produkt

Brukervennlig sett muliggjør reparasjon av komposittkonstruksjoner på stedet | World of Composites

Det bærbare settet kan repareres med UV-herdende glassfiber/vinylester eller karbonfiber/epoksy-prepreg som oppbevares ved romtemperatur og batteridrevet herdeutstyr. #inneiproduksjon #infrastruktur
Reparasjon av UV-herdende prepreg-lapper Selv om reparasjonen av karbonfiber/epoksy-prepreg utviklet av Custom Technologies LLC for komposittbroen i felten viste seg å være enkel og rask, har bruken av glassfiberforsterket UV-herdende vinylesterharpiks-prepreg utviklet et mer praktisk system. Bildekilde: Custom Technologies LLC
Modulære utplasserbare broer er kritiske ressurser 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 oppskytnings- og bergingsmekanismer. Sammenlignet med metallbroer har komposittmaterialer også potensial til å øke bæreevnen og forlenge levetiden.
Den avanserte modulære komposittbroen (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). Muligheten til å reparere slike konstruksjoner i felten har imidlertid vært et problem som hindrer bruken av komposittmaterialer.
Figur 1 Komposittbro, viktig ressurs i felten. Den avanserte modulære komposittbroen (AMCB) ble designet og konstruert av Seemann Composites LLC og Materials Sciences LLC ved bruk av karbonfiberforsterkede epoksyharpikskompositter. Bildekilde: Seeman Composites LLC (venstre) og den amerikanske hæren (høyre).
I 2016 mottok Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) et fase 1-stipend fra Small Business Innovation Research (SBIR) finansiert av den amerikanske hæren for å utvikle en reparasjonsmetode som kan utføres på stedet av soldater. Basert på denne tilnærmingen ble den andre fasen av SBIR-stipendet tildelt i 2018 for å vise frem nye materialer og batteridrevet utstyr. Selv om reparasjonen utføres av en nybegynner uten forutgående opplæring, kan 90 % eller mer av strukturen gjenopprettes råstyrke. Teknologiens gjennomførbarhet bestemmes ved å utføre en serie analyser, materialvalg, prøveproduksjon og mekaniske testoppgaver, samt reparasjoner i liten og full skala.
Hovedforskeren i de to SBIR-fasene er Michael Bergen, grunnlegger og president i Custom Technologies LLC. Bergen pensjonerte seg fra Carderock ved Naval Surface Warfare Center (NSWC) og tjenestegjorde i avdelingen for strukturer og materialer 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 pensjonert seg fra den amerikanske marinen i 2011, og har tjenestegjort i 32 år. Hans ekspertise innen komposittmaterialer inkluderer tekniske publikasjoner og patenter, som dekker emner som nye komposittmaterialer, prototypeproduksjon, tilkoblingsmetoder, multifunksjonelle komposittmaterialer, strukturell helseovervåking og restaurering av komposittmaterialer.
De to ekspertene har utviklet en unik prosess som bruker komposittmaterialer for å reparere sprekker i aluminiumsoverbygningen til Ticonderoga CG-47-klassen styrte missilkrysser 5456. «Prosessen ble utviklet for å redusere sprekkvekst og for å tjene som et økonomisk alternativ til utskifting av et plattformbrett til 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 nåværende metoder for militære eiendeler ikke er særlig vellykkede. Alternativet er limt dupleksreparasjon [i utgangspunktet i skadede områder å lime et brett til toppen] eller ta eiendelen ut av tjeneste for reparasjoner på lagernivå (D-nivå). Fordi reparasjoner på D-nivå er nødvendige, settes mange eiendeler 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. Målet vårt er å gjøre prosessen enkel: les manualen, vurder skaden og utfør reparasjoner. Vi ønsker ikke å blande flytende harpikser, da dette krever presis måling for å sikre fullstendig herding. Vi trenger også et system uten farlig avfall etter at reparasjonene 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 utført på et komposittmateriale som representerer et 3-tommers tykt AMCB-dekk. Komposittmaterialet har en 3-tommers tykk kjerne av balsatre (tetthet på 15 pund per kubikkfot) og to lag med Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C-LT 1100 karbonfiber 0°/90° biaxial sydd stoff, ett lag med C-TLX 1900 karbonfiber 0°/+45°/-45° tre aksler og to lag med C-LT 1100, totalt fem lag. «Vi bestemte oss for at settet skulle bruke prefabrikkerte lapper i et kvasi-isotropisk laminat som ligner på et flerakset laminat, slik at stoffretningen ikke vil være et problem», sa Crane.
