Det bærbare settet kan repareres med UV-herdbar glassfiber/vinylester eller karbonfiber/epoksy prepreg lagret ved romtemperatur og batteridrevet herdeutstyr. #insidemanufacturing #infrastruktur
UV-herdbar prepreg-lappreparasjon Selv om karbonfiber/epoksy-prepreg-reparasjonen utviklet av Custom Technologies LLC for komposittbroen på innmark viste seg å være enkel og rask, har bruken av glassfiberforsterket UV-herdbar vinylesterharpiks Prepreg utviklet et mer praktisk system . Bildekilde: Custom Technologies LLC
Modulære utplasserbare broer er kritiske eiendeler for militære taktiske operasjoner og logistikk, samt restaurering av transportinfrastruktur under naturkatastrofer. Komposittkonstruksjoner studeres for å redusere vekten av slike broer, og dermed redusere belastningen på transportkjøretøyer og utskytnings-gjenopprettingsmekanismer. Sammenlignet med metallbroer har komposittmaterialer også potensial til å øke bæreevnen og forlenge levetiden.
Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) er et eksempel. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) og Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) bruker karbonfiberforsterkede epoksylaminater (figur 1). ) Design og konstruksjon). Evnen til å reparere slike strukturer i felten har imidlertid vært et problem som hindrer bruken av komposittmaterialer.
Figur 1 Komposittbro, nøkkelinnhold i området Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) ble designet og konstruert av Seemann Composites LLC og Materials Sciences LLC ved bruk av karbonfiberforsterkede epoksyharpikskompositter. Bildekilde: Seeman Composites LLC (til venstre) og den amerikanske hæren (til høyre).
I 2016 mottok Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) en US Army-finansiert Small Business Innovation Research (SBIR) fase 1-stipend for å utvikle en reparasjonsmetode som med hell kan utføres på stedet av soldater. Basert på denne tilnærmingen ble den andre fasen av SBIR-bevilgningen tildelt i 2018 for å vise frem nye materialer og batteridrevet utstyr, selv om oppdateringen utføres av en nybegynner uten forutgående opplæring, kan 90 % eller mer av strukturen gjenopprettes rå. styrke. Gjennomførbarheten av teknologien bestemmes ved å utføre en rekke analyser, materialvalg, prøveproduksjon og mekaniske testoppgaver, samt reparasjoner i liten skala og fullskala.
Hovedforskeren i de to SBIR-fasene er Michael Bergen, grunnlegger og president for Custom Technologies LLC. Bergen trakk seg fra Carderock fra Naval Surface Warfare Center (NSWC) og tjenestegjorde i struktur- og materialavdelingen i 27 år, hvor han ledet utviklingen og anvendelsen av komposittteknologier i den amerikanske marinens flåte. Dr. Roger Crane begynte i Custom Technologies i 2015 etter å ha trukket seg tilbake fra den amerikanske marinen i 2011 og har tjenestegjort i 32 år. Hans komposittmaterialeekspertise inkluderer tekniske publikasjoner og patenter, som dekker emner som nye komposittmaterialer, prototypeproduksjon, tilkoblingsmetoder, multifunksjonelle komposittmaterialer, strukturell helseovervåking og komposittmateriale restaurering.
De to ekspertene har utviklet en unik prosess som bruker komposittmaterialer til å reparere sprekkene i aluminiumsoverbygningen til Ticonderoga CG-47-klassen guidede missilcruiser 5456. “Prosessen ble utviklet for å redusere vekst av sprekker og for å tjene som et økonomisk alternativ til utskifting av et plattformbrett på 2 til 4 millioner dollar, sa Bergen. "Så vi beviste at vi vet hvordan vi utfører reparasjoner utenfor laboratoriet og i et ekte servicemiljø. Men utfordringen er at dagens militære aktivametoder ikke er særlig vellykkede. Alternativet er bonded duplex reparasjon [i utgangspunktet i skadede områder Lim en plate til toppen] eller fjern aktivaen fra drift for reparasjoner på lagernivå (D-nivå). Fordi reparasjoner på D-nivå kreves, blir mange eiendeler lagt til side.»
