unikátny proces, ktorý využíva kompozitné materiály na opravu trhlín v hliníkovej nadstavbe raketového krížnika triedy Ticonderoga CG-47 s riadenými strelami číslo 5456. „Tento proces bol vyvinutý s cieľom znížiť rast trhlín a slúžiť ako ekonomická alternatíva k výmene dosky plošiny za 2 až 4 milióny dolárov,“ povedal Bergen. „Dokázali sme teda, že vieme, ako vykonávať opravy mimo laboratória a v reálnom prevádzkovom prostredí. Problémom však je, že súčasné metódy opravy vojenských aktív nie sú veľmi úspešné. Možnosťou je lepená duplexná oprava [v podstate v poškodených oblastiach prilepiť dosku na vrch] alebo vyradiť aktívum z prevádzky na opravy na úrovni skladu (úroveň D). Keďže sú potrebné opravy na úrovni D, veľa aktív sa odkladá.“
Ďalej povedal, že je potrebná metóda, ktorú môžu vykonávať vojaci bez skúseností s kompozitnými materiálmi, a to iba pomocou súprav a návodov na údržbu. Naším cieľom je zjednodušiť proces: prečítať si návod, vyhodnotiť poškodenie a vykonať opravy. Nechceme miešať tekuté živice, pretože to vyžaduje presné meranie na zabezpečenie úplného vytvrdnutia. Potrebujeme tiež systém, ktorý po dokončení opráv nebude tvoriť nebezpečný odpad. A musí byť zabalený ako súprava, ktorú je možné nasadiť existujúcou sieťou.“
Jedným z riešení, ktoré spoločnosť Custom Technologies úspešne predviedla, je prenosná súprava, ktorá využíva tvrdené epoxidové lepidlo na prispôsobenie lepiacej kompozitnej záplaty podľa veľkosti poškodenia (až do 30 cm štvorcových). Demonštrácia bola vykonaná na kompozitnom materiáli predstavujúcom 7,5 cm hrubú dosku AMCB. Kompozitný materiál má 7,5 cm hrubé jadro z balzového dreva (hustota 7,5 kg na kubickú stopu) a dve vrstvy biaxiálne prešívanej tkaniny Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C-LT 1100 z uhlíkových vlákien 0°/90°, jednu vrstvu trojosových uhlíkových vlákien C-TLX 1900 z uhlíkových vlákien 0°/+45°/-45° a dve vrstvy C-LT 1100, spolu päť vrstiev. „Rozhodli sme sa, že súprava bude používať prefabrikované záplaty v kváziizotropnom lamináte podobnom viacosovému, takže smer tkaniny nebude problémom,“ povedal Crane.
Ďalším problémom je živicová matrica používaná na opravu laminátu. Aby sa predišlo miešaniu tekutej živice, záplata bude používať prepreg. „Tieto výzvy však predstavujú skladovanie,“ vysvetlil Bergen. Aby vyvinula skladovateľné riešenie pre záplatu, spoločnosť Custom Technologies nadviazala partnerstvo so spoločnosťou Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornia, USA) s cieľom vyvinúť prepreg zo sklenených vlákien/vinylesteru, ktorý dokáže pomocou ultrafialového svetla (UV) vytvrdnúť svetlom za šesť minút. Spolupracovala aj so spoločnosťou Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), ktorá navrhla použitie novej flexibilnej epoxidovej fólie.
Skoršie štúdie ukázali, že epoxidová živica je najvhodnejšou živicou pre prepregy z uhlíkových vlákien – vinylester vytvrditeľný UV žiarením a priesvitné sklenené vlákno fungujú dobre, ale nevytvrdzujú pod svetlom blokujúcim uhlíkovým vláknom. Na základe novej fólie od Gougeon Brothers sa finálny epoxidový prepreg vytvrdzuje 1 hodinu pri teplote 99 °C a má dlhú skladovateľnosť pri izbovej teplote – nie je potrebné skladovať pri nízkych teplotách. Bergen uviedol, že ak je potrebná vyššia teplota skleného prechodu (Tg), živica sa tiež vytvrdí pri vyššej teplote, napríklad 177 °C. Oba prepregy sa dodávajú v prenosnej opravnej súprave ako stoh prepregových záplat zatavených v plastovej fólii.
