Prenosni komplet je mogoče popraviti s steklenimi vlakni/vinil estrom ali ogljikovimi vlakni/epoksi prepregom, ki se strdijo na UV žarkih, shranjenimi pri sobni temperaturi, in opremo za utrjevanje na baterije. #notranjaproizvodnja #infrastruktura
Popravilo preprega iz ogljikovih vlaken/epoksi preprega, ki ga je razvilo podjetje Custom Technologies LLC za kompozitni most na terenu, se je izkazalo za preprosto in hitro, vendar je uporaba preprega iz vinil estrske smole, ojačane s steklenimi vlakni, razvila priročnejši sistem . Vir slike: Custom Technologies LLC
Modularni nastavljivi mostovi so ključnega pomena za vojaške taktične operacije in logistiko, pa tudi za obnovo prometne infrastrukture med naravnimi nesrečami. Preučujejo se kompozitne strukture, da bi zmanjšali težo takšnih mostov, s čimer bi zmanjšali obremenitev transportnih vozil in mehanizmov za izstrelitev. V primerjavi s kovinskimi mostovi lahko kompozitni materiali tudi povečajo nosilnost in podaljšajo življenjsko dobo.
Napredni modularni kompozitni most (AMCB) je primer. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, ZDA) in Materials Sciences LLC (Horsham, PA, ZDA) uporabljata epoksi laminate, ojačane z ogljikovimi vlakni (slika 1). ) Oblikovanje in konstrukcija). Vendar pa je bila zmožnost popravljanja takšnih struktur na terenu težava, ki ovira sprejetje kompozitnih materialov.
Slika 1 Kompozitni most, ključno sredstvo na terenu Napredni modularni kompozitni most (AMCB) sta zasnovala in izdelala Seemann Composites LLC in Materials Sciences LLC z uporabo kompozitov epoksi smole, ojačanih z ogljikovimi vlakni. Vir slike: Seeman Composites LLC (levo) in ameriška vojska (desno).
Podjetje Custom Technologies LLC (Millersville, MD, ZDA) je leta 2016 prejelo nepovratna sredstva za raziskave inovacij v malih podjetjih (SBIR), ki jih financira ameriška vojska, za razvoj metode popravila, ki jo lahko vojaki uspešno izvedejo na kraju samem. Na podlagi tega pristopa je bila leta 2018 podeljena druga faza nepovratnih sredstev SBIR za predstavitev novih materialov in opreme na baterijski pogon, tudi če popravek izvede novinec brez predhodnega usposabljanja, je mogoče obnoviti 90 % ali več strukture. moč. Izvedljivost tehnologije je določena z izvedbo vrste analiz, izbire materiala, izdelave vzorcev in nalog mehanskega testiranja ter manjših in obsežnih popravil.
Glavni raziskovalec v obeh fazah SBIR je Michael Bergen, ustanovitelj in predsednik Custom Technologies LLC. Bergen se je upokojil iz Carderocka iz Naval Surface Warfare Center (NSWC) in je 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 po upokojitvi iz ameriške mornarice leta 2011 in je služil 32 let. Njegovo strokovno znanje o kompozitnih materialih vključuje tehnične publikacije in patente, ki pokrivajo teme, kot so novi kompozitni materiali, izdelava prototipov, metode povezovanja, večnamenski kompozitni materiali, strukturno spremljanje zdravja in obnova kompozitnih materialov.