Han fortsatte med å si at det som trengs er en metode som kan utføres av soldater uten erfaring med komposittmaterialer, kun ved bruk av sett og vedlikeholdsmanualer. Vårt mål er å gjøre prosessen enkel: les manualen, evaluer skaden og utfør reparasjoner. Vi ønsker ikke å blande flytende harpikser, da dette krever nøyaktig måling for å sikre fullstendig herding. Vi trenger også et system uten farlig avfall etter at reparasjoner er fullført. Og det må pakkes som et sett som kan distribueres av det eksisterende nettverket. ”
En løsning som Custom Technologies har demonstrert med suksess er et bærbart sett som bruker et herdet epoksylim for å tilpasse den selvklebende komposittlappen i henhold til størrelsen på skaden (opptil 12 kvadrattommer). Demonstrasjonen ble gjennomført på et komposittmateriale som representerte et 3-tommers tykt AMCB-dekk. Komposittmaterialet har en 3-tommers tykk balsatrekjerne (15 pund per kubikkfot tetthet) og to lag Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C -LT 1100 karbonfiber 0°/90° biaksialt sydd stoff, ett lag med C-TLX 1900 karbonfiber 0°/+45°/-45° tre skaft og to lag C-LT 1100, totalt fem lag. "Vi bestemte oss for at settet vil bruke prefabrikkerte lapper i et kvasi-isotropisk laminat som ligner på en multiakse, slik at stoffretningen ikke vil være et problem," sa Crane.
Det neste problemet er harpiksmatrisen som brukes til laminatreparasjon. For å unngå å blande flytende harpiks, vil plasteret bruke prepreg. "Men disse utfordringene er lagring," forklarte Bergen. For å utvikle en lagringsbar patchløsning har Custom Technologies inngått samarbeid med Sunrez Corp. (El Cajon, California, USA) for å utvikle en glassfiber/vinylester prepreg som kan bruke ultrafiolett lys (UV) på seks minutter med lysherding. Det samarbeidet også med Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), som foreslo bruk av en ny fleksibel epoksyfilm.
Tidlige studier har vist at epoksyharpiks er den mest egnede harpiksen for prepregs av karbonfiber-UV-herdbar vinylester og gjennomskinnelig glassfiber fungerer bra, men herder ikke under lysblokkerende karbonfiber. Basert på Gougeon Brothers' nye film, herdes den endelige epoksy-prepreg i 1 time ved 210°F/99°C og har lang holdbarhet ved romtemperatur uten behov for lavtemperaturlagring. Bergen sa at dersom en høyere glassovergangstemperatur (Tg) kreves, vil harpiksen også herdes ved en høyere temperatur, for eksempel 350°F/177°C. Begge prepregene leveres i et bærbart reparasjonssett som en stabel med prepreg-lapper forseglet i en plastfilmkonvolutt.
Siden reparasjonssettet kan lagres i lang tid, er Custom Technologies pålagt å gjennomføre en holdbarhetsstudie. "Vi kjøpte fire harde plastkapslinger - en typisk militær type som brukes i transportutstyr - og la prøver av epoksylim og vinylester prepreg i hvert kabinett," sa Bergen. Boksene ble deretter plassert på fire forskjellige steder for testing: taket på Gougeon Brothers-fabrikken i Michigan, taket på Maryland-flyplassen, utendørsanlegget i Yucca Valley (California-ørkenen) og det utendørs korrosjonstestlaboratoriet i det sørlige Florida. Alle saker har dataloggere, påpeker Bergen, – Vi tar data- og materialprøver for evaluering hver tredje måned. Den maksimale temperaturen registrert i boksene i Florida og California er 140 °F, noe som er bra for de fleste restaureringsharpikser. Det er en skikkelig utfordring.» I tillegg testet Gougeon Brothers den nyutviklede rene epoksyharpiksen internt. "Prøver som har vært plassert i en ovn ved 120 ° F i flere måneder begynner å polymerisere," sa Bergen. "Men for de tilsvarende prøvene holdt ved 110 ° F, ble harpikskjemien bare forbedret med en liten mengde."
Reparasjonen ble verifisert på testbrettet og denne skalamodellen av AMCB, som brukte samme laminat og kjernemateriale som den originale broen bygget av Seemann Composites. Bildekilde: Custom Technologies LLC
For å demonstrere reparasjonsteknikken må et representativt laminat produseres, skades og repareres. "I den første fasen av prosjektet brukte vi først småskala 4 x 48-tommers bjelker og firepunkts bøyetester for å evaluere gjennomførbarheten av reparasjonsprosessen vår," sa Klein. "Deretter gikk vi over til 12 x 48 tommers paneler i den andre fasen av prosjektet, påførte belastninger for å generere en biaksial spenningstilstand for å forårsake feil, og evaluerte deretter reparasjonsytelsen. I den andre fasen fullførte vi også AMCB-modellen vi bygde vedlikehold.»
