Přenosnou sadu lze opravit pomocí UV vytvrditelného laminátu/vinylesteru nebo uhlíkového vlákna/epoxidového prepregu skladovaného při pokojové teplotě a vytvrzovacího zařízení napájeného baterií. #insidemanufacturing #infrastruktura
Oprava záplat předimpregnovaných laminátů vytvrditelných UV zářením Přestože oprava předimpregnovaných laminátů z uhlíkových vláken/epoxidu vyvinutá společností Custom Technologies LLC pro kompozitní můstek v terénu byla jednoduchá a rychlá, použití vinylesterové pryskyřice Prepreg vyztužené skelnými vlákny vyztužené UV zářením vyvinulo pohodlnější systém. . Zdroj obrázků: Custom Technologies LLC
Modulární rozmístitelné mosty jsou kritickými prostředky pro vojenské taktické operace a logistiku, stejně jako pro obnovu dopravní infrastruktury během přírodních katastrof. Zkoumají se kompozitní konstrukce, aby se snížila hmotnost takových mostů, a tím se snížilo zatížení dopravních prostředků a mechanismů vyprošťování. Ve srovnání s kovovými můstky mají kompozitní materiály také potenciál zvýšit nosnost a prodloužit životnost.
Příkladem je Advanced Modular Composite Bridge (AMCB). Společnosti Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) a Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) používají epoxidové lamináty vyztužené uhlíkovými vlákny (obrázek 1). ) Návrh a konstrukce). Schopnost opravit takové struktury v terénu je však problémem, který brání přijetí kompozitních materiálů.
Obrázek 1 Kompozitní můstek, klíčová aktiva v oboru Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) byl navržen a zkonstruován společnostmi Seemann Composites LLC a Materials Sciences LLC za použití kompozitů z epoxidové pryskyřice vyztužených uhlíkovými vlákny. Zdroj obrázku: Seeman Composites LLC (vlevo) a americká armáda (vpravo).
V roce 2016 obdržela společnost Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) grant fáze 1 na výzkum malých podniků (SBIR) financovaný armádou na vývoj metody opravy, kterou mohou vojáci úspěšně provádět na místě. Na základě tohoto přístupu byla v roce 2018 udělena druhá fáze grantu SBIR s cílem předvést nové materiály a bateriově napájené zařízení, i když záplatu provede nováček bez předchozího školení, 90 % nebo více struktury lze obnovit Syrové pevnost. Proveditelnost technologie je určována provedením řady analýz, výběrem materiálu, výrobou vzorků a úkolů mechanického testování, stejně jako opravami v malém a kompletním měřítku.
Hlavním výzkumníkem ve dvou fázích SBIR je Michael Bergen, zakladatel a prezident Custom Technologies LLC. Bergen odešel z Carderocku z Naval Surface Warfare Center (NSWC) a 27 let sloužil v oddělení struktur a materiálů, kde řídil vývoj a aplikaci kompozitních technologií ve flotile amerického námořnictva. Dr. Roger Crane nastoupil do Custom Technologies v roce 2015 po odchodu z amerického námořnictva v roce 2011 a slouží 32 let. Jeho odbornost v oblasti kompozitních materiálů zahrnuje technické publikace a patenty, které pokrývají témata, jako jsou nové kompozitní materiály, výroba prototypů, spojovací metody, multifunkční kompozitní materiály, monitorování zdraví struktury a restaurování kompozitních materiálů.
Tito dva odborníci vyvinuli unikátní proces, který využívá kompozitní materiály k opravě prasklin v hliníkové nástavbě křižníku 5456 s řízenou střelou třídy Ticonderoga CG-47. „Tento proces byl vyvinut, aby omezil růst trhlin a sloužil jako ekonomická alternativa. na výměnu desky platformy ve výši 2 až 4 milionů dolarů,“ řekl Bergen. „Prokázali jsme tedy, že umíme provádět opravy mimo laboratoř a v reálném servisním prostředí. Problémem však je, že současné metody vojenských aktiv nejsou příliš úspěšné. Možností je lepená duplexní oprava [v zásadě v poškozených oblastech Přilepte desku nahoru] nebo odstraňte aktivum z provozu pro opravy na úrovni skladu (úroveň D). Protože jsou nutné opravy na úrovni D, mnoho aktiv je odloženo."