Det neste problemet er harpiksmatrisen som brukes til reparasjon av laminat. For å unngå blanding av flytende harpiks, vil lappen bruke prepreg. «Disse utfordringene er imidlertid lagring», forklarte Bergen. For å utvikle en lagringsbar lappeløsning 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) på seks minutter med lysherding. De 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 passende harpiksen for karbonfiber-prepregs – UV-herdbar vinylester og gjennomskinnelig glassfiber fungerer bra, men herder ikke under lysblokkerende karbonfiber. Basert på Gougeon Brothers' nye film herdes den ferdige epoksy-prepregen i 1 time ved 99 °C og har lang holdbarhet ved romtemperatur – ikke behov for lagring ved lav temperatur. Bergen sa at hvis en høyere glassovergangstemperatur (Tg) er nødvendig, vil harpiksen også herdes ved en høyere temperatur, for eksempel 177 °C. Begge prepregene leveres i et bærbart reparasjonssett som en stabel med prepreg-lapper forseglet i en plastfilmkonvolutt.
Siden reparasjonssettet kan lagres over lengre tid, er Custom Technologies pålagt å gjennomføre en holdbarhetsstudie. «Vi kjøpte fire harde plastkapslinger – en typisk militærtype som brukes i transportutstyr – og la prøver av epoksylim og vinylester-prepreg i hvert kapsling», sa Bergen. Boksene ble deretter plassert på fire forskjellige steder for testing: taket på Gougeon Brothers-fabrikken i Michigan, taket på flyplassen i Maryland, utendørsanlegget i Yucca Valley (California-ørkenen) og det utendørs korrosjonstestlaboratoriet i Sør-Florida. Alle boksene har dataloggere, påpeker Bergen. «Vi tar data- og materialprøver for evaluering hver tredje måned. Maksimumstemperaturen som er 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 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 som ble oppbevart ved 49 °C, ble harpikskjemikaliene imidlertid bare forbedret med en liten mengde.»
Reparasjonen ble bekreftet 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 i utgangspunktet 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 biaxial spenningstilstand som forårsaket svikt, og evaluerte deretter reparasjonsytelsen. I den andre fasen fullførte vi også AMCB-modellen vi bygde for vedlikehold.»
Bergen sa at testpanelet som ble brukt til å bevise reparasjonsytelsen, ble produsert med samme type 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 til å koble treghetsmomentet og den effektive stivheten til fullskala AMCB-en med et demonstrasjonsprodukt i mindre størrelse som er enklere å håndtere og mer kostnadseffektivt. Deretter leverte vi Finite Element Analysis [FEA]-modellen utviklet av XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) ble 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, USA).
Trinn 1. Dette testpanelet viser et hull med en diameter på 7,5 cm for å simulere skade markert i midten og reparere omkretsen. Fotokilde for alle trinn: Custom Technologies LLC.
Trinn 2. Bruk en batteridrevet manuell slipemaskin til å fjerne det skadede materialet og omslutt reparasjonslappen med en 12:1-kon.
«Vi ønsker å simulere en høyere grad av skade på testplaten enn det man kan se på brodekket i felten», forklarte Bergen. «Så metoden vår er å bruke en hullsag til å lage et hull med en diameter på 7,5 cm. Deretter trekker vi ut pluggen i det skadede materialet og bruker en håndholdt pneumatisk slipemaskin til å bearbeide et hull i forholdet 12:1.»
Crane forklarte at for reparasjon av karbonfiber/epoksy, når det «skadede» panelmaterialet er fjernet og et passende skjerf er påført, vil prepregen bli kuttet i bredde og lengde for å matche avsmalningen på det skadede området. «For vårt testpanel krever dette fire lag med prepreg for å holde reparasjonsmaterialet konsistent med toppen av det originale uskadede karbonpanelet. Deretter konsentreres de tre dekklagene med karbon/epoksy-prepreg på den reparerte delen. Hvert påfølgende lag strekker seg 2,5 tomme på alle sider av det nedre laget, noe som gir en gradvis lastoverføring fra det «gode» omkringliggende materialet til det reparerte området.» Den totale tiden for å utføre denne reparasjonen – inkludert forberedelse av reparasjonsområdet, skjæring og plassering av restaureringsmaterialet og påføring av herdingsprosedyren – tar omtrent 2,5 timer.
For karbonfiber/epoksy-prepreg vakuumpakkes reparasjonsområdet og herdes ved 99 °C i én time med en batteridrevet termisk bindemaskin.
