Prenosni komplet je mogoče popraviti z UV-pritrjenim steklenim vlakom/vinilnim estrom ali ogljikovimi vlaknami/epoksi predreg, shranjenimi pri sobni temperaturi in opremi za ozdravitev z baterijo. #Insidemana Proizvodnja #infrastructure
UV-Curable predproga za popravilo obližev, čeprav se je popravilo ogljikovih vlaken/epoksi predproga, ki ga je razvil Custom Technologies LLC za kompozitni most za igrišče, izkazal za preprost in hiter, uporaba steklenih vlaken, ojačanih z UV-pritrjenimi vinilnimi estermi, je razvila bolj priročen sistem . Vir slike: Custom Technologies LLC
Modularni mostovi so kritična sredstva za vojaške taktične operacije in logistiko, pa tudi za obnovo prometne infrastrukture med naravnimi nesrečami. Sestavljene strukture se preučujejo, da bi zmanjšali težo takšnih mostov in s tem zmanjšali breme za transportna vozila in mehanizme za izstrelitev. V primerjavi s kovinskimi mostovi lahko kompozitni materiali tudi povečajo nosilnost in podaljšajo življenjsko dobo.
Primer je napredni modularni kompozitni most (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, ZDA) in Materials Sciences LLC (Horsham, PA, ZDA) uporabljajo epoksi laminate, ojačene z ogljikovimi vlakni (slika 1). ) Oblikovanje in konstrukcija). Vendar je sposobnost popravljanja takšnih struktur na terenu vprašanje, ki ovira sprejetje sestavljenih materialov.
Slika 1 Kompozitni most, ključni adset Adset Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) je bil zasnovan in izdelal Seemann Composites LLC in Materials Sciences LLC z uporabo epoksidnih kompozitov, ojačanih z ogljikovimi vlakni. Vir slike: Seeman Composites LLC (levo) in ameriška vojska (desno).
Leta 2016 je Custom Technologies LLC (Millersville, MD, ZDA) prejel ameriško vojsko, ki jo je financirala ameriška raziskava inovacij za inovacije (SBIR) 1, za razvoj metode popravila, ki jo lahko vojaki uspešno izvajajo na kraju samem. Na podlagi tega pristopa je bila druga faza donacije SBIR leta 2018 dodeljena za prikaz novih materialov in opreme, ki jo poganja baterijo, tudi če obliž izvaja novinec brez predhodnega usposabljanja, je 90% ali več strukture mogoče obnoviti surovo moč. Izvedljivost tehnologije je določena z izvajanjem števila analiz, izbire materiala, proizvodnji vzorcev in mehanskih testiranj, pa tudi z majhnimi in polnimi popravili.
Glavni raziskovalec v obeh fazah SBIR je Michael Bergen, ustanovitelj in predsednik podjetja Custom Technologies LLC. Bergen se je upokojil iz Carderocka iz mornariške površinske vojne (NSWC) in 27 let služil v oddelku za strukture in materiale, kjer je vodil razvoj in uporabo sestavljenih tehnologij v floti ameriške mornarice. Dr. Roger Crane se je leta 2015 pridružil Custom Technologies, potem ko se je leta 2011 upokojil iz ameriške mornarice in služil 32 let. Njegovo strokovno znanje o sestavljenih materialih vključuje tehnične publikacije in patente, ki zajemajo teme, kot so novi sestavljeni materiali, proizvodnja prototipov, metode povezave, večnamenski sestavljeni materiali, strukturno spremljanje zdravja in obnova sestavljenega materiala.
