Det bærbare sæt kan repareres med UV-hærdende glasfiber/vinylester eller kulfiber/epoxy prepreg, der opbevares ved stuetemperatur, og batteridrevet hærdningsudstyr. #insidemanufacturing #infrastruktur
UV-hærdende prepreg-reparation Selvom reparationen af kulfiber/epoxy-prepreg, der er udviklet af Custom Technologies LLC til infield-kompositbroen, viste sig at være enkel og hurtig, har brugen af glasfiberforstærket UV-hærdende vinylesterharpiks-prepreg udviklet et mere bekvemt system. Billedkilde: Custom Technologies LLC
Modulære, udfoldelige broer er kritiske aktiver til militære taktiske operationer og logistik, samt til genoprettelse af transportinfrastruktur under naturkatastrofer. Kompositkonstruktioner undersøges for at reducere vægten af sådanne broer og dermed reducere belastningen på transportkøretøjer og bjærgningsmekanismer. Sammenlignet med metalbroer har kompositmaterialer også potentiale til at øge bæreevnen og forlænge levetiden.
Den avancerede modulære kompositbro (AMCB) er et eksempel. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) og Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) bruger kulfiberforstærkede epoxylaminater (Figur 1). (Design og konstruktion). Muligheden for at reparere sådanne strukturer i felten har dog været et problem, der hæmmer anvendelsen af kompositmaterialer.
Figur 1 Kompositbro, et vigtigt aktiv i felten. Den avancerede modulære kompositbro (AMCB) blev designet og konstrueret af Seemann Composites LLC og Materials Sciences LLC ved hjælp af kulfiberforstærkede epoxyharpikskompositter. Billedkilde: Seeman Composites LLC (venstre) og den amerikanske hær (højre).
I 2016 modtog Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) en fase 1-bevilling til Small Business Innovation Research (SBIR) finansieret af den amerikanske hær til at udvikle en reparationsmetode, der med succes kan udføres på stedet af soldater. Baseret på denne tilgang blev anden fase af SBIR-bevillingen tildelt i 2018 for at fremvise nye materialer og batteridrevet udstyr, hvor selv hvis reparationen udføres af en novice uden forudgående træning, kan 90 % eller mere af strukturen gendannes. Teknologiens gennemførlighed bestemmes ved at udføre en række analyser, materialevalg, fremstilling af prøver og mekaniske testopgaver samt reparationer i både lille og fuld skala.
Hovedforskeren i de to SBIR-faser er Michael Bergen, grundlægger og præsident for Custom Technologies LLC. Bergen gik på pension fra Carderock ved Naval Surface Warfare Center (NSWC) og tjente i Structures and Materials Department i 27 år, hvor han ledede udviklingen og anvendelsen af kompositteknologier i den amerikanske flåde. Dr. Roger Crane kom til Custom Technologies i 2015 efter at have gået på pension fra den amerikanske flåde i 2011, og har tjent i 32 år. Hans ekspertise inden for kompositmaterialer omfatter tekniske publikationer og patenter, der dækker emner som nye kompositmaterialer, prototypefremstilling, forbindelsesmetoder, multifunktionelle kompositmaterialer, overvågning af strukturel sundhed og restaurering af kompositmaterialer.
De to eksperter har udviklet en unik proces, der bruger kompositmaterialer til at reparere revnerne i aluminiumsoverbygningen på Ticonderoga CG-47-klassen guidede missilkrydseren 5456. "Processen blev udviklet for at reducere væksten af revner og for at tjene som et økonomisk alternativ til udskiftning af en platformplade til 2 til 4 millioner dollars," sagde Bergen. "Så vi beviste, at vi ved, hvordan man udfører reparationer uden for laboratoriet og i et reelt servicemiljø. Men udfordringen er, at de nuværende militære aktiver ikke er særlig succesfulde. Muligheden er bonded duplex reparation [dybest set i beskadigede områder lim en plade til toppen] eller fjerne aktivet fra drift til reparationer på lagerniveau (D-niveau). Fordi reparationer på D-niveau er nødvendige, sættes mange aktiver til side."
Han fortsatte med at sige, at det, der er behov for, er en metode, der kan udføres af soldater uden erfaring med kompositmaterialer, kun ved hjælp af sæt og vedligeholdelsesmanualer. Vores mål er at gøre processen enkel: læs manualen, vurder skaden og udfør reparationer. Vi ønsker ikke at blande flydende harpikser, da dette kræver præcis måling for at sikre fuldstændig hærdning. Vi har også brug for et system uden farligt affald efter reparationerne er udført. Og det skal pakkes som et sæt, der kan implementeres af det eksisterende netværk.