Keďže opravárenská súprava sa môže skladovať dlhší čas, spoločnosť Custom Technologies je povinná vykonať štúdiu skladovateľnosti. „Zakúpili sme štyri tvrdé plastové kryty – typický vojenský typ používaný v dopravných prostriedkoch – a do každého krytu sme vložili vzorky epoxidového lepidla a vinylesterového prepregu,“ povedal Bergen. Krabice boli potom umiestnené na štyroch rôznych miestach na testovanie: na streche továrne Gougeon Brothers v Michigane, na streche letiska v Marylande, vo vonkajšom zariadení v Yucca Valley (kalifornská púšť) a vo vonkajšom laboratóriu na testovanie korózie na južnej Floride. Všetky kryty majú záznamníky údajov, zdôrazňuje Bergen, „každé tri mesiace odoberáme vzorky údajov a materiálu na vyhodnotenie. Maximálna teplota zaznamenaná v krytoch na Floride a v Kalifornii je 140 °F, čo je dobré pre väčšinu reštaurátorských živíc. Je to skutočná výzva.“ Okrem toho spoločnosť Gougeon Brothers interne testovala novovyvinutú čistú epoxidovú živicu. „Vzorky, ktoré boli niekoľko mesiacov umiestnené v peci pri teplote 120 °F, začínajú polymerizovať,“ povedal Bergen. „Avšak pri zodpovedajúcich vzorkách uchovávaných pri teplote 43 °C sa chemické zloženie živice zlepšilo len o malú mieru.“
Oprava bola overená na testovacej doske a tomto modeli AMCB, ktorý použil rovnaký laminát a jadrový materiál ako pôvodný most postavený spoločnosťou Seemann Composites. Zdroj obrázka: Custom Technologies LLC
Na demonštráciu techniky opravy je potrebné vyrobiť, poškodiť a opraviť reprezentatívny laminát. „V prvej fáze projektu sme najprv použili malé nosníky s rozmermi 4 x 48 palcov a štvorbodové ohybové testy na vyhodnotenie uskutočniteľnosti nášho procesu opravy,“ povedal Klein. „Následne sme v druhej fáze projektu prešli na panely s rozmermi 12 x 48 palcov, aplikovali sme zaťaženia na vytvorenie dvojosového napäťového stavu, ktorý spôsobí poruchu, a potom sme vyhodnotili výkonnosť opravy. V druhej fáze sme tiež dokončili model AMCB, ktorý sme zostavili pre údržbu.“
Bergen uviedol, že testovací panel použitý na preukázanie výkonu opravy bol vyrobený s použitím rovnakej línie laminátov a jadrových materiálov ako AMCB vyrobený spoločnosťou Seemann Composites, „ale hrúbku panelu sme znížili z 0,375 palca na 0,175 palca na základe vety o rovnobežných osiach. To je aj tento prípad. Metóda spolu s ďalšími prvkami teórie nosníkov a klasickej teórie laminátov [CLT] bola použitá na prepojenie momentu zotrvačnosti a efektívnej tuhosti AMCB v plnej mierke s menším demo produktom, s ktorým sa ľahšie manipuluje a je nákladovo efektívnejší. Potom sme použili model analýzy konečných prvkov [FEA] vyvinutý spoločnosťou XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) na zlepšenie návrhu štrukturálnych opráv.“ Tkanina z uhlíkových vlákien použitá na testovacie panely a model AMCB bola zakúpená od spoločnosti Vectorply a balzové jadro vyrobila spoločnosť Core Composites (Bristol, RI, USA).
Krok 1. Tento testovací panel zobrazuje otvor s priemerom 3 palce na simuláciu poškodenia vyznačeného v strede a opravu obvodu. Zdroj fotografie pre všetky kroky: Custom Technologies LLC.
Krok 2. Na odstránenie poškodeného materiálu použite ručnú brúsku na batériu a opravnú záplatu uzavrite zúžením 12:1.