Bergen sa at testpanelet som ble brukt for å bevise reparasjonsytelsen ble produsert med samme linje av laminater og kjernematerialer som AMCB produsert av Seemann Composites, "men vi reduserte paneltykkelsen fra 0,375 tommer til 0,175 tommer, basert på parallellakse-teoremet. . Dette er tilfellet. Metoden, sammen med tilleggselementene fra bjelketeori og klassisk laminatteori [CLT], ble brukt for å koble treghetsmomentet og effektiv stivhet til fullskala AMCB med et mindre demoprodukt som er lettere å håndtere og mer. kostnadseffektivt. Deretter ble vi The finite element analysis [FEA]-modellen utviklet av XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) brukt til å forbedre utformingen av strukturelle reparasjoner." Karbonfiberstoffet som ble brukt til testpanelene og AMCB-modellen ble kjøpt fra Vectorply, og balsakjernen ble laget av Core Composites (Bristol, RI, US) levert.
Trinn 1. Dette testpanelet viser en hulldiameter på 3 tommer for å simulere skade merket i midten og reparere omkretsen. Bildekilde for alle trinn: Custom Technologies LLC.
Trinn 2. Bruk en batteridrevet manuell kvern for å fjerne det skadede materialet og omslutt reparasjonsplasteret med en 12:1 konus.
– Vi ønsker å simulere en høyere grad av skade på testbrettet enn det som kan sees på brodekket i felten, forklarte Bergen. "Så metoden vår er å bruke en hullsag for å lage et 3-tommers diameter hull. Deretter trekker vi ut pluggen på det skadede materialet og bruker en håndholdt pneumatisk sliper for å behandle et 12:1 skjerf.»
Crane forklarte at for reparasjon av karbonfiber/epoksy, når det "skadede" panelmaterialet er fjernet og et passende skjerf er påført, vil prepreg bli kuttet til bredde og lengde for å matche avsmalningen til det skadede området. "For testpanelet vårt krever dette fire lag prepreg for å holde reparasjonsmaterialet i overensstemmelse med toppen av det originale uskadede karbonpanelet. Deretter konsentreres de tre dekklagene med karbon/epoksy prepreg på denne på den reparerte delen. Hvert påfølgende lag strekker seg 1 tomme på alle sider av det nedre laget, noe som gir en gradvis lastoverføring fra det "gode" omgivende materialet til det reparerte området." Den totale tiden for å utføre denne reparasjonen, inkludert klargjøring av reparasjonsområdet, kutting og plassering av restaureringsmaterialet og påføring av herdeprosedyren - ca. 2,5 timer.
For prepreg av karbonfiber/epoksy blir reparasjonsområdet vakuumpakket og herdet ved 210°F/99°C i én time ved hjelp av et batteridrevet termisk bindemiddel.
Selv om karbon/epoksy-reparasjon er enkel og rask, erkjente teamet behovet for en mer praktisk løsning for å gjenopprette ytelsen. Dette førte til utforskning av ultrafiolett (UV) herdende prepreg. "Interessen for Sunrez vinylesterharpikser er basert på tidligere marineerfaring med selskapets grunnlegger Mark Livesay," forklarte Bergen. "Vi ga Sunrez først et kvasi-isotropisk glassstoff, ved å bruke deres vinylester-prepreg, og evaluerte herdekurven under forskjellige forhold. I tillegg, fordi vi vet at vinylesterharpiks ikke er som epoksyharpiks som gir passende sekundær adhesjonsytelse, så det kreves ytterligere innsats for å evaluere ulike limlags koblingsmidler og bestemme hvilken som er egnet for bruken."
Et annet problem er at glassfiber ikke kan gi de samme mekaniske egenskapene som karbonfibre. "Sammenlignet med karbon/epoksyplaster løses dette problemet ved å bruke et ekstra lag med glass/vinylester," sa Crane. "Grunnen til at det bare trengs ett ekstra lag er at glassmaterialet er et tyngre stoff." Dette gir et passende plaster som kan påføres og kombineres i løpet av seks minutter selv ved svært kalde/fryse temperaturer. Herding uten å gi varme. Crane påpekte at dette reparasjonsarbeidet kan fullføres innen en time.
