Prenosni komplet je mogoče popraviti z UV-strdljivim steklenim vlaknom/vinil estrom ali ogljikovimi vlakni/epoksi prepregom, shranjenim pri sobni temperaturi, in z baterijsko napajano opremo za strjevanje. #znotrajproizvodnje #infrastruktura
Popravilo s prepregom, ki se strdi z UV-žarki Čeprav se je popravilo s prepregom iz ogljikovih vlaken/epoksija, ki ga je razvil Custom Technologies LLC za kompozitni most na notranjem polju, izkazalo za preprosto in hitro, je uporaba vinil estrske smole Prepreg, ojačane s steklenimi vlakni, ki se strdi z UV-žarki, omogočila razvoj bolj priročnega sistema. Vir slike: Custom Technologies LLC
Modularni razstavljivi mostovi so ključnega pomena za vojaške taktične operacije in logistiko, pa tudi za obnovo prometne infrastrukture med naravnimi nesrečami. Preučujejo se kompozitne konstrukcije za zmanjšanje teže takšnih mostov, s čimer se zmanjša obremenitev transportnih vozil in mehanizmov za izstrelitev in reševanje. V primerjavi s kovinskimi mostovi imajo kompozitni materiali tudi potencial za povečanje nosilnosti in podaljšanje življenjske dobe.
Primer tega je napredni modularni kompozitni most (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, ZDA) in Materials Sciences LLC (Horsham, PA, ZDA) uporabljata epoksidne laminate, ojačane z ogljikovimi vlakni (slika 1). (Načrtovanje in gradnja). Vendar pa je možnost popravila takšnih struktur na terenu težava, ki ovira uporabo kompozitnih materialov.
Slika 1 Kompozitni most, ključna prednost notranjega polja Napredni modularni kompozitni most (AMCB) sta zasnovala in zgradila podjetji Seemann Composites LLC in Materials Sciences LLC z uporabo epoksidnih smol, ojačanih z ogljikovimi vlakni. Vir slike: Seeman Composites LLC (levo) in ameriška vojska (desno).
Leta 2016 je podjetje Custom Technologies LLC (Millersville, Maryland, ZDA) prejelo nepovratna sredstva v okviru 1. faze programa za inovacije malih podjetij (SBIR), ki ga financira ameriška vojska, za razvoj metode popravila, ki jo lahko vojaki uspešno izvajajo na kraju samem. Na podlagi tega pristopa je bila leta 2018 podeljena druga faza nepovratnih sredstev SBIR za predstavitev novih materialov in opreme na baterije. Tudi če popravilo opravi začetnik brez predhodnega usposabljanja, je mogoče obnoviti 90 % ali več strukture. Izvedljivost tehnologije se določi z izvedbo vrste analiz, izbire materialov, izdelave vzorcev in mehanskih preskusov ter manjših in obsežnih popravil.
Glavni raziskovalec v obeh fazah SBIR je Michael Bergen, ustanovitelj in predsednik podjetja Custom Technologies LLC. Bergen se je upokojil iz Carderocka v Centru za pomorsko površinsko bojevanje (NSWC) in 27 let služil v oddelku za strukture in materiale, kjer je vodil razvoj in uporabo kompozitnih tehnologij v floti ameriške mornarice. Dr. Roger Crane se je podjetju Custom Technologies pridružil leta 2015, potem ko se je leta 2011 upokojil iz ameriške mornarice, in tam služi že 32 let. Njegovo strokovno znanje na področju kompozitnih materialov vključuje tehnične publikacije in patente, ki zajemajo teme, kot so novi kompozitni materiali, izdelava prototipov, metode povezovanja, večnamenski kompozitni materiali, spremljanje zdravja struktur in obnova kompozitnih materialov.
Strokovnjaka sta razvila edinstven postopek, ki uporablja kompozitne materiale za popravilo razpok v aluminijasti nadgradnji križarke razreda Ticonderoga CG-47 z vodenimi raketami 5456. »Postopek je bil razvit za zmanjšanje rasti razpok in kot ekonomična alternativa zamenjavi plošče platforme, ki stane od 2 do 4 milijone dolarjev,« je dejal Bergen. »Tako smo dokazali, da znamo izvajati popravila zunaj laboratorija in v resničnem servisnem okolju. Izziv pa je, da trenutne metode za vojaška sredstva niso zelo uspešne. Možnost je popravilo z vezanim dupleksom [v bistvu na poškodovanih območjih prilepiti ploščo na vrh] ali pa sredstvo umakniti iz uporabe za popravila na ravni skladišča (nivo D). Ker so potrebna popravila na ravni D, se veliko sredstev odloži.«
Nadaljeval je, da potrebujemo metodo, ki jo lahko izvajajo vojaki brez izkušenj s kompozitnimi materiali, pri čemer uporabljajo le komplete in priročnike za vzdrževanje. Naš cilj je poenostaviti postopek: prebrati priročnik, oceniti škodo in izvesti popravila. Ne želimo mešati tekočih smol, saj to zahteva natančno merjenje, da se zagotovi popolno strjevanje. Potrebujemo tudi sistem brez nevarnih odpadkov po končanih popravilih. In mora biti zapakiran kot komplet, ki ga lahko uporabi obstoječe omrežje.