Oba strokovnjaka sta razvila edinstven postopek, ki uporablja kompozitne materiale za popravilo razpok v aluminijasti nadgradnji Ticonderoga CG-47, ki ga vodijo raketni križar 5456 razreda 5456. Na zamenjavo plošče platforme od 2 do 4 milijonov dolarjev, "je dejal Bergen. „Tako smo dokazali, da znamo opravljati popravila zunaj laboratorija in v resničnem storitvenem okolju. Toda izziv je, da trenutne metode vojaških sredstev niso zelo uspešne. Možnost je vezano dupleksno popravilo [v bistvu na poškodovanih območjih lepite desko na vrh] ali odstranite sredstvo iz storitve za popravila na ravni skladišča (D). Ker so potrebna popravila na ravni D, je veliko sredstev odloženo. "
Nadalje je rekel, da je potrebna metoda, ki jo lahko izvajajo vojaki brez izkušenj z sestavljenimi materiali, pri čemer uporabljajo samo komplete in priročnike za vzdrževanje. Naš cilj je olajšati postopek: preberite priročnik, ocenite škodo in opravite popravila. Ne želimo mešati tekočih smol, saj to zahteva natančno merjenje, da se zagotovi popolno ozdravitev. Po končanih popravilih potrebujemo tudi sistem brez nevarnih odpadkov. In mora biti pakiran kot komplet, ki ga lahko uporabi obstoječe omrežje. "
Ena od rešitev, ki je uspešno pokazala tehnologije po meri, je prenosni komplet, ki uporablja zaostrjeno lepilo za prilagajanje lepilnega sestavljenega obliža glede na velikost škode (do 12 kvadratnih palcev). Predstavitev je bila zaključena na sestavljenem materialu, ki predstavlja 3-palčno debelo AMCB palubo. Kompozitni material ima 3 -palčno debelo leseno jedro balza (15 kilogramov na kubično gostoto stopala) in dve plasti vektorja (Phoenix, Arizona, ZDA) C -LT 1100 ogljikovih vlaken 0 °/90 ° Biassialno šiva C-TLX 1900 Ogljikova vlakna 0 °/+45 °/-45 ° Tri gredi in dve plasti C-LT 1100, skupaj pet slojev. "Odločili smo se, da bo komplet uporabil montažne obliže v kvazi-izotropnem laminatu, podobnem več-oksiju, tako da smer tkanine ne bo težava," je dejal Crane.
Naslednja številka je matrika smole, ki se uporablja za popravilo laminata. Da bi se izognili mešanju tekoče smole, bo obliž uporabil predpreg. "Vendar so ti izzivi shranjevanje," je pojasnil Bergen. Za razvoj shranjeljive raztopine obližev je Custom Technologies sodeloval s Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornija, ZDA), da bi razvil steklena vlakna/vinilna ester predpreg, ki lahko v šestih minutah uporabi ultravijolično svetlobo (UV). Sodeloval je tudi z Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, ZDA), ki je predlagal uporabo novega fleksibilnega epoksi filma.
Zgodnje študije so pokazale, da je epoksidna smola najprimernejša smola za vinilni ester, ki jo lahko delajo ogljikovi vlakni, in prosojna steklena vlakna dobro delujejo, vendar ne zdravite pod lahkimi ogljikovimi vlakni. Na podlagi novega filma Gougeon Brothers je končni epoksi predpreg ozdravljen 1 uro pri 210 ° F/99 ° C in ima dolg rok trajanja pri sobni temperaturi-ne potrebujejo nizkotemperaturne shranjevanja. Bergen je dejal, da če je potrebna višja temperatura steklenega prehoda (TG), bo smola ozdravljena tudi pri višji temperaturi, na primer 350 ° F/177 ° C. Oba predpreg sta na voljo v prenosnem kompletu za popravilo kot kup predpreg zaplatov, zapečatenih v plastični filmski ovojnici.
Ker se komplet za popravilo lahko shranjuje dlje časa, je za izvedbo študije uporabnosti potrebnih tehnologij po meri. "Kupili smo štiri trde plastične ohišja - tipičen vojaški tip, ki se uporablja v prometni opremi - in v vsak ohišje vstavili vzorce epoksidnega lepila in vinilnega estra," je dejal Bergen. Škatle so bile nato postavljene na štiri različne lokacije za testiranje: streha tovarne bratov Gougeon v Michiganu, streha letališča Maryland, zunanji objekt v dolini Yucca (Kalifornijska puščava) in laboratorij za testiranje na prostem na južni Floridi. Vsi primeri imajo zapisovalce podatkov, Bergen poudarja: "Vzorce podatkov in materiala jemljemo za oceno vsake tri mesece. Najvišja temperatura, zabeležena v škatlah na Floridi in Kaliforniji, je 140 ° F, kar je dobro za večino obnovitvenih smol. To je pravi izziv. " Poleg tega so Gougeon Brothers notranje preizkusili novo razvito čisto epoksi smolo. "Vzorci, ki so bili več mesecev nameščeni v peči pri 120 ° F, se začnejo polimerizirati," je dejal Bergen. "Vendar se je za ustrezne vzorce, ki se hranijo pri 110 ° F, kemija smole le izboljša le za majhno količino."
