Přenosnou sadu lze opravit pomocí UV vytvrditelného prepregu ze skelných vláken/vinylesteru nebo uhlíkových vláken/epoxidu, skladovaného při pokojové teplotě a s bateriovým vytvrzovacím zařízením. #uvnitřvýroby #infrastruktura
Oprava záplat z prepregu vytvrzovaného UV zářením Ačkoli se oprava z uhlíkových vláken/epoxidového prepregu, kterou vyvinula společnost Custom Technologies LLC pro kompozitní most v poli, ukázala jako jednoduchá a rychlá, použití vinylesterové pryskyřice Prepreg vyztužené skelnými vlákny vytvrditelné UV zářením se vyvinulo jako pohodlnější systém. Zdroj obrázku: Custom Technologies LLC
Modulární rozkládací mosty jsou klíčovým prvkem pro vojenské taktické operace a logistiku, stejně jako pro obnovu dopravní infrastruktury během přírodních katastrof. Studují se kompozitní konstrukce, které by snižovaly hmotnost takových mostů, a tím i zátěž dopravních vozidel a mechanismů pro vyprošťování. Ve srovnání s kovovými mosty 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 opravovat takové konstrukce v terénu však představuje problém, který brání přijetí kompozitních materiálů.
Obrázek 1 Kompozitní most, klíčový majetek v terénu Pokročilý modulární kompozitní most (AMCB) byl navržen a postaven společnostmi Seemann Composites LLC a Materials Sciences LLC s použitím epoxidových pryskyřičných kompozitů vyztužených uhlíkovými vlákny. Zdroj obrázku: Seeman Composites LLC (vlevo) a americká armáda (vpravo).
V roce 2016 společnost Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) získala grant fáze 1 programu Small Business Innovation Research (SBIR) financovaný americkou armádou na vývoj metody opravy, kterou by mohli vojáci úspěšně provádět na místě. Na základě tohoto přístupu byla v roce 2018 udělena druhá fáze grantu SBIR na prezentaci nových materiálů a zařízení napájených bateriemi. I když opravu provádí nováček bez předchozího školení, lze obnovit 90 % nebo více struktury. Proveditelnost technologie je určena provedením řady analýz, výběrem materiálu, výrobou vzorků a mechanickými testy, jakož i opravami v malém i velkém rozsahu.
Hlavním výzkumníkem ve dvou fázích SBIR je Michael Bergen, zakladatel a prezident společnosti Custom Technologies LLC. Bergen odešel z Carderocku v Námořním středisku pro povrchové boje (NSWC) a 27 let sloužil v oddělení konstrukcí 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 zde již 32 let. Jeho odborné znalosti v oblasti kompozitních materiálů zahrnují technické publikace a patenty, které se zabývají tématy, jako jsou nové kompozitní materiály, výroba prototypů, metody spojování, multifunkční kompozitní materiály, monitorování stavu konstrukcí a restaurování kompozitních materiálů.
Tito dva experti vyvinuli unikátní proces, který využívá kompozitní materiály k opravě trhlin v hliníkové nástavbě raketového křižníku třídy Ticonderoga CG-47 č. 5456. „Tento proces byl vyvinut s cílem snížit růst trhlin a sloužit jako ekonomická alternativa k výměně desky plošiny v hodnotě 2 až 4 milionů dolarů,“ řekl Bergen. „Dokázali jsme tedy, že víme, jak provádět opravy mimo laboratoř a v reálném servisním prostředí. Problémem však je, že současné metody opravy vojenských aktiv nejsou příliš úspěšné. Možností je lepená duplexní oprava [v podstatě v poškozených oblastech přilepení desky na vršek] nebo vyřazení aktiva z provozu pro opravy na úrovni skladu (úroveň D). Protože jsou nutné opravy na úrovni D, mnoho aktiv se odkládá stranou.“
Dále uvedl, že je potřeba metoda, kterou by mohli provádět vojáci bez zkušeností s kompozitními materiály, a to pouze s použitím sad a manuálů k údržbě. Naším cílem je zjednodušit proces: přečíst si manuál, vyhodnotit poškození a provést opravy. Nechceme míchat tekuté pryskyřice, protože to vyžaduje přesné měření k zajištění úplného vytvrzení. Potřebujeme také systém, který po dokončení oprav nevzniká žádný nebezpečný odpad. A musí být zabalen jako sada, kterou lze nasadit stávající sítí.“
Jedním z řešení, které společnost Custom Technologies úspěšně předvedla, je přenosná sada, která využívá tvrzené epoxidové lepidlo k přizpůsobení kompozitní záplaty velikosti poškození (až 30 cm²). Demonstrace byla provedena na kompozitním materiálu představujícím 7,6 cm silnou palubu AMCB. Kompozitní materiál má 7,6 cm silné jádro z balsového dřeva (hustota 7,5 kg na krychlovou stopu) a dvě vrstvy biaxiálně prošívané tkaniny Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C-LT 1100 z uhlíkových vláken 0°/90°, jednu vrstvu tříosé uhlíkové tkaniny C-TLX 1900 z uhlíkových vláken 0°/+45°/-45° a dvě vrstvy C-LT 1100, celkem pět vrstev. „Rozhodli jsme se, že sada bude používat prefabrikované záplaty v kvaziizotropním laminátu podobném víceosému, takže směr tkaniny nebude problém,“ uvedl Crane.