Pokračoval tím, že je zapotřebí metoda, kterou mohou provádět vojáci bez zkušeností s kompozitními materiály pouze za použití sad a příruček údržby. Naším cílem je zjednodušit proces: přečtěte si návod, vyhodnoťte poškození a proveďte opravy. Nechceme míchat tekuté pryskyřice, protože to vyžaduje přesné měření pro zajištění úplného vytvrzení. Potřebujeme také systém bez nebezpečného odpadu po dokončení oprav. A musí být zabalen jako sada, kterou lze nasadit stávající sítí. “
Jedním z řešení, které společnost Custom Technologies úspěšně předvedla, je přenosná sada, která používá tvrzené epoxidové lepidlo k přizpůsobení lepicí kompozitní náplasti podle velikosti poškození (až 12 čtverečních palců). Demonstrace byla dokončena na kompozitním materiálu představujícím 3 palce tlustou palubu AMCB. Kompozitní materiál má jádro z balzového dřeva o tloušťce 3 palce (15 liber na kubickou stopu) a dvě vrstvy uhlíkového vlákna Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C-LT 1100 z uhlíkových vláken 0°/90° biaxiálně prošívané tkaniny, jedna vrstva C-TLX 1900 uhlíkové vlákno 0°/+45°/-45° tři hřídele a dvě vrstvy C-LT 1100, celkem z pěti vrstev. "Rozhodli jsme se, že sada bude používat prefabrikované záplaty v kvazi-izotropním laminátu podobném víceosým, takže směr tkaniny nebude problémem," řekl Crane.
Dalším problémem je pryskyřičná matrice používaná pro opravy laminátu. Aby se předešlo smíchání tekuté pryskyřice, bude náplast používat prepreg. "Tyto výzvy jsou však skladování," vysvětlil Bergen. Za účelem vývoje skladovatelného řešení náplasti se Custom Technologies spojila se společností Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornie, USA) na vývoji prepregu ze skleněných vláken/vinylesteru, který dokáže využívat ultrafialové světlo (UV) během šesti minut vytvrzování světlem. Rovněž spolupracovala s Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), která navrhla použití nové flexibilní epoxidové fólie.
Dřívější studie ukázaly, že epoxidová pryskyřice je nejvhodnější pryskyřicí pro prepregy z uhlíkových vláken - vinylester vytvrditelný UV zářením a průsvitné skleněné vlákno fungují dobře, ale nevytvrzují se pod uhlíkovými vlákny blokujícími světlo. Na základě nového filmu Gougeon Brothers je finální epoxidový prepreg vytvrzen po dobu 1 hodiny při 210°F/99°C a má dlouhou skladovatelnost při pokojové teplotě – není třeba skladovat při nízkých teplotách. Bergen uvedl, že pokud je požadována vyšší teplota skelného přechodu (Tg), pryskyřice bude také vytvrzena při vyšší teplotě, jako je 350 °F/177 °C. Oba předimpregnované lamináty jsou dodávány v přenosné opravné sadě jako stoh předimpregnovaných záplat zatavených v plastové fólii.
Vzhledem k tomu, že opravná sada může být skladována po dlouhou dobu, musí společnost Custom Technologies provést studii životnosti. „Zakoupili jsme čtyři kryty z tvrdého plastu – typický vojenský typ používaný v dopravních zařízeních – a do každého krytu jsme vložili vzorky epoxidového lepidla a vinylesterového prepregu,“ řekl Bergen. Krabice byly poté umístěny na čtyři různá místa pro testování: střecha továrny Gougeon Brothers v Michiganu, střecha letiště v Marylandu, venkovní zařízení v Yucca Valley (kalifornská poušť) a venkovní laboratoř pro testování koroze na jihu Floridy. Všechny případy mají záznamníky dat, zdůrazňuje Bergen: „Každé tři měsíce odebíráme vzorky dat a materiálů k vyhodnocení. Maximální teplota zaznamenaná v boxech na Floridě a v Kalifornii je 140 °F, což je dobré pro většinu restaurátorských pryskyřic. Je to opravdová výzva.“ Kromě toho společnost Gougeon Brothers interně testovala nově vyvinutou čistou epoxidovou pryskyřici. "Vzorky, které byly umístěny v peci při 120 ° F po dobu několika měsíců, začnou polymerovat," řekl Bergen. "Nicméně u odpovídajících vzorků udržovaných při 110 °F se chemie pryskyřice zlepšila jen o malé množství."