Popravilo je bilo preverjeno na preskusni plošči in ta lestvici AMCB, ki je uporabljal isti laminat in jedrski material kot prvotni most, ki ga je zgradil Seemann Composites. Vir slike: Custom Technologies LLC
Da bi pokazali tehniko popravila, je treba izdelati, poškodovati in popraviti reprezentativni laminat. "V prvi fazi projekta smo sprva uporabili majhne 48-palčne žarke in štiritočke upogibne teste, da smo ocenili izvedljivost našega postopka popravila," je dejal Klein. "Nato smo v drugi fazi projekta prešli na 12 x 48 palčnih plošč, uporabili obremenitve, da smo ustvarili dvoosno stanje napetosti, da bi povzročili okvaro, in nato ocenili zmogljivost popravila. V drugi fazi smo zaključili tudi model AMCB, ki smo ga zgradili vzdrževanje. "
Bergen je dejal, da je bila testna plošča, ki je bila uporabljena za dokazovanje zmogljivosti popravila, izdelana z isto linijo laminatov in jedrnih materialov kot AMCB, ki so jih proizvajali Seemann Composites, "vendar smo debelino plošče zmanjšali z 0,375 palcev na 0,175 palca . Tako je. Metoda je bila skupaj z dodatnimi elementi teorije žarka in klasičnim laminatnim teorijo [CLT] uporabljena za povezovanje inercijskega trenutka in učinkovito togost celotnega AMCB z demo izdelkami manjše velikosti, ki ga je lažje ravnati in še več Stroškovno učinkovit. Nato smo za izboljšanje zasnove strukturnih popravil uporabili model končnih elementov analize [FEA], ki ga je razvil Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, ZDA). " Tkanina iz ogljikovih vlaken, ki se uporablja za preskusne plošče in model AMCB, je bila kupljena od Vectorply, jedro balsa pa so izdelali jedrni kompoziti (Bristol, Ri, ZDA).
1. korak. Ta testna plošča prikazuje premer 3 -palčne luknje, da simulira škodo, označeno v središču, in popravila obod. Vir fotografij za vse korake: Custom Technologies LLC.
2. korak. Za odstranitev poškodovanega materiala uporabite ročni brusilnik, ki ga poganjate baterijo, in obložite popravilni obliž s konusom 12: 1.
"Želimo simulirati večjo stopnjo škode na preskusni plošči, kot bi jo bilo mogoče videti na mostu na terenu," je pojasnil Bergen. "Torej je naša metoda uporabiti luknjo za izdelavo luknje s premerom 3 palce. Nato izvlečemo čep poškodovanega materiala in za obdelavo šal 12: 1 uporabimo ročno pnevmatsko brusijo. "
Crane je pojasnil, da bo za popravilo ogljikovih vlaken/epoksi, ko odstranimo "poškodovani" material plošče in uporabi ustrezen šal, predpreg razrezan na širino in dolžino, da se ujema s konusom poškodovanega območja. "Za našo preskusno ploščo potrebujejo štiri sloje predproga, da je popravilni material skladen z vrhom prvotne nepoškodovane ogljikove plošče. Po tem so tri pokrivne plasti ogljika/epoksi predrega na to na popravljenem delu. Vsak zaporedni sloj se razprostira na vseh straneh spodnje plasti, kar omogoča postopno prenos obremenitve iz "dobrega" okoliškega materiala do popravljenega območja. " Skupni čas za izvedbo tega popravila, vključno s pripravo površine popravila, rezanju in postavitvi obnovitvenega materiala ter uporabe postopka strjevanja v primerjavi z 2,5 ure.
Za predpreg ogljikovih vlaken/epoksi, se popravilo za eno uro s pomočjo toplotne kretene z baterijo vakuumsko pakira in ozdravi pri 210 ° F/99 ° C.
Čeprav je popravilo ogljika/epoksi preprosto in hitro, je ekipa prepoznala potrebo po bolj priročni rešitvi za obnovo zmogljivosti. To je privedlo do raziskovanja ultravijoličnih (UV) ozdravljenih predpreg. "Zanimanje za Sunrez Vinyl Ester Resins temelji na prejšnjih pomorskih izkušnjah z ustanoviteljem podjetja Markom Livesayjem," je pojasnil Bergen. »Sunrezu smo najprej zagotovili kvaziotropno stekleno tkanino z uporabo njihovega vinilnega estra predpreg in ocenili krivuljo strjevanja pod različnimi pogoji. Poleg tega, ker vemo, da vinilna smola ni podobna epoksidni smoli, ki zagotavlja ustrezno sekundarno delovanje adhezije, zato so potrebna dodatna prizadevanja za oceno različnih sredstev za spajanje lepljenja in določitev, katera je primerna za uporabo. "
Druga težava je, da steklena vlakna ne morejo zagotoviti enakih mehanskih lastnosti kot ogljikova vlakna. "V primerjavi z ogljikovim/epoksi obližem se ta problem reši z dodatno plastjo steklenega/vinilnega estra," je dejal Crane. "Razlog, zakaj je potreben samo en dodatni sloj, je, da je stekleni material težja tkanina." Tako nastane primeren obliž, ki ga je mogoče uporabiti in kombinirati v šestih minutah, tudi pri zelo hladnih/zamrzovalnih temperaturah. Ozdravitev brez zagotavljanja toplote. Crane je poudaril, da se lahko to popravilo zaključi v eni uri.