Strokovnjaka sta razvila edinstven postopek, ki uporablja kompozitne materiale za popravilo razpok v aluminijasti nadgradnji križarke z vodenimi raketami 5456 razreda Ticonderoga CG-47. »Postopek je bil razvit za zmanjšanje rasti razpok in kot ekonomična alternativa do zamenjave plošče ploščadi od 2 do 4 milijone dolarjev,« je dejal Bergen. »Tako smo dokazali, da znamo izvajati popravila izven laboratorija in v realnem servisnem okolju. Toda izziv je, da trenutne metode vojaških sredstev niso zelo uspešne. Možnost je vezano dupleksno popravilo [v bistvu na poškodovanih območjih prilepite ploščo na vrh] ali odstranitev sredstva iz uporabe za popravila na ravni skladišča (raven D). Ker so potrebna popravila na ravni D, je veliko sredstev odloženih.«
Nadalje je dejal, da je potrebna metoda, ki jo lahko izvajajo vojaki brez izkušenj s kompozitnimi materiali, z uporabo samo kompletov in priročnikov za vzdrževanje. Naš cilj je narediti postopek preprost: preberite priročnik, ocenite škodo in izvedite popravila. Ne želimo mešati tekočih smol, saj to zahteva natančno merjenje, da se zagotovi popolno strjevanje. Po končanem popravilu potrebujemo tudi sistem brez nevarnih odpadkov. In mora biti zapakiran kot komplet, ki ga je mogoče namestiti v obstoječe omrežje. ”
Ena rešitev, ki jo je podjetje Custom Technologies uspešno pokazalo, je prenosni komplet, ki uporablja utrjeno epoksidno lepilo za prilagoditev lepilnega sestavljenega obliža glede na velikost poškodbe (do 12 kvadratnih palcev). Predstavitev je bila dokončana na kompozitnem materialu, ki predstavlja 3-palčno debelo ploščo AMCB. Kompozitni material ima 3-palčno jedro iz balzastega lesa (15 funtov na kubični čevelj gostote) in dve plasti Vectorply (Phoenix, Arizona, ZDA) C -LT 1100 ogljikovih vlaken 0°/90° dvoosno šivano tkanino, eno plast C-TLX 1900 karbonska vlakna 0°/+45°/-45° tri gredi in dve plasti C-LT 1100, skupaj pet plasti. "Odločili smo se, da bo komplet uporabljal montažne zaplate v kvazi-izotropnem laminatu, podobnem večosnemu, tako da smer tkanine ne bo težava," je dejal Crane.
Naslednja težava je smolna matrica, ki se uporablja za popravilo laminata. Da bi se izognili mešanju tekoče smole, bo obliž uporabil prepreg. "Vendar so ti izzivi shranjevanje," je pojasnil Bergen. Za razvoj rešitve popravkov, ki jih je mogoče shraniti, je Custom Technologies sodeloval s podjetjem Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornija, ZDA) za razvoj preprega iz steklenih vlaken/vinil estra, ki lahko uporabi ultravijolično svetlobo (UV) v šestih minutah strjevanja s svetlobo. Sodeloval je tudi z Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, ZDA), ki je predlagal uporabo nove fleksibilne epoksi folije.
Zgodnje študije so pokazale, da je epoksi smola najprimernejša smola za preprege iz ogljikovih vlaken – vinil ester, strdljiv z UV-žarki, in prosojna steklena vlakna delujejo dobro, vendar se ne strdijo pod ogljikovimi vlakni, ki blokirajo svetlobo. Na podlagi novega filma Gougeon Brothers se končni epoksidni prepreg suši 1 uro pri 210°F/99°C in ima dolgo življenjsko dobo pri sobni temperaturi – ni potrebe po shranjevanju pri nizki temperaturi. Bergen je dejal, da če je potrebna višja temperatura posteklenitve (Tg), bo smola utrjena tudi pri višji temperaturi, kot je 350 °F/177 °C. Oba preprega sta na voljo v prenosnem kompletu za popravilo kot sveženj prepreg obližev, zapečatenih v ovojnici iz plastične folije.
Ker je komplet za popravilo lahko shranjen dlje časa, mora podjetje Custom Technologies opraviti študijo življenjske dobe. »Kupili smo štiri ohišja iz trde plastike – tipičen vojaški tip, ki se uporablja v transportni opremi – in v vsako ohišje vstavili vzorce epoksidnega lepila in preprega vinilestra,« je dejal Bergen. Škatle so nato postavili na štiri različne lokacije za testiranje: streho tovarne Gougeon Brothers v Michiganu, streho letališča v Marylandu, zunanji objekt v dolini Yucca (kalifornijska puščava) in zunanji laboratorij za testiranje korozije na južni Floridi. Vsi primeri imajo zapisovalnike podatkov, poudarja Bergen: »Vsake tri mesece vzamemo vzorce podatkov in 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 testiral novo razvito čisto epoksi smolo. "Vzorci, ki so bili nekaj mesecev postavljeni v pečico pri 120 °F, začnejo polimerizirati," je dejal Bergen. "Vendar se je pri ustreznih vzorcih, ki so bili shranjeni pri 110 °F, kemija smole izboljšala le za majhno količino."
Popravilo je bilo preverjeno na testni deski in tem modelu AMCB, ki je uporabil isti laminat in material jedra kot prvotni most, ki ga je zgradilo podjetje Seemann Composites. Vir slike: Custom Technologies LLC
Za prikaz tehnike popravila je treba izdelati, poškodovati in popraviti reprezentativen laminat. »V prvi fazi projekta smo sprva uporabili majhne 4 x 48-palčne nosilce in štiritočkovne upogibne teste, da bi ocenili izvedljivost našega postopka popravila,« je dejal Klein. »Nato smo v drugi fazi projekta prešli na plošče 12 x 48 palcev, uporabili obremenitve, da smo ustvarili dvoosno napetostno stanje, ki je povzročilo okvaro, in nato ovrednotili učinkovitost popravila. V drugi fazi smo dokončali tudi model AMCB, ki smo ga zgradili za vzdrževanje.”