Oprava byla ověřena na zkušební desce a této maketě AMCB, která používala stejný laminát a materiál jádra jako původní most postavený firmou Seemann Composites. Zdroj obrázků: Custom Technologies LLC
Aby bylo možné předvést techniku opravy, musí být vyroben, poškozen a opraven reprezentativní laminát. „V první fázi projektu jsme zpočátku použili malé paprsky o rozměrech 4 x 48 palců a čtyřbodové ohybové testy, abychom vyhodnotili proveditelnost našeho procesu opravy,“ řekl Klein. „Poté jsme ve druhé fázi projektu přešli na panely o rozměrech 12 x 48 palců, aplikovali jsme zatížení ke generování stavu dvouosého napětí, které způsobilo selhání, a poté jsme vyhodnotili výkon opravy. Ve druhé fázi jsme také dokončili model AMCB, který jsme postavili Maintenance.“
Bergen uvedl, že testovací panel použitý k prokázání účinnosti opravy byl vyroben s použitím stejné řady laminátů a materiálů jádra jako AMCB vyráběné společností Seemann Composites, „ale snížili jsme tloušťku panelu z 0,375 palce na 0,175 palce na základě věty o paralelní ose. . To je ten případ. Metoda spolu s dalšími prvky teorie nosníku a klasické laminátové teorie [CLT] byla použita k propojení momentu setrvačnosti a efektivní tuhosti plnohodnotného AMCB s demo produktem menší velikosti, se kterým se snadněji manipuluje a více nákladově efektivní. Poté jsme ke zlepšení návrhu strukturálních oprav použili model analýzy konečných prvků [FEA] vyvinutý společností XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA). Tkanina z uhlíkových vláken použitá pro testovací panely a model AMCB byla zakoupena od společnosti Vectorply a jádro z balzy bylo vyrobeno společností Core Composites (Bristol, RI, USA).
Krok 1. Tento testovací panel zobrazuje průměr otvoru 3 palce pro simulaci poškození označeného uprostřed a opravu obvodu. Zdroj fotografií pro všechny kroky: Custom Technologies LLC.
Krok 2. Pomocí ruční brusky na baterie odstraňte poškozený materiál a uzavřete opravnou záplatu kuželem 12:1.
„Chceme simulovat vyšší stupeň poškození na testovací desce, než jaký by mohl být vidět na mostovce v terénu,“ vysvětlil Bergen. „Naší metodou je tedy použití děrovky k vytvoření díry o průměru 3 palce. Poté vytáhneme zátku poškozeného materiálu a ruční pneumatickou bruskou zpracujeme šátek 12:1.“
Crane vysvětlil, že při opravě uhlíkových vláken/epoxidu, jakmile je odstraněn „poškozený“ panelový materiál a je aplikován vhodný šátek, bude prepreg nařezán na šířku a délku tak, aby odpovídala zúžení poškozené oblasti. „Pro náš testovací panel to vyžaduje čtyři vrstvy prepregu, aby materiál na opravu zůstal konzistentní s horní částí původního nepoškozeného karbonového panelu. Poté se tři krycí vrstvy karbon/epoxidového prepregu soustředí na tento opravený díl. Každá následující vrstva přesahuje 1 palec na všechny strany spodní vrstvy, což zajišťuje postupný přenos zatížení z „dobrého“ okolního materiálu do opravené oblasti. Celková doba k provedení této opravy – včetně přípravy oblasti opravy, řezání a umístění materiálu pro náhradu a aplikace vytvrzovací procedury – je přibližně 2,5 hodiny.
U prepregu z uhlíkových vláken/epoxidu je oblast opravy vakuově zabalena a vytvrzena při teplotě 210 °F/99 °C po dobu jedné hodiny pomocí tepelného pojiva napájeného baterií.
Přestože je oprava uhlíkem/epoxidem jednoduchá a rychlá, tým si uvědomil potřebu pohodlnějšího řešení pro obnovení výkonu. To vedlo ke zkoumání ultrafialovým (UV) vytvrzovaných prepregů. „Zájem o vinylesterové pryskyřice Sunrez je založen na předchozích námořních zkušenostech se zakladatelem společnosti Markem Livesayem,“ vysvětlil Bergen. „Nejprve jsme Sunrezovi poskytli kvaziizotropní skelnou tkaninu s použitím jejich vinylesterového prepregu a vyhodnotili jsme křivku vytvrzování za různých podmínek. Navíc, protože víme, že vinylesterová pryskyřice není jako epoxidová pryskyřice, která poskytuje vhodnou sekundární adhezi, je tedy zapotřebí dalšího úsilí k vyhodnocení různých vazebných činidel adhezivní vrstvy a určení, která z nich je vhodná pro danou aplikaci.
Dalším problémem je, že skleněná vlákna nemohou poskytovat stejné mechanické vlastnosti jako uhlíková vlákna. "Ve srovnání s uhlíkovou/epoxidovou záplatou je tento problém vyřešen použitím další vrstvy skla/vinylesteru," řekl Crane. "Důvod, proč je potřeba pouze jedna další vrstva, je ten, že skleněný materiál je těžší tkanina." Vznikne tak vhodná náplast, kterou lze aplikovat a kombinovat během šesti minut i při velmi nízkých/mrazivých teplotách v terénu. Vytvrzování bez poskytnutí tepla. Crane poukázal na to, že tato oprava může být dokončena do hodiny.
