Det bærbare settet kan repareres med UV-nedbrytbar glassfiber/vinylester eller karbonfiber/epoksy prepreg lagret ved romtemperatur og batteridrevet herdingsutstyr. #Insidemanproduksjon #infrastruktur
UV-kurerbar prepreg-lappreparasjon Selv om karbonfiber/epoksy-prepreg-reparasjon utviklet av Custom Technologies LLC for infield Composite Bridge viste seg å være enkel og rask, har bruken av glassfiberforsterket UV-kurerbar vinylesterpiks 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. Sammensatte strukturer blir studert for å redusere vekten av slike broer, og dermed redusere belastningen på transportkjøretøyer og lanseringsmekanismer. Sammenlignet med metallbroer har sammensatte materialer også potensial til å øke bærende kapasitet 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 karbonfiber-forsterkede epoksy-laminater (figur 1). ) Design og konstruksjon). Evnen til å reparere slike strukturer i feltet har imidlertid vært et problem som hindrer adopsjonen av sammensatte materialer.
Figur 1 Composite Bridge, Key Infield Asset Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) ble designet og konstruert av Seemann Composites LLC og Materials Sciences LLC ved bruk av karbonfiberarmerte epoksyharpikskompositter. Bildekilde: Seeman Composites LLC (til venstre) og den amerikanske hæren (til høyre).
I 2016 mottok Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) en amerikansk hærfinansiert småbedriftsinnovasjonsforskning (SBIR) fase 1-bevilgning for å utvikle en reparasjonsmetode som med hell kan utføres på stedet av soldater. Basert på denne tilnærmingen ble den andre fasen av SBIR-tilskuddet tildelt i 2018 for å vise frem nye materialer og batteridrevet utstyr, selv om lappen utføres av en nybegynner uten forhåndsopplæring, kan 90% eller mer av strukturen gjenopprettes rå styrke. Muligheten av teknologien bestemmes ved å utføre en serie analyse, materialvalg, prøveproduksjon og mekaniske testoppgaver, samt småskala og fullskala reparasjoner.
Hovedforskeren i de to SBIR -fasene er Michael Bergen, grunnleggeren og presidenten for Custom Technologies LLC. Bergen trakk seg fra Carderock fra Naval Surface Warfare Center (NSWC) og tjenestegjorde i strukturen og materialavdelingen i 27 år, hvor han styrte utviklingen og anvendelsen av sammensatte teknologier i den amerikanske marinens flåte. Dr. Roger Crane begynte i Custom Technologies i 2015 etter å ha trukket seg fra den amerikanske marinen i 2011 og har tjent i 32 år. Hans sammensatte materialkompetanse 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 sammensatte materialer for å reparere sprekkene i aluminiumsoverbygningen til Ticonderoga CG-47-klassestyret missilcruiser 5456. “Prosessen ble utviklet for å redusere veksten av sprekker og for å tjene som et økonomisk alternativ til utskifting av et plattformtavle på 2 til 4 millioner dollar, ”sa Bergen. Så vi beviste at vi vet hvordan vi skal utføre reparasjoner utenfor laboratoriet og i et reelt servicemiljø. Men utfordringen er at dagens militære eiendelsmetoder ikke er veldig vellykkede. Alternativet er bundet dupleksreparasjon [i utgangspunktet i skadede områder lim et brett til toppen] eller fjerne eiendelen fra tjenesten for reparasjoner av lagernivå (D-nivå). Fordi reparasjoner av D-nivå er påkrevd, blir det lagt mange eiendeler til side. ”
Han fortsatte med å si at det som trengs er en metode som kan utføres av soldater uten erfaring med sammensatte materialer, ved å bruke bare sett og vedlikeholdshåndbøker. Målet vårt er å gjøre prosessen enkel: Les håndboken, evaluere skaden og utføre reparasjoner. Vi ønsker ikke å blande flytende harpikser, da dette krever presis måling for å sikre fullstendig kur. 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 tilpassede teknologier med suksess demonstrerte er et bærbart sett som bruker et herdet epoksylim for å tilpasse det lim komposittlappen i henhold til skadens størrelse (opptil 12 kvadratmeter). Demonstrasjonen ble fullført på et sammensatt materiale som representerer et 3-tommers tykt AMCB-dekk. Det sammensatte materialet har en 3 -tommers tykt balsakjerne (15 pund per kubikk fot tetthet) og to lag vektor (Phoenix, Arizona, US) C -LT 1100 karbonfiber 0 °/90 ° biaxial sydd stoff, ett lag med C-TLX 1900 karbonfiber 0 °/+45 °/-45 ° tre sjakter 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 multi-akse, slik at stoffretningen ikke vil være et problem," sa Crane.
Neste utgave er harpiksmatrisen som brukes til laminatreparasjon. For å unngå å blande flytende harpiks, vil lappen bruke prepreg. "Imidlertid er disse utfordringene lagring," forklarte Bergen. For å utvikle en lagringsbar lappløsning har Custom Technologies inngått et samarbeid med Sunrez Corp. (El Cajon, California, USA) for å utvikle en glassfiber/vinylester prepreg som kan bruke ultrafiolett lys (UV) i seks minutters lys herding. Det samarbeidet også med Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), som antydet bruken av en ny fleksibel epoksyfilm.