Dalším problémem je pryskyřičná matrice používaná pro opravu laminátu. Aby se zabránilo míchání tekuté pryskyřice, bude záplata používat prepreg. „Těmito problémy však jsou skladování,“ vysvětlil Bergen. Aby vyvinula skladovatelné řešení pro záplaty, společnost Custom Technologies navázala partnerství se společností Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornie, USA) na vývoji prepregu ze skleněných vláken/vinylesteru, který dokáže pomocí ultrafialového záření (UV) vytvrdit světlem za šest minut. Spolupracovala také se společností Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), která navrhla použití nové flexibilní epoxidové fólie.
První studie ukázaly, že epoxidová pryskyřice je nejvhodnější pryskyřicí pro prepregy z uhlíkových vláken – vinylester vytvrditelný UV zářením a průsvitná skleněná vlákna fungují dobře, ale nevytvrzují se pod světlo blokujícím uhlíkovým vláknem. Na základě nové fólie od Gougeon Brothers se finální epoxidový prepreg vytvrzuje po dobu 1 hodiny při 99 °C a má dlouhou skladovatelnost při pokojové teplotě – není nutné skladovat při nízkých teplotách. Bergen uvedl, že pokud je požadována vyšší teplota skelného přechodu (Tg), bude pryskyřice také vytvrzována při vyšší teplotě, například 177 °C. Oba prepregy jsou dodávány v přenosné opravné sadě jako sada prepregových záplat zatavených v plastové fólii.
Vzhledem k tomu, že opravná sada může být skladována po dlouhou dobu, je společnost Custom Technologies povinna provést studii skladovatelnosti. „Zakoupili jsme čtyři tvrdé plastové pouzdra – typický vojenský typ používaný v dopravních prostředcích – a do každého pouzdra jsme vložili vzorky epoxidového lepidla a vinylesterového prepregu,“ uvedl Bergen. Krabice byly poté umístěny na čtyři různá místa k testování: na střechu továrny Gougeon Brothers v Michiganu, střechu letiště v Marylandu, venkovní zařízení v Yucca Valley (kalifornská poušť) a venkovní laboratoř pro testování koroze na jižní Floridě. Všechny pouzdra mají záznamníky dat, zdůrazňuje Bergen. „Každé tři měsíce odebíráme data a vzorky materiálu k vyhodnocení. Maximální teplota zaznamenaná v pouzdrech na Floridě a v Kalifornii je 140 °F, což je dobré pro většinu restaurátorských pryskyřic. Je to skutečná výzva.“ Společnost Gougeon Brothers navíc interně testovala nově vyvinutou čistou epoxidovou pryskyřici. „Vzorky, které byly několik měsíců umístěny do pece při teplotě 120 °F, začínají polymerovat,“ uvedl Bergen. „U odpovídajících vzorků uchovávaných při teplotě 43 °C se však chemické složení pryskyřice zlepšilo pouze nepatrně.“
Oprava byla ověřena na testovací desce a tomto modelu mostu AMCB, který použil stejný laminát a jádro jako původní most postavený společností Seemann Composites. Zdroj obrázku: Custom Technologies LLC
Aby bylo možné demonstrovat techniku opravy, je nutné vyrobit, poškodit a opravit reprezentativní laminát. „V první fázi projektu jsme nejprve použili malé nosníky o rozměrech 4 x 48 palců a čtyřbodové ohybové testy, abychom vyhodnotili proveditelnost našeho procesu opravy,“ uvedl Klein. „Poté jsme ve druhé fázi projektu přešli na panely o rozměrech 12 x 48 palců, aplikovali jsme zatížení k vytvoření biaxiálního napěťového stavu, který způsobí porušení, a poté jsme vyhodnotili výkonnost opravy. Ve druhé fázi jsme také dokončili model AMCB, který jsme vytvořili pro údržbu.“
Bergen uvedl, že testovací panel použitý k prokázání výkonu opravy byl vyroben s použitím stejné řady laminátů a jádrových materiálů jako AMCB vyráběný společností Seemann Composites, „ale na základě věty o rovnoběžných osách jsme snížili tloušťku panelu z 0,375 palce na 0,175 palce. To je ten případ. Tato metoda, spolu s dalšími prvky teorie nosníků a klasické teorie laminátů [CLT], byla použita k propojení momentu setrvačnosti a efektivní tuhosti plnohodnotného AMCB s menším demonstračním produktem, který je snadněji ovladatelný a nákladově efektivnější. Poté jsme použili model analýzy konečných prvků [FEA] vyvinutý společností XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) ke zlepšení návrhu konstrukčních oprav.“ Tkanina z uhlíkových vláken použitá pro testovací panely a model AMCB byla zakoupena od společnosti Vectorply a balsové jádro vyrobila společnost Core Composites (Bristol, RI, USA).