„Chceme na testovacej doske simulovať vyšší stupeň poškodenia, než aký by sme mohli vidieť na mostovke v teréne,“ vysvetlil Bergen. „Našou metódou je teda použiť dierovú pílu na vytvorenie otvoru s priemerom 3 palce. Potom vytiahneme zátku z poškodeného materiálu a pomocou ručnej pneumatickej brúsky opracujeme zvlnený povrch v pomere 12:1.“
Crane vysvetlil, že pri oprave uhlíkovými vláknami/epoxidom sa po odstránení „poškodeného“ materiálu panelu a nanesení vhodného obrubníka prepreg nareže na šírku a dĺžku, aby zodpovedal zúženiu poškodenej oblasti. „Pre náš testovací panel to vyžaduje štyri vrstvy prepregu, aby sa opravný materiál udržal v súlade s vrchnou časťou pôvodného nepoškodeného uhlíkového panelu. Potom sa na túto opravenú časť sústredia tri krycie vrstvy uhlíkového/epoxidového prepregu. Každá ďalšia vrstva siaha o 2,5 cm na všetky strany spodnej vrstvy, čo zabezpečuje postupný prenos zaťaženia z „dobrého“ okolitého materiálu na opravenú oblasť.“ Celkový čas na vykonanie tejto opravy – vrátane prípravy opravovanej oblasti, rezania a umiestnenia opravného materiálu a aplikácie vytvrdzovacieho postupu – trvá približne 2,5 hodiny.
V prípade prepregu z uhlíkových vlákien/epoxidu sa opravovaná oblasť vákuovo zabalí a vytvrdí pri teplote 99 °C počas jednej hodiny pomocou tepelného spájača napájaného z batérie.
Hoci je oprava uhlíkom/epoxidom jednoduchá a rýchla, tím si uvedomil potrebu pohodlnejšieho riešenia na obnovenie výkonu. To viedlo k preskúmaniu prepregov vytvrdzovaných ultrafialovým (UV) žiarením. „Záujem o vinylesterové živice Sunrez je založený na predchádzajúcich skúsenostiach so zakladateľom spoločnosti Markom Livesayom v námorníctve,“ vysvetlil Bergen. „Najprv sme spoločnosti Sunrez poskytli kváziizotropnú sklenenú tkaninu s použitím ich vinylesterového prepregu a vyhodnotili sme krivku vytvrdzovania za rôznych podmienok. Okrem toho, keďže vieme, že vinylesterová živica nie je ako epoxidová živica, ktorá poskytuje vhodnú sekundárnu adhéziu, je potrebné vynaložiť ďalšie úsilie na vyhodnotenie rôznych spojovacích činidiel adhezívnych vrstiev a určenie, ktoré z nich je vhodné pre danú aplikáciu.“
Ďalším problémom je, že sklenené vlákna nemôžu poskytnúť rovnaké mechanické vlastnosti ako uhlíkové vlákna. „V porovnaní s uhlíkovo-epoxidovou záplatou sa tento problém rieši použitím ďalšej vrstvy skla/vinylesteru,“ povedal Crane. „Dôvod, prečo je potrebná iba jedna ďalšia vrstva, je ten, že sklenený materiál je ťažšia tkanina.“ Takto sa vytvorí vhodná záplata, ktorú je možné aplikovať a spojiť do šiestich minút, a to aj pri veľmi nízkych/mrazivých teplotách v teréne. Vytvrdzuje sa bez použitia tepla. Crane poukázal na to, že táto oprava sa dá dokončiť do hodiny.