Selv om karbon/epoksy-reparasjon er enkelt og raskt, innså teamet behovet for en mer praktisk løsning for å gjenopprette ytelsen. Dette førte til utforskningen av ultrafiolette (UV) herdende prepregs. «Interessen for Sunrez vinylesterharpikser er basert på tidligere marineerfaring med selskapets grunnlegger Mark Livesay», forklarte Bergen. «Vi ga først Sunrez et kvasi-isotropisk glassstoff, ved hjelp av deres vinylester-prepreg, og evaluerte herdekurven under forskjellige forhold. I tillegg, fordi vi vet at vinylesterharpiks ikke er som epoksyharpiks som gir passende sekundær heftytelse, kreves det ytterligere innsats for å evaluere ulike koblingsmidler for klebende lag og bestemme hvilket som er egnet for bruken.»
Et annet problem er at glassfibre ikke kan gi de samme mekaniske egenskapene som karbonfibre. «Sammenlignet med karbon/epoksy-lapper løses dette problemet ved å bruke et ekstra lag med glass/vinylester», sa Crane. «Grunnen til at bare ett 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 svært kalde/frysende temperaturer i felten. Herding uten å tilføre varme. Crane påpekte at dette reparasjonsarbeidet kan fullføres i løpet av en time.
Begge lappesystemene har blitt demonstrert og testet. For hver reparasjon merkes området som skal skades (trinn 1), lages med en hullsag og fjernes deretter med en batteridrevet manuell slipemaskin (trinn 2). Deretter kuttes det reparerte området til en 12:1-kon. Rengjør overflaten på skjerfet med en alkoholserviett (trinn 3). Deretter kuttes reparasjonslappen til en viss størrelse, plasseres den på den rengjorte overflaten (trinn 4) og konsolideres den 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 karbonfiber/epoksy-prepreg, bruk en forhåndsprogrammert, batteridrevet termisk bindemaskin med én knapp for å vakuumpakke og herde det reparerte området ved 99 °C i én time.
Trinn 5. Etter at du har påført det avskallede laget på det reparerte området, bruk en trådløs UV-lampe til å herde lappen i 6 minutter.
«Deretter utførte vi tester for å evaluere lappens heftevne og dens evne til å gjenopprette konstruksjonens bæreevne», sa Bergen. «I den første fasen må vi bevise hvor enkelt det er å påføre og evnen til å gjenopprette minst 75 % av styrken. Dette gjøres ved firepunktsbøying på en 4 x 48 tommers 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 ha mer enn 90 % styrkekrav under komplekse tøyningsbelastninger. Vi oppfylte alle disse kravene, og deretter fotograferte vi reparasjonsmetodene på AMCB-modellen. Hvordan bruke teknologi og utstyr i felten 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. Den erfarne Ashley utførte reparasjonen. Ved hjelp av settet og manualen vi ga, festet hun lappen og fullførte reparasjonen uten problemer.»
Figur 2 Den batteridrevne, forhåndsprogrammerte, batteridrevne termiske bindingsmaskinen kan herde reparasjonslappen for karbonfiber/epoksy med et knappetrykk, uten behov for reparasjonskunnskap eller programmering av herdesyklus. Bildekilde: Custom Technologies, LLC
En annen viktig utvikling er det batteridrevne herdesystemet (figur 2). «Gjennom vedlikehold i felten har du bare batteristrøm», påpekte Bergen. «Alt prosessutstyret i reparasjonssettet vi utviklet er trådløst.» Dette inkluderer batteridrevet termisk binding utviklet i fellesskap av Custom Technologies og leverandøren av termisk bindingsmaskin WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). «Denne batteridrevne termiske bindingsmaskinen er forhåndsprogrammert til å fullføre herding, slik at nybegynnere ikke trenger å programmere herdesyklusen», sa Crane. «De trenger bare å trykke på en knapp for å fullføre riktig rampe og bløtlegging.» Batteriene som er i bruk for tiden, kan vare i et år før de må lades opp.
Etter at den andre fasen av prosjektet er fullført, utarbeider Custom Technologies forslag til oppfølgingsforbedringer og samler inn interessebrev og støttebrev. «Målet vårt er å modne denne teknologien til TRL 8 og bringe den ut i felten», sa Bergen. «Vi ser også potensialet for ikke-militære anvendelser.»
Forklarer den gamle kunsten bak bransjens første fiberforsterkning, og har en inngående forståelse av ny fibervitenskap og fremtidig utvikling.
787 kommer snart og flyr for første gang, og er avhengig av innovasjoner innen komposittmaterialer og -prosesser for å nå sine mål.


Publisert: 02.09.2021