Tidlige studier har vist at epoksyharpiks er den mest egnede harpiksen for karbonfiber prepregs-UV-herdbar vinylester og gjennomskinnelig glassfiber fungerer godt, men ikke kurerer under lysblokkerende karbonfiber. Basert på Gougeon Brothers 'nye film, blir den endelige epoksy prepreg kurert i 1 time ved 210 ° F/99 ° C og har en lang holdbarhet ved romtemperatur-ingen behov for lagring av lav temperatur. Bergen sa at hvis en høyere glassovergangstemperatur (TG) er nødvendig, vil harpiksen også bli kurert ved en høyere temperatur, for eksempel 350 ° F/177 ° C. Begge prepregene er levert i et bærbart reparasjonssett som en bunke med prepreg -lapper forseglet i en plastfilmkonvolutt.
Siden reparasjonssettet kan lagres i lang tid, er det nødvendig med tilpassede teknologier for å gjennomføre en holdbarhetsstudie. "Vi kjøpte fire hardeplastkapslinger - en typisk militær type som ble brukt i transportutstyr - og satte prøver av epoksy lim og vinylester prepreg inn 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 flyplass, utendørs anlegget i Yucca Valley (California Desert) og det utendørs korrosjonstestingslaboratoriet i Sør -Florida. Alle tilfeller har dataloggere, påpeker Bergen, “Vi tar data og materialprøver for evaluering hver tredje måned. Den maksimale temperaturen som er registrert i boksene i Florida og California er 140 ° F, noe som er bra for de fleste restaureringsharpikser. Det er en virkelig utfordring. ” I tillegg testet Gougeon Brothers internt den nyutviklede rene epoksyharpiksen. "Prøver som har blitt plassert i en ovn ved 120 ° F i flere måneder begynner å polymerisere," sa Bergen. "For de tilsvarende prøvene holdt ved 110 ° F, forbedret harpikskjemien bare med en liten mengde."
Reparasjonen ble bekreftet på testtavlen og denne skalamodellen til AMCB, som brukte det samme laminatet og kjernematerialet som den opprinnelige 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 opprinnelig småskala 4 x 48-tommers bjelker og fire-punkts 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 biaxial stresstilstand for å forårsake svikt og deretter evaluert reparasjonsytelsen. I den andre fasen fullførte vi også AMCB -modellen vi bygde vedlikehold. ”
Bergen sa at testpanelet som ble brukt for å bevise at reparasjonsytelsen ble produsert ved hjelp av samme avstamning av laminater og kjernematerialer som AMCB produsert av Seemann Composites, “men vi reduserte paneldykkelsen fra 0,375 tommer til 0,175 tommer, basert på parallellaksen . Dette er tilfelle. Metoden, sammen med tilleggselementene i strålteori og klassisk laminatteori [CLT], ble brukt til å koble treghetsmomentet og effektiv stivhet i fullskala AMCB med et demoprodukt med mindre størrelse som er lettere å håndtere og mer kostnadseffektiv. Deretter ble vi den endelige elementanalysen [FEA] -modellen utviklet av Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) brukt til å forbedre utformingen av strukturreparasjoner. ” Karbonfiberstoffet som ble brukt til testpanelene og AMCB -modellen ble kjøpt fra VectorPly, og Balsa -kjernen ble laget av Core Composites (Bristol, RI, USA) gitt.
Trinn 1. Dette testpanelet viser en 3 tommers hulldiameter for å simulere skader merket i midten og reparere omkretsen. Fotokilde for alle trinn: Custom Technologies LLC.
Trinn 2. Bruk en batteridrevet manuell kvern for å fjerne det skadede materialet og omslutte reparasjonslappen med en tap på 12: 1.
"Vi ønsker å simulere en høyere grad av skade på testtavlen enn det som kan sees på brodekket i feltet," forklarte Bergen. “Så metoden vår er å bruke et hullsag for å lage et hull på 3-tommers diameter. Deretter trekker vi ut pluggen til det skadede materialet og bruker en håndholdt pneumatisk kvern for å behandle et 12: 1-skjerf. ”
Crane forklarte at for karbonfiber/epoksyreparasjon, når det "skadede" panelmaterialet er fjernet og et passende skjerf påføres, vil prepregen bli kuttet til bredde og lengde for å matche avsmalningen av det skadede området. “For testpanelet vårt krever dette fire lag med prepreg for å holde reparasjonsmaterialet i samsvar med toppen av det originale uskadede karbonpanelet. Etter det er de tre dekkende lagene med karbon/epoksy prepreg konsentrert om dette på den reparerte delen. Hvert påfølgende lag strekker seg 1 tomme på alle sider av det nedre laget, som gir en gradvis belastningsoverføring fra det "gode" omkringliggende materialet til det reparerte området. " Den totale tiden for å utføre dette reparasjons-inkludert reparasjonsområdeforberedelse, kutte og plassere restaureringsmaterialet og bruke herdingsprosedyren omtrent 2,5 timer.