Oba systémy záplat boli predvedené a testované. Pri každej oprave sa označí poškodená oblasť (krok 1), vytvorí sa otvorovou pílou a potom sa odstráni pomocou manuálnej brúsky napájanej batériou (krok 2). Opravená oblasť sa potom zreže do zúženia 12:1. Povrch švu očistite alkoholovým tampónom (krok 3). Následne sa opravná záplata nareže na určitú veľkosť, položí sa na vyčistený povrch (krok 4) a spevní sa valčekom, aby sa odstránili vzduchové bubliny. V prípade prepregu zo sklenených vlákien/vinylesteru vytvrdzovaného UV žiarením sa na opravenú oblasť umiestni separačná vrstva a záplata sa vytvrdzuje bezdrôtovou UV lampou šesť minút (krok 5). V prípade prepregu z uhlíkových vlákien/epoxidu použite predprogramovaný, jednotlačidlový, batériou napájaný tepelný spojovač na vákuové balenie a vytvrdzovanie opravenej oblasti pri teplote 99 °C počas jednej hodiny.
Krok 5. Po nanesení odlupujúcej sa vrstvy na opravenú oblasť použite bezdrôtovú UV lampu na vytvrdnutie záplaty po dobu 6 minút.
„Potom sme vykonali testy na vyhodnotenie priľnavosti záplaty a jej schopnosti obnoviť nosnosť konštrukcie,“ povedal Bergen. „V prvej fáze musíme preukázať jednoduchosť aplikácie a schopnosť obnoviť aspoň 75 % pevnosti. To sa dosahuje štvorbodovým ohýbaním 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 viac ako 90 % pevnostných požiadaviek pri zložitých deformačných zaťaženiach. Splnili sme všetky tieto požiadavky a potom sme odfotografovali metódy opravy na modeli AMCB. Ako používať technológiu a vybavenie v teréne na poskytnutie vizuálnej referencie.“
Kľúčovým aspektom projektu je dokázať, že opravu zvládnu aj začiatočníci. Z tohto dôvodu mal Bergen nápad: „Sľúbil som, že to predvediem našim dvom technickým kontaktom v armáde: Dr. Bernardovi Siovi a Ashley Gennovi. V záverečnom preskúmaní prvej fázy projektu som požiadal o žiadne opravy. Opravu vykonala skúsená Ashley. Pomocou súpravy a manuálu, ktoré sme poskytli, nalepila záplatu a opravu dokončila bez akýchkoľvek problémov.“
Obrázok 2 Batériou napájaný, predprogramovaný a batériou napájaný stroj na tepelné spájanie dokáže vytvrdiť opravnú záplatu z uhlíkových vlákien/epoxidu stlačením tlačidla bez nutnosti znalostí o opravách alebo programovania cyklu vytvrdzovania. Zdroj obrázka: Custom Technologies, LLC
Ďalším kľúčovým vývojom je systém vytvrdzovania napájaný z batérií (obrázok 2). „Pri údržbe v teréne máte k dispozícii iba napájanie z batérií,“ zdôraznil Bergen. „Všetky procesné zariadenia v opravnej súprave, ktorú sme vyvinuli, sú bezdrôtové.“ Patria sem aj zariadenie na tepelné spájanie napájané z batérií, ktoré spoločne vyvinuli spoločnosti Custom Technologies a dodávateľ strojov na tepelné spájanie, spoločnosť WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). „Tento systém tepelného spájania napájaný z batérií je predprogramovaný na dokončenie vytvrdzovania, takže začiatočníci nemusia programovať cyklus vytvrdzovania,“ povedal Crane. „Stačí stlačiť tlačidlo na dokončenie správneho nábehu a namáčania.“ Batérie, ktoré sa v súčasnosti používajú, vydržia rok, kým ich bude potrebné nabiť.
Po dokončení druhej fázy projektu spoločnosť Custom Technologies pripravuje následné návrhy na vylepšenia a zbiera listy vyjadrujúce záujem a podporu. „Naším cieľom je doviesť túto technológiu do úrovne TRL 8 a uviesť ju do praxe,“ povedal Bergen. „Vidíme tiež potenciál pre nevojenské aplikácie.“
Vysvetľuje staré umenie, ktoré stálo za prvou vláknovou výstužou v tomto odvetví, a má hlboké znalosti o novej vede o vláknach a budúcom vývoji.
Boeing 787, ktorý čoskoro vyjde a prvýkrát vzlietne, sa pri dosahovaní svojich cieľov spolieha na inovácie v oblasti kompozitných materiálov a procesov.
Čas uverejnenia: 2. septembra 2021