Krok 1. Tento testovací panel zobrazuje otvor o průměru 3 palce pro simulaci poškození vyznačeného uprostřed a opravu obvodu. Zdroj fotografií pro všechny kroky: Custom Technologies LLC.
Krok 2. Pomocí ruční brusky na baterii odstraňte poškozený materiál a opravené místo uzavřete kuželem 12:1.
„Chceme na testovací desce simulovat vyšší stupeň poškození, než jaký by mohl být pozorován na mostovce v terénu,“ vysvětlil Bergen. „Naše metoda tedy spočívá v použití děrové pily k vytvoření otvoru o průměru 3 palce. Poté vytáhneme zátku poškozeného materiálu a pomocí ruční pneumatické brusky opracujeme šňůru 12:1.“
Crane vysvětlil, že při opravě uhlíkovými vlákny/epoxidem se po odstranění „poškozeného“ materiálu panelu a nanesení vhodného obrubníku prepreg nařeže na šířku a délku, aby odpovídal zúžení poškozené oblasti. „U našeho testovacího panelu to vyžaduje čtyři vrstvy prepregu, aby se opravný materiál udržel v souladu s horní částí původního nepoškozeného uhlíkového panelu. Poté se na tuto opravenou část nanesou tři krycí vrstvy uhlíkového/epoxidového prepregu. Každá následující vrstva sahá o 2,5 cm na všechny strany spodní vrstvy, což zajišťuje postupný přenos zatížení z „dobrého“ okolního materiálu na opravenou oblast.“ Celková doba potřebná k provedení této opravy – včetně přípravy opravované oblasti, řezání a umístění restaurátorského materiálu a aplikace vytvrzovacího postupu – trvá přibližně 2,5 hodiny.
V případě prepregu z uhlíkových vláken/epoxidu se opravovaná oblast vakuově zabalí a vytvrdí při teplotě 99 °C po dobu jedné hodiny pomocí bateriového tepelného lepidla.
Přestože je oprava uhlíkem/epoxidem jednoduchá a rychlá, tým si uvědomil potřebu pohodlnějšího řešení pro obnovení výkonu. To vedlo k zkoumání prepregů vytvrzovaných ultrafialovým (UV) zářením. „Zájem o vinylesterové pryskyřice Sunrez je založen na předchozích zkušenostech zakladatele společnosti Marka Livesaye v námořnictvu,“ vysvětlil Bergen. „Nejprve jsme společnosti Sunrez poskytli kvaziizotropní skleněnou tkaninu s použitím jejich vinylesterového prepregu a vyhodnotili jsme křivku vytvrzování za různých podmínek. Navíc, protože víme, že vinylesterová pryskyřice není jako epoxidová pryskyřice ta, která poskytuje vhodný sekundární adhezní výkon, je zapotřebí dalšího úsilí k vyhodnocení různých spojovacího činidla pro adhezní vrstvy a k určení, které z nich je vhodné pro danou aplikaci.“
Dalším problémem je, že skleněná vlákna nemohou poskytovat stejné mechanické vlastnosti jako uhlíková vlákna. „V porovnání s uhlíkovou/epoxidovou záplatou je tento problém řešen použitím další vrstvy skla/vinylesteru,“ řekl Crane. „Důvod, proč je potřeba pouze jedna další vrstva, je ten, že skleněný materiál je těžší tkanina.“ Takto vznikne vhodná záplata, kterou lze aplikovat a spojit během šesti minut, a to i při velmi nízkých/mrazivých teplotách v terénu. Vytvrzuje se bez použití tepla. Crane poukázal na to, že tuto opravu lze dokončit do hodiny.