For karbonfiber/epoksy prepreg er reparasjonsområdet vakuumpakket og herdet ved 210 ° F/99 ° C i en time ved hjelp av en batteridrevet termisk bonder.
Selv om karbon/epoksyreparasjon er enkelt og raskt, anerkjente teamet behovet for en mer praktisk løsning for å gjenopprette ytelsen. Dette førte til utforskning av ultrafiolett (UV) herding prepregs. "Interessen for Sunrez Vinyl Ester harpikser er basert på tidligere marinerfaring med selskapets grunnlegger Mark Livesay," forklarte Bergen. ”Vi ga Sunrez først et kvasi-isotropisk glassstoff, ved å bruke deres vinylesterpreeg, og evaluerte herdekurven under forskjellige forhold. I tillegg, fordi vi vet at vinylesterharpiks ikke er som epoksyharpiks som gir passende sekundær adhesjonsytelse, så er det nødvendig med ytterligere innsats for å evaluere forskjellige limkoblingsmidler og bestemme hvilken som er egnet for applikasjonen. ”
Et annet problem er at glassfibre 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. "Årsaken til at bare et ekstra lag er nødvendig er at glassmaterialet er et tyngre stoff." Dette produserer en passende lapp som kan påføres og kombineres i løpet av seks minutter selv ved veldig kald/frysende infield -temperaturer. Herding uten å skaffe varme. Crane påpekte at dette reparasjonsarbeidet kan fullføres i løpet av en time.
Begge patch -systemene er demonstrert og testet. For hver reparasjon er området som skal skades merket (trinn 1), opprettet med en hullsag, og deretter fjernet ved hjelp av en batteridrevet manuell kvern (trinn 2). Skjær deretter det reparerte området i en tap på 12: 1. Rengjør overflaten på skjerfet med en alkoholpute (trinn 3). Deretter kutt reparasjonsplasteret til en viss størrelse, legg den på den rensede overflaten (trinn 4) og konsolidere den med en rull for å fjerne luftbobler. For glassfiber/UV-Curing Vinyl Ester Prepreg, legg deretter frigjøringslaget på det reparerte området og kurer lappen med en trådløs UV-lampe i seks minutter (trinn 5). For karbonfiber/epoksy prepreg, bruk en forhåndsprogrammert, en-knapps, batteridrevet termisk bonder for å vakuumpakke og kurere det reparerte området ved 210 ° F/99 ° C i en time.
Trinn 5. Etter å ha plassert skrellaget på det reparerte området, bruk en trådløs UV -lampe for å kurere lappen i 6 minutter.
"Da gjennomførte vi tester for å evaluere limet til lappen og dens evne til å gjenopprette den bærende kapasiteten til strukturen," sa Bergen. "I den første fasen må vi bevise enkel anvendelse og muligheten til å gjenopprette minst 75% av styrken. Dette gjøres ved fire-punkts bøying på en 4 x 48 tommers karbonfiber/epoksyharpiks og balsa kjernebjelke etter å ha reparert den simulerte skaden. Ja. Den andre fasen av prosjektet brukte et 12 x 48 tommers panel, og må ha mer enn 90% styrkekrav under komplekse belastninger. Vi oppfylte alle disse kravene, og fotograferte deretter reparasjonsmetodene på AMCB -modellen. Hvordan bruke infield -teknologi 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 ide: ”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 hjelp av settet og manualen vi oppga, brukte hun lappen og fullførte reparasjonen uten problemer. ”
Figur 2 Den batteridrevne herdende forhåndsprogrammerte, batteridrevne termiske bindingsmaskinen kan kurere karbonfiber/epoksyreparasjonsoppdatering ved trykk på en knapp, uten behov for reparasjonskunnskap eller kurmering av curing syklus. Bildekilde: Custom Technologies, LLC
En annen nøkkelutvikling er det batteridrevne herdesystemet (figur 2). "Gjennom vedlikehold av infield har du bare batterikraft," påpekte Bergen. "Alt prosessutstyret i reparasjonssettet vi utviklet er trådløst." Dette inkluderer batteridrevet termisk binding utviklet i fellesskap av tilpassede teknologier og leverandør av termisk bindingsmaskin Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). "Denne batteridrevne termiske bonderen er forhåndsprogrammert for å fullføre herding, så nybegynnere trenger ikke å programmere herdesyklusen," sa Crane. "De trenger bare å trykke på en knapp for å fullføre riktig rampe og suge." Batteriene som er i bruk kan vare i et år før de må lades opp.
Med gjennomføringen av den andre fasen av prosjektet, forbereder Custom Technologies oppfølgingsforbedringsforslag og samler inn interessebrev og støtte. "Målet vårt 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 grundig forståelse av ny fibervitenskap og fremtidig utvikling.
Kommer snart og flyr for første gang, er 787 avhengig av innovasjoner i sammensatte materialer og prosesser for å oppnå sine mål
Post Time: SEP-02-2021