Begge patchsystemene er demonstrert og testet. For hver reparasjon merkes området som skal skades (trinn 1), opprettes med en hullsag og fjernes deretter med en batteridrevet manuell kvern (trinn 2). Kutt deretter det reparerte området til en 12:1 avsmalning. Rengjør overflaten på skjerfet med en spritpute (trinn 3). Kutt deretter reparasjonsplasteret til en viss størrelse, plasser det på den rengjorte overflaten (trinn 4) og konsolider det med en rulle for å fjerne luftbobler. For glassfiber/UV-herdende vinylester prepreg, plasser deretter slipplaget på det reparerte området og herd lappen med en trådløs UV-lampe i seks minutter (trinn 5). For prepreg av karbonfiber/epoksy, bruk en forhåndsprogrammert, en-knapps, batteridrevet termisk bonder for å vakuumpakke og herde det reparerte området ved 210°F/99°C i én time.
Trinn 5. Etter å ha plassert peelingslaget på det reparerte området, bruk en trådløs UV-lampe for å herde lappen i 6 minutter.
"Deretter utførte vi tester for å evaluere limbarheten til lappen og dens evne til å gjenopprette konstruksjonens bæreevne," sa Bergen. "I den første fasen må vi bevise brukervennligheten og evnen til å gjenvinne minst 75 % av styrken. Dette gjøres ved å bøye fire punkter på en 4 x 48 tommer karbonfiber/epoksyharpiks og balsakjernebjelke etter å ha reparert den simulerte skaden. Ja. Den andre fasen av prosjektet brukte et 12 x 48 tommers panel, og må vise mer enn 90 % styrkekrav under komplekse belastningsbelastninger. Vi oppfylte alle disse kravene, og fotograferte deretter reparasjonsmetodene på AMCB-modellen. Hvordan bruke innmarksteknologi og utstyr for å gi en visuell referanse."
Et sentralt aspekt ved prosjektet er å bevise at nybegynnere enkelt kan fullføre reparasjonen. Av denne grunn hadde Bergen en idé: «Jeg har lovet å demonstrere for våre to tekniske kontakter i Hæren: Dr. Bernard Sia og Ashley Genna. I den endelige gjennomgangen av den første fasen av prosjektet ba jeg om ingen reparasjoner. Erfarne Ashley utførte reparasjonen. Ved å bruke settet og bruksanvisningen vi ga, brukte hun lappen og fullførte reparasjonen uten problemer.»
Figur 2 Den batteridrevne, forhåndsprogrammerte, batteridrevne termiske limingsmaskinen kan herde karbonfiber/epoksy-reparasjonslappen ved å trykke på en knapp, uten behov for reparasjonskunnskap eller herdesyklusprogrammering. Bildekilde: Custom Technologies, LLC
En annen nøkkelutvikling er det batteridrevne herdesystemet (Figur 2). «Gjennom innmarksvedlikehold har du bare batteristrøm», påpekte Bergen. "Alt prosessutstyret i reparasjonssettet vi utviklet er trådløst." Dette inkluderer batteridrevet termisk liming utviklet i fellesskap av Custom Technologies og termisk limingsmaskinleverandør WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). "Denne batteridrevne termiske bonderen er forhåndsprogrammert til å fullføre herding, så nybegynnere trenger ikke å programmere herdesyklusen," sa Crane. "De trenger bare å trykke på en knapp for å fullføre den riktige rampen og suge." Batteriene som nå er i bruk kan vare i ett år før de må lades.
Med gjennomføringen av andre fase av prosjektet utarbeider Custom Technologies oppfølgingsforslag til forbedringer og samler inn interesse- og støttebrev. "Vårt mål er å modne denne teknologien til TRL 8 og bringe den til feltet," sa Bergen. "Vi ser også potensialet for ikke-militære applikasjoner."
Forklarer den gamle kunsten bak bransjens første fiberarmering, og har en inngående forståelse av ny fibervitenskap og fremtidig utvikling.
Kommer snart og flyr for første gang, er 787 avhengig av innovasjoner innen komposittmaterialer og prosesser for å nå sine mål
Innleggstid: 02-02-2021