Ena od rešitev, ki jo je Custom Technologies uspešno predstavil, je prenosni komplet, ki uporablja kaljeno epoksi lepilo za prilagoditev lepilnega kompozitnega obliža glede na velikost poškodbe (do 12 kvadratnih palcev). Demonstracija je bila izvedena na kompozitnem materialu, ki predstavlja 7,6 cm debelo krovno ploščad AMCB. Kompozitni material ima 7,6 cm debelo jedro iz balzinega lesa (gostota 7,6 kg na kubični čevelj) in dve plasti tkanine Vectorply (Phoenix, Arizona, ZDA) C-LT 1100 iz ogljikovih vlaken 0°/90°, eno plast ogljikovih vlaken C-TLX 1900 0°/+45°/-45° s tremi gredmi in dve plasti C-LT 1100, skupaj pet plasti. »Odločili smo se, da bo komplet uporabljal vnaprej izdelane obliže v kvazi-izotropnem laminatu, podobnem večosnemu, tako da smer tkanine ne bo problem,« je dejal Crane.
Naslednje vprašanje je matrica smole, ki se uporablja za popravilo laminata. Da bi se izognili mešanju tekoče smole, bo obliž uporabljen prepreg. »Vendar pa so ti izzivi shranjevanje,« je pojasnil Bergen. Za razvoj rešitve za shranjevanje obližev se je Custom Technologies povezal s podjetjem Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornija, ZDA) pri razvoju preprega iz steklenih vlaken/vinil estra, ki lahko z ultravijolično svetlobo (UV) strdi v šestih minutah. Sodelovali so tudi z Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, ZDA), ki so predlagali uporabo novega fleksibilnega epoksi filma.
Zgodnje študije so pokazale, da je epoksi smola najprimernejša smola za preprege iz ogljikovih vlaken – vinil ester, ki se strdi z UV-žarki, in prosojna steklena vlakna se dobro obnesejo, vendar se ne strdijo pod ogljikovimi vlakni, ki blokirajo svetlobo. Na podlagi nove folije Gougeon Brothers se končni epoksi prepreg strjuje 1 uro pri 99 °C in ima dolgo življenjsko dobo pri sobni temperaturi – shranjevanje pri nizki temperaturi ni potrebno. Bergen je povedal, da če je potrebna višja temperatura steklastega prehoda (Tg), se bo smola strdila tudi pri višji temperaturi, na primer 177 °C. Oba preprega sta dobavljena v prenosnem kompletu za popravilo kot kup prepregov, zaprtih v ovojnici iz plastične folije.
Ker se komplet za popravilo lahko shranjuje dlje časa, mora Custom Technologies izvesti študijo roka uporabnosti. »Kupili smo štiri ohišja iz trde plastike – tipičen vojaški tip, ki se uporablja v transportni opremi – in v vsako ohišje dali vzorce epoksidnega lepila in vinil estrske preprege,« je dejal Bergen. Škatle so nato za testiranje postavili na štiri različne lokacije: streho tovarne Gougeon Brothers v Michiganu, streho letališča v Marylandu, zunanji objekt v dolini Yucca (kalifornijska puščava) in zunanji laboratorij za testiranje korozije na jugu Floride. Vsa ohišja imajo zapisovalnike podatkov, poudarja Bergen, »vsake tri mesece odvzamemo podatke in vzorce materiala za oceno. Najvišja temperatura, zabeležena v škatlah na Floridi in v Kaliforniji, je 140 °F, kar je dobro za večino obnovitvenih smol. To je pravi izziv.« Poleg tega je Gougeon Brothers interno preizkusil novo razvito čisto epoksi smolo. »Vzorci, ki so bili več mesecev postavljeni v pečico pri 120 °F, se začnejo polimerizirati,« je dejal Bergen. "Vendar pa se je pri ustreznih vzorcih, shranjenih pri 43 °C, kemija smole le za majhno izboljšala."