Oba popravka sta bila dokazana in preizkušena. Za vsako popravilo je območje, ki se poškoduje, označeno (korak 1), ustvarjeno z luknjo in nato odstranjeno z ročnim brusilnikom z baterijo (korak 2). Nato popravljeno območje razrežite na konus 12: 1. Površino šal očistite z alkoholno blazinico (3. korak). Nato narežite popravilo na določeno velikost, ga položite na očiščeno površino (korak 4) in ga utrdite z valjjem, da odstranite zračne mehurčke. Za steklena vlakna/UV-vinilni ester predpreg, nato postavite plast sproščanja na popravljeno območje in ozdravite obliž z brezžično UV svetilko šest minut (korak 5). Za predpreg ogljikovih vlaken/epoksi uporabite predhodno programirano, z enim gumbom, toplotnim kremo z baterijo, za vakuumsko paket in ozdravite popravljeno območje pri 210 ° F/99 ° C za eno uro.
5. korak. Po namestitvi plasti olupljenja na popravljeno območje uporabite brezžično UV svetilko za ozdravitev obliža 6 minut.
"Nato smo izvedli teste za oceno lepljenja obliža in njene sposobnosti za obnovo nosilne zmogljivosti strukture," je dejal Bergen. "V prvi fazi moramo dokazati enostavnost uporabe in zmožnost obnovitve vsaj 75% moči. To stori s štiritočkovnim upogibanjem na 4 x 48 palčni ogljikovi vlakni/epoksi smolo in jedrni žarek balza po popravilu simulirane poškodbe. DA. Druga faza projekta je uporabila 12 x 48 -palčno ploščo in mora imeti več kot 90% potreb po trdnosti v kompleksni obremenitvi. Izpolnili smo vse te zahteve in nato fotografirali metode popravila na modelu AMCB. Kako uporabiti tehnologijo in opremo v igri za vizualno referenco. "
Ključni vidik projekta je dokazati, da lahko novinci enostavno dokončajo popravilo. Zaradi tega je imel Bergen idejo: "Obljubil sem, da bom pokazal naša dva tehnična stika v vojski: dr. Bernard Sia in Ashley Genna. V zadnjem pregledu prve faze projekta sem prosil za popravila. Izkušena Ashley je opravila popravilo. S pomočjo kompleta in priročnika, ki smo ga zagotovili, je uporabila obliž in popravilo dokončala brez težav. "
Slika 2 Skrivanje, ki ga poganjamo baterijo, vnaprej programiran, akumulatorski toplotni vezivni stroj, lahko ozdravi obliž za popravilo ogljikovih vlaken/epoksi na gumbu, ne da bi bilo treba popravilo znanja ali programiranja cikla ozdravljenja. Vir slike: Custom Technologies, LLC
Drug ključni razvoj je sistem za strjevanje na bateriji (slika 2). "Skozi vzdrževanje na igrišču imate samo energijo baterije," je poudaril Bergen. "Vsa procesna oprema v kompletu za popravilo, ki smo ga razvili, je brezžična." To vključuje toplotno vezanje na baterijo, ki jo skupaj razvijejo tehnologije po meri in dobavitelj toplotnih vezijskih strojev Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, ZDA). "Ta toplotna bonder, ki se nanaša na baterijo, je predhodno programiran za popolno strjevanje, zato novincem ni treba programirati cikla strjevanja," je dejal Crane. "Za dokončanje ustrezne rampe in namoči se morajo pritisniti na gumb." Baterije, ki se trenutno uporabljajo, lahko trajajo eno leto, preden jih je treba napolniti.
Z zaključkom druge faze projekta Custom Technologies pripravlja predloge za izboljšanje nadaljnjih izboljšav in zbira interesna in podporna pisma. "Naš cilj je dozorevati to tehnologijo na TRL 8 in jo pripeljati na polje," je dejal Bergen. "Vidimo tudi potencial za nevojaške aplikacije."
Pojasnjuje staro umetnost, ki stoji za prvo okrepitvijo vlaken v industriji in ima poglobljeno razumevanje novih znanosti vlaken in prihodnjega razvoja.
Kmalu prihaja in prvič leti, 787 se za dosego svojih ciljev zanaša na inovacije v sestavljenih materialih in procesih
Čas objave: SEP-02-2021