Bergen je dejal, da je bila preskusna plošča, uporabljena za dokaz učinkovitosti popravila, izdelana z uporabo enake vrste laminatov in materialov jedra kot AMCB, ki ga proizvaja Seemann Composites, »vendar smo zmanjšali debelino plošče z 0,375 palca na 0,175 palca na podlagi izreka o vzporedni osi . To je primer. Metoda je bila skupaj z dodatnimi elementi teorije žarkov in klasične teorije laminata [CLT] uporabljena za povezavo vztrajnostnega momenta in efektivne togosti AMCB v polnem merilu s predstavitvenim izdelkom manjše velikosti, ki je lažji za rokovanje in več stroškovno učinkovito. Nato smo model analize končnih elementov [FEA], ki ga je razvil XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, ZDA), uporabili za izboljšanje zasnove strukturnih popravil.” Tkanina iz ogljikovih vlaken, uporabljena za testne plošče in model AMCB, je bila kupljena pri Vectorply, jedro iz balze pa je izdelal Core Composites (Bristol, RI, ZDA).
1. korak. Ta preskusna plošča prikazuje luknjo s premerom 3 palcev za simulacijo poškodbe, označene na sredini, in popravilo oboda. Vir fotografij za vse korake: Custom Technologies LLC.
2. korak. Uporabite baterijski ročni brusilnik, da odstranite poškodovani material in ovijte obliž za popravilo s konusom 12:1.
"Želimo simulirati višjo stopnjo poškodbe na testni plošči, kot bi jo lahko videli na krovu mostu na terenu," je pojasnil Bergen. »Torej je naša metoda uporaba vrtalne žage za izdelavo luknje s premerom 3 palcev. Nato izvlečemo čep poškodovanega materiala in z ročnim pnevmatskim brusilnikom obdelamo šal 12:1.«
Crane je pojasnil, da bo za popravilo iz ogljikovih vlaken/epoksida, ko bo "poškodovan" material plošče odstranjen in nanešena ustrezna ruta, prepreg razrezan na širino in dolžino, da se bo ujemal s zožitvijo poškodovanega območja. »Za našo testno ploščo so to potrebne štiri plasti preprega, da material za popravilo ostane skladen z vrhom originalne nepoškodovane karbonske plošče. Nato se na ta popravljeni del koncentrirajo tri pokrivne plasti karbonskega/epoksidnega preprega. Vsaka naslednja plast sega 1 palec na vse strani spodnjega sloja, 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 materiala za restavracijo ter uporabo postopka strjevanja - je približno 2,5 ure.
Za prepreg iz ogljikovih vlaken/epoksida je območje popravila vakuumsko zapakirano in utrjeno pri 210°F/99°C eno uro z uporabo termičnega veziva na baterije.
Čeprav je popravilo z ogljikom/epoksi smolo preprosto in hitro, je ekipa prepoznala potrebo po priročnejši rešitvi za obnovitev delovanja. To je pripeljalo do raziskovanja ultravijoličnih (UV) prepregov za strjevanje. "Zanimanje za Sunrez vinil estrske smole temelji na prejšnjih pomorskih izkušnjah z ustanoviteljem podjetja Markom Livesayem," je pojasnil Bergen. »Sunrezu smo najprej dobavili kvaziizotropno stekleno tkanino z uporabo njihovega vinilestrskega preprega in ovrednotili krivuljo strjevanja pod različnimi pogoji. Poleg tega, ker vemo, da vinil estrska smola ni podobna epoksidni smoli, ki zagotavlja ustrezno sekundarno oprijemljivost, so potrebna dodatna prizadevanja za ovrednotenje različnih sredstev za spajanje lepilne plasti in določitev, katera je primerna za aplikacijo.«
Druga težava je, da steklena vlakna ne morejo zagotoviti enakih mehanskih lastnosti kot ogljikova vlakna. »V primerjavi z obliži iz ogljika/epoksida je ta problem rešen z uporabo dodatne plasti stekla/vinil estra,« je dejal Crane. "Razlog, zakaj je potrebna samo ena dodatna plast, je, da je stekleni material težja tkanina." Tako nastane ustrezen obliž, ki ga je mogoče nanesti in kombinirati v šestih minutah tudi pri zelo nizkih/zmrzovalnih temperaturah na terenu. Strjevanje brez zagotavljanja toplote. Crane je poudaril, da je to popravilo mogoče zaključiti v eni uri.