Oba patch systémy byly předvedeny a testovány. Při každé opravě je místo, které má být poškozeno, označeno (krok 1), vytvořeno děrovkou a poté odstraněno pomocí ruční brusky na baterie (krok 2). Poté opravené místo seřízněte do kužele 12:1. Očistěte povrch šátku alkoholovým tamponem (krok 3). Dále opravnou záplatu odřízněte na určitou velikost, položte ji na očištěný povrch (krok 4) a zpevněte válečkem, abyste odstranili vzduchové bubliny. V případě vinylesterového prepregu vytvrzovaného skleněnými vlákny/UV pak umístěte uvolňovací vrstvu na opravené místo a vytvrzujte náplast pomocí bezdrátové UV lampy po dobu šesti minut (krok 5). U prepregu z uhlíkových vláken/epoxidu použijte předem naprogramovanou tepelnou vazbu s jedním tlačítkem, napájenou baterií, k vakuovému zabalení a vytvrzení opravené oblasti při 210 °F/99 °C po dobu jedné hodiny.
Krok 5. Po nanesení slupovací vrstvy na opravené místo použijte bezdrátovou UV lampu k vytvrzení náplasti po dobu 6 minut.
"Pak jsme provedli testy, abychom vyhodnotili přilnavost záplaty a její schopnost obnovit nosnou kapacitu konstrukce," řekl Bergen. „V první fázi musíme prokázat snadnost aplikace a schopnost obnovit alespoň 75 % pevnosti. To se provádí čtyřbodovým ohnutím na nosníku z uhlíkových vláken/epoxidové pryskyřice a balzového jádra 4 x 48 palců po opravě simulovaného poškození. Ano. Druhá fáze projektu používala panel o rozměrech 12 x 48 palců a musí vykazovat více než 90% požadavky na pevnost při komplexním namáhání. Všechny tyto požadavky jsme splnili a následně nafotili způsoby opravy na modelu AMCB. Jak používat technologii a vybavení v terénu k poskytnutí vizuální reference."
Klíčovým aspektem projektu je dokázat, že nováčci mohou snadno dokončit opravu. Z tohoto důvodu měl Bergen nápad: „Slíbil jsem, že předvedu našim dvěma technickým kontaktům v armádě: Dr. Bernardu Siovi a Ashley Gennové. Při závěrečné kontrole první fáze projektu jsem nepožadoval žádné opravy. Opravu provedla zkušená Ashley. Pomocí sady a příručky, které jsme jí poskytli, aplikovala záplatu a bez problémů dokončila opravu.“
Obrázek 2 Bateriově napájený vytvrzovací předprogramovaný, bateriový stroj na tepelné spojování dokáže vytvrdit opravnou záplatu z uhlíkových vláken/epoxidu stisknutím tlačítka, aniž by bylo nutné mít znalosti o opravě nebo programování vytvrzovacího cyklu. Zdroj obrázků: Custom Technologies, LLC
Dalším klíčovým vývojem je bateriově napájený vytvrzovací systém (obrázek 2). "Prostřednictvím údržby v terénu máte k dispozici pouze baterii," zdůraznil Bergen. "Všechno procesní zařízení v opravné sadě, kterou jsme vyvinuli, je bezdrátové." To zahrnuje bateriově poháněné tepelné spojování vyvinuté společně společností Custom Technologies a dodavatelem strojů pro tepelné spojování WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). „Tato bateriově napájená tepelná pojiva je předem naprogramována na úplné vytvrzení, takže nováčci nemusí programovat vytvrzovací cyklus,“ řekl Crane. "Stačí stisknout tlačítko, aby dokončili správnou rampu a namočili." Aktuálně používané baterie mohou vydržet rok, než je bude nutné dobít.
Po dokončení druhé fáze projektu připravuje Custom Technologies následné návrhy na zlepšení a sbírá dopisy se zájmem a podporou. „Naším cílem je vyvinout tuto technologii na TRL 8 a uvést ji do praxe,“ řekl Bergen. "Vidíme také potenciál pro nevojenské aplikace."
Vysvětluje staré umění za prvním vyztužením vláken v tomto odvětví a má hluboké znalosti o nových vláknech a budoucím vývoji.
Model 787, který se brzy objeví a poprvé bude létat, spoléhá na inovace v oblasti kompozitních materiálů a procesů, aby dosáhl svých cílů.
Čas odeslání: září-02-2021