Popravilo je bilo preverjeno na testni plošči in tem modelu mostu AMCB v merilu, pri katerem je bil uporabljen isti laminat in jedrni material kot pri originalnem mostu, ki ga je zgradilo podjetje Seemann Composites. Vir slike: Custom Technologies LLC
Za demonstracijo tehnike popravila je treba izdelati, poškodovati in popraviti reprezentativni laminat. »V prvi fazi projekta smo sprva uporabili majhne nosilce dimenzij 4 x 48 palcev (10 x 122 cm) in štiritočkovne upogibne teste, da bi ocenili izvedljivost našega postopka popravila,« je dejal Klein. »Nato smo v drugi fazi projekta prešli na plošče dimenzij 12 x 48 palcev (30 x 122 cm), uporabili obremenitve za ustvarjanje dvoosnega napetostnega stanja, ki je povzročilo porušitev, nato pa ocenili učinkovitost popravila. V drugi fazi smo dokončali tudi model AMCB, ki smo ga zgradili za vzdrževanje.«
Bergen je povedal, da je bila testna plošča, uporabljena za dokazovanje učinkovitosti popravila, izdelana z uporabo iste linije laminatov in jedrnih materialov kot AMCB, ki ga proizvaja Seemann Composites, »vendar smo debelino plošče zmanjšali z 0,375 palca na 0,175 palca na podlagi izreka o vzporednih oseh. To drži. Metoda je bila skupaj z dodatnimi elementi teorije nosilcev in klasične teorije laminatov [CLT] uporabljena za povezavo vztrajnostnega momenta in efektivne togosti AMCB v polni velikosti z manjšim demo izdelkom, ki je lažji za uporabo in stroškovno učinkovitejši. Nato smo za izboljšanje zasnove strukturnih popravil uporabili model analize končnih elementov [FEA], ki ga je razvilo podjetje XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, ZDA).« Tkanina iz ogljikovih vlaken, uporabljena za testne plošče in model AMCB, je bila kupljena pri podjetju Vectorply, balsa jedro pa je izdelalo podjetje Core Composites (Bristol, RI, ZDA).
1. korak. Ta testna plošča prikazuje 3-palčno luknjo za simulacijo poškodb, označenih na sredini, in popravilo oboda. Vir fotografije za vse korake: Custom Technologies LLC.
2. korak. Z ročnim brusilnikom na baterijski pogon odstranite poškodovani material in popravni del zaprite s konusnim rezilom 12:1.
»Na testni plošči želimo simulirati višjo stopnjo poškodb, kot bi jo morda videli na mostovni plošči na terenu,« je pojasnil Bergen. »Zato naša metoda vključuje uporabo luknjače za izdelavo luknje s premerom 3 palce. Nato izvlečemo čep poškodovanega materiala in z ročnim pnevmatskim brusilnikom obdelamo rob 12:1.«
Crane je pojasnil, da se pri popravilu z ogljikovimi vlakni/epoksi smolo prepreg po odstranitvi »poškodovanega« materiala plošče in nanosu ustreznega roba razreže na širino in dolžino, ki se ujemata s koničastim robom poškodovanega območja. »Za našo testno ploščo so potrebne štiri plasti preprega, da se material za popravilo poravna z zgornjo stranjo originalne nepoškodovane ogljikove plošče. Nato se na popravljeni del nanesejo tri pokrivne plasti preprega iz ogljikovih/epoksi smol. Vsaka naslednja plast sega 2,5 cm na vse strani spodnje plasti, kar zagotavlja postopen prenos obremenitve z »dobrega« okoliškega materiala na popravljeno območje.« Skupni čas za izvedbo tega popravila – vključno s pripravo območja popravila, rezanjem in namestitvijo obnovitvenega materiala ter postopkom strjevanja – traja približno 2,5 ure.
Pri prepregu iz ogljikovih vlaken/epoksi smole se območje popravila vakuumsko zapakira in strdi pri 99 °C eno uro z baterijskim termičnim lepilom.
Čeprav je popravilo z ogljikom/epoksi smolo preprosto in hitro, je ekipa prepoznala potrebo po bolj priročni rešitvi za obnovitev delovanja. To je privedlo do raziskovanja prepregov, ki se strjujejo z ultravijoličnim (UV) sevanjem. »Zanimanje za Sunrezove vinilestrske smole temelji na prejšnjih izkušnjah z ustanoviteljem podjetja Markom Livesayem v pomorstvu,« je pojasnil Bergen. »Najprej smo Sunrezu zagotovili kvazi-izotropno stekleno tkanino z njihovim vinilestrskim prepregom in ocenili krivuljo strjevanja pod različnimi pogoji. Poleg tega, ker vemo, da vinilestrska smola ni kot epoksi smola tista, ki zagotavlja ustrezno sekundarno adhezijo, so potrebna dodatna prizadevanja za oceno različnih veziv za lepljenje in določitev, katero je primerno za uporabo.«
Druga težava je, da steklena vlakna ne morejo zagotoviti enakih mehanskih lastnosti kot ogljikova vlakna. »V primerjavi z obližem iz ogljikovega/epoksi smole se ta težava reši z uporabo dodatne plasti stekla/vinil estra,« je dejal Crane. »Razlog, zakaj je potrebna le ena dodatna plast, je ta, da je stekleni material težja tkanina.« Tako nastane primeren obliž, ki ga je mogoče namestiti in kombinirati v šestih minutah, tudi pri zelo nizkih/ledeniških temperaturah na terenu. Strjevanje brez dovajanja toplote. Crane je poudaril, da je to popravilo mogoče opraviti v eni uri.