Oba systémy záplat byly předvedeny a testovány. Pro každou opravu se označí poškozená oblast (krok 1), vytvoří se děrovou pilou a poté se odstraní pomocí ruční brusky napájené z baterie (krok 2). Poté se opravená oblast zúží na poměr 12:1. Povrch záplaty očistěte alkoholovým tamponem (krok 3). Poté se opravná záplata zúží na určitou velikost, položí se na vyčištěný povrch (krok 4) a zpevní se válečkem, aby se odstranily vzduchové bubliny. V případě prepregu ze skleněných vláken/vinylesteru vytvrzovaného UV zářením se na opravenou oblast nanese separační vrstva a záplata se vytvrzuje bezdrátovou UV lampou po dobu šesti minut (krok 5). V případě prepregu z uhlíkových vláken/epoxidu použijte předprogramovaný, jednotlačítkový, bateriový tepelný spojovač k vakuovému zabalení a vytvrzování opravené oblasti při teplotě 99 °C po dobu jedné hodiny.
Krok 5. Po nanesení slupovací vrstvy na opravené místo použijte bezdrátovou UV lampu k vytvrzení záplaty po dobu 6 minut.
„Poté jsme provedli testy, abychom vyhodnotili přilnavost záplaty a její schopnost obnovit únosnost konstrukce,“ řekl Bergen. „V první fázi musíme prokázat snadnost aplikace a schopnost obnovit alespoň 75 % pevnosti. To se provádí čtyřbodovým ohýbáním nosníku z uhlíkových vláken/epoxidové pryskyřice a balsového jádra o rozměrech 4 x 48 palců po opravě simulovaného poškození. Ano. Druhá fáze projektu použila panel o rozměrech 12 x 48 palců a musí vykazovat více než 90% pevnostní požadavky při komplexním zatížení deformací. Splnili jsme všechny tyto požadavky a poté jsme vyfotografovali metody opravy na modelu AMCB. Jak používat technologie a vybavení pro vnitřní použití k poskytnutí vizuální reference.“
Klíčovým aspektem projektu je dokázat, že opravu snadno zvládnou i nováčci. Z tohoto důvodu dostal Bergen nápad: „Slíbil jsem, že to předvedu našim dvěma technickým kontaktům v armádě: Dr. Bernardu Siovi a Ashley Gennovi. V závěrečném hodnocení první fáze projektu jsem požádal o žádné opravy. Opravu provedla zkušená Ashley. Pomocí sady a manuálu, které jsme poskytli, nalepila záplatu a opravu bez problémů dokončila.“
Obrázek 2 Baterií napájený, předprogramovaný a baterií napájený stroj pro tepelné spojování dokáže vytvrdit opravnou záplatu z uhlíkových vláken/epoxidu stisknutím tlačítka, bez nutnosti znalostí oprav nebo programování cyklu vytvrzování. Zdroj obrázku: Custom Technologies, LLC
Dalším klíčovým vývojem je systém vytvrzování napájený z baterií (obrázek 2). „Při údržbě v terénu máte k dispozici pouze napájení z baterií,“ zdůraznil Bergen. „Veškeré procesní zařízení v opravárenské sadě, kterou jsme vyvinuli, je bezdrátové.“ To zahrnuje i stroj pro tepelné lepení napájený z baterií, který společně vyvinuly společnosti Custom Technologies a dodavatel strojů pro tepelné lepení, společnost WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). „Tento bateriový tepelný spojovač je předprogramován k dokončení vytvrzování, takže začátečníci nemusí programovat cyklus vytvrzování,“ řekl Crane. „Stačí stisknout tlačítko pro dokončení správného náběhu a namáčení.“ Baterie, které se v současnosti používají, vydrží rok, než je bude nutné je dobít.
Po dokončení druhé fáze projektu společnost Custom Technologies připravuje následné návrhy na vylepšení a shromažďuje dopisy s projevy zájmu a podpory. „Naším cílem je dovést tuto technologii k úrovni TRL 8 a uvést ji do praxe,“ uvedl Bergen. „Vidíme také potenciál pro nevojenské aplikace.“
Vysvětluje staré umění, které stálo za první vláknovou výztuhou v oboru, a má hluboké znalosti o nové vědě o vláknech a jejím budoucím vývoji.
Boeing 787, který brzy vyjde a poprvé vzlétne, se k dosažení svých cílů spoléhá na inovace v oblasti kompozitních materiálů a procesů.
Čas zveřejnění: 2. září 2021