Oba sistema popravkov sta bila dokazana in preizkušena. Pri vsakem popravilu je območje, ki ga je treba poškodovati, označeno (korak 1), oblikovano z žago za luknje in nato odstranjeno z ročnim brusilnikom na baterije (korak 2). Nato popravljeno območje odrežite v zožitev 12:1. Očistite površino šala z alkoholno blazinico (korak 3). Nato zaplato za popravilo odrežite na določeno velikost, jo položite na očiščeno površino (4. korak) in jo utrdite z valjčkom, da odstranite zračne mehurčke. Za prepreg vinil ester iz steklenih vlaken/UV, nato položite ločilno plast na popravljeno območje in obliž sušite z brezžično UV žarnico šest minut (korak 5). Za prepreg iz ogljikovih vlaken/epoksida uporabite vnaprej programirano termično lepilo z enim gumbom, ki se napaja iz baterije, da vakuumsko zapakirate in sušite popravljeno območje pri 210°F/99°C eno uro.
Korak 5. Po namestitvi luščilne plasti na popravljeno mesto uporabite brezžično UV žarnico, da obliž sušite 6 minut.
"Nato smo izvedli teste, da bi ocenili oprijemljivost obliža in njegovo sposobnost obnovitve nosilnosti strukture," je dejal Bergen. »V prvi fazi moramo dokazati enostavnost nanosa in sposobnost obnovitve vsaj 75 % trdnosti. To se izvede s štiritočkovnim upogibanjem na 4 x 48-palčnih ogljikovih vlaknih/epoksidni smoli in jedrnem nosilcu iz balze po popravilu simulirane poškodbe. ja V drugi fazi projekta je bila uporabljena plošča 12 x 48 palcev in mora izpolnjevati več kot 90-odstotne zahteve glede trdnosti pri kompleksnih deformacijskih obremenitvah. Vse te zahteve smo izpolnili, nato pa fotografirali metode popravila na modelu AMCB. Kako uporabiti tehnologijo in opremo na terenu za zagotavljanje vizualne reference.”
Ključni vidik projekta je dokazati, da lahko novinci zlahka dokončajo popravilo. Iz tega razloga je Bergen dobil idejo: »Obljubil sem, da bom demonstriral našima dvema tehničnima stikoma v vojski: dr. Bernardu Sia in Ashley Genna. Pri končnem pregledu prve faze projekta sem prosil za brez popravil. Izkušena Ashley je opravila popravilo. Z uporabo kompleta in priročnika, ki smo ji ga priskrbeli, je nalepila obliž in dokončala popravilo brez težav.”
Slika 2 Vnaprej programiran termični lepilni stroj za strjevanje z baterijskim napajanjem lahko strdi obliž za popravilo iz ogljikovih vlaken/epoksida s pritiskom na gumb, brez potrebe po poznavanju popravil ali programiranju cikla strjevanja. Vir slike: Custom Technologies, LLC
Drug ključni razvoj je sistem strjevanja na baterije (slika 2). "Z vzdrževanjem na terenu imate samo baterijsko napajanje," je poudaril Bergen. "Vsa procesna oprema v kompletu za popravilo, ki smo ga razvili, je brezžična." To vključuje toplotno lepljenje na baterije, ki sta ga skupaj razvila Custom Technologies in dobavitelj strojev za toplotno lepljenje WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, ZDA). »Ta baterijski termični lepilec je vnaprej programiran za dokončanje strjevanja, tako da začetnikom ni treba programirati cikla strjevanja,« je dejal Crane. "Samo pritisniti morajo gumb, da dokončajo pravilno rampo in namakajo." Baterije, ki so trenutno v uporabi, lahko zdržijo eno leto, preden jih je treba ponovno napolniti.
Ob zaključku druge faze projekta Custom Technologies pripravlja nadaljnje predloge izboljšav in zbira pisma o interesu in podpori. "Naš cilj je dozoreti to tehnologijo do TRL 8 in jo prenesti na teren," je dejal Bergen. "Vidimo tudi potencial za nevojaške aplikacije."
Razlaga staro umetnost, ki stoji za prvo ojačitvijo vlaken v industriji, in ima poglobljeno razumevanje nove znanosti o vlaknih in prihodnjega razvoja.
Kmalu prihaja in prvič leti, 787 se pri doseganju svojih ciljev zanaša na inovacije v kompozitnih materialih in postopkih.
Čas objave: Sep-02-2021