Oba sistema krpanja sta bila predstavljena in preizkušena. Za vsako popravilo se označi območje, ki ga je treba poškodovati (1. korak), se to označi z luknjačo in nato odstrani z ročnim brusilnikom na baterijski pogon (2. korak). Nato se popravljeno območje zoži v razmerju 12:1. Površino roba očistite z alkoholno blazinico (3. korak). Nato se krpanje odreže na določeno velikost, se položi na očiščeno površino (4. korak) in se utrdi z valjčkom, da se odstranijo zračni mehurčki. Pri prepregu iz steklenih vlaken/vinil estra, ki se strjuje z UV-žarki, se na popravljeno območje nanese ločilna plast in se krpanje suši z brezžično UV-svetilko šest minut (5. korak). Pri prepregu iz ogljikovih vlaken/epoksi smole uporabite vnaprej programiran, enogumbni, baterijski termični lepilnik za vakuumsko pakiranje in sušenje popravljenega območja pri 99 °C eno uro.
5. korak. Ko na popravljeno območje nanesete luščilno plast, obliž sušite 6 minut z brezžično UV-svetilko.
»Nato smo izvedli teste za oceno oprijemljivosti obliža in njegove sposobnosti obnovitve nosilnosti konstrukcije,« je dejal Bergen. »V prvi fazi moramo dokazati enostavnost namestitve in sposobnost obnovitve vsaj 75 % trdnosti. To se doseže s štiritočkovnim upogibanjem nosilca iz ogljikovih vlaken/epoksi smole in balze velikosti 4 x 48 palcev po popravilu simulirane poškodbe. Da. V drugi fazi projekta je bila uporabljena plošča velikosti 12 x 48 palcev, ki mora pri kompleksnih deformacijskih obremenitvah pokazati več kot 90 % zahtev glede trdnosti. Izpolnili smo vse te zahteve in nato fotografirali metode popravila na modelu AMCB. Kako uporabiti tehnologijo in opremo na terenu za vizualno referenco.«
Ključni vidik projekta je dokazati, da lahko popravilo zlahka opravijo tudi začetniki. Zato je Bergen dobil idejo: »Obljubil sem, da bom to pokazal našima dvema tehničnima kontaktoma v vojski: dr. Bernardu Sii in Ashley Genni. V končnem pregledu prve faze projekta sem prosil, naj ne bi bilo popravil. Popravilo je izvedla izkušena Ashley. Z uporabo kompleta in priročnika, ki smo ju priskrbeli, je namestila krpanje in popravilo opravila brez težav.«
Slika 2 Baterijski stroj za strjevanje, ki je vnaprej programiran in deluje na baterije, lahko strdi popravilo iz ogljikovih vlaken/epoksi smole s pritiskom na gumb, brez potrebe po znanju o popravilih ali programiranju cikla strjevanja. Vir slike: Custom Technologies, LLC
Drug ključni razvoj je sistem za strjevanje na baterije (slika 2). »Med vzdrževanjem na terenu imate na voljo samo napajanje iz baterij,« je poudaril Bergen. »Vsa procesna oprema v kompletu za popravilo, ki smo ga razvili, je brezžična.« To vključuje stroj za termično lepljenje na baterije, ki sta ga skupaj razvila podjetji Custom Technologies in dobavitelj strojev za termično lepljenje WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, ZDA). »Ta naprava za termično lepljenje na baterije je vnaprej programirana za dokončanje strjevanja, zato začetnikom ni treba programirati cikla strjevanja,« je dejal Crane. »Samo pritisniti morajo gumb, da dokončajo ustrezno rampo in namakanje.« Baterije, ki so trenutno v uporabi, lahko zdržijo eno leto, preden jih je treba ponovno napolniti.
Z zaključkom druge faze projekta Custom Technologies pripravlja nadaljnje predloge za izboljšave in zbira pisma o zanimanju in podpori. »Naš cilj je, da to tehnologijo dozorimo do stopnje TRL 8 in jo prenesemo na teren,« je dejal Bergen. »Vidimo tudi potencial za nevojaške aplikacije.«
Pojasnjuje staro umetnost, ki stoji za prvo ojačitvijo z vlakni v industriji, in ima poglobljeno razumevanje nove znanosti o vlaknih in prihodnjega razvoja.
Kmalu na voljo in prvič poleti, 787 pa se za dosego svojih ciljev zanaša na inovacije na področju kompozitnih materialov in procesov.
Čas objave: 2. september 2021