En løsning, som Custom Technologies med succes har demonstreret, er et bærbart kit, der bruger et hærdet epoxyklæbemiddel til at tilpasse den klæbende kompositlap i henhold til skadens størrelse (op til 30,5 cm). Demonstrationen blev udført på et kompositmateriale, der repræsenterer et 7,5 cm tykt AMCB-dæk. Kompositmaterialet har en 7,5 cm tyk kerne af balsatræ (densitet 7,5 kg pr. kubikfod) og to lag Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C-LT 1100 kulfiber 0°/90° biaxialt syet stof, et lag C-TLX 1900 kulfiber 0°/+45°/-45° tre aksler og to lag C-LT 1100, i alt fem lag. "Vi besluttede, at kittet skulle bruge præfabrikerede lapper i et kvasi-isotropisk laminat, der ligner et multiakse, så stoffets retning ikke ville være et problem," sagde Crane.
Det næste problem er harpiksmatrixen, der bruges til reparation af laminat. For at undgå blanding af flydende harpiks vil lappen bruge prepreg. "Disse udfordringer er dog opbevaring," forklarede Bergen. For at udvikle en opbevaringsvenlig lappeløsning har Custom Technologies indgået et partnerskab med Sunrez Corp. (El Cajon, Californien, USA) for at udvikle en glasfiber/vinylester prepreg, der kan bruge ultraviolet lys (UV) på seks minutter med lyshærdning. De samarbejdede også med Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), som foreslog brugen af en ny fleksibel epoxyfilm.
Tidlige undersøgelser har vist, at epoxyharpiks er den mest egnede harpiks til kulfiber-prepregs - UV-hærdende vinylester og gennemskinnelig glasfiber fungerer godt, men hærder ikke under lysblokerende kulfiber. Baseret på Gougeon Brothers' nye film hærdes den færdige epoxy-prepreg i 1 time ved 99 °C og har en lang holdbarhed ved stuetemperatur - intet behov for opbevaring ved lav temperatur. Bergen sagde, at hvis en højere glasovergangstemperatur (Tg) er påkrævet, vil harpiksen også blive hærdet ved en højere temperatur, f.eks. 177 °C. Begge prepregs leveres i et bærbart reparationssæt som en stak prepreg-plaster forseglet i en plastikfilmkuvert.
Da reparationssættet kan opbevares i lang tid, er Custom Technologies forpligtet til at udføre en holdbarhedsundersøgelse. "Vi købte fire hårde plastikkabinetter - en typisk militærtype, der bruges i transportudstyr - og lagde prøver af epoxylim og vinylester-prepreg i hvert kabinet," sagde Bergen. Kasserne blev derefter placeret på fire forskellige steder til testning: taget af Gougeon Brothers' fabrik i Michigan, taget af Maryland lufthavn, udendørsfaciliteterne i Yucca Valley (Californiens ørken) og det udendørs korrosionstestlaboratorium i det sydlige Florida. Alle kasser har dataloggere, påpeger Bergen. "Vi tager data- og materialeprøver til evaluering hver tredje måned. Den maksimale temperatur, der registreres i kasserne i Florida og Californien, er 140°F, hvilket er godt for de fleste restaureringsharpikser. Det er en reel udfordring." Derudover testede Gougeon Brothers internt den nyudviklede rene epoxyharpiks. "Prøver, der har været placeret i en ovn ved 120°F i flere måneder, begynder at polymerisere," sagde Bergen. "For de tilsvarende prøver, der blev opbevaret ved 49 °C, blev harpikskemien dog kun forbedret med en lille smule."
Reparationen blev verificeret på testbrættet og denne skalamodel af AMCB, som brugte det samme laminat og kernemateriale som den originale bro bygget af Seemann Composites. Billedkilde: Custom Technologies LLC
For at demonstrere reparationsteknikken skal et repræsentativt laminat fremstilles, beskadiges og repareres. "I projektets første fase brugte vi i første omgang småskala 4 x 48-tommer bjælker og firepunkts bøjningstests til at evaluere gennemførligheden af vores reparationsproces," sagde Klein. "Derefter gik vi over til 12 x 48 tommer paneler i projektets anden fase, påførte belastninger for at generere en biaxial spændingstilstand, der forårsagede svigt, og evaluerede derefter reparationsydelsen. I anden fase færdiggjorde vi også den AMCB-model, vi byggede til vedligeholdelse."
Bergen sagde, at testpanelet, der blev brugt til at bevise reparationsydelsen, blev fremstillet ved hjælp af den samme linje af laminater og kernematerialer som AMCB fremstillet af Seemann Composites, "men vi reducerede paneltykkelsen fra 0,375 tommer til 0,175 tommer baseret på parallelaksesætningen. Dette er tilfældet. Metoden, sammen med de yderligere elementer fra bjælketeori og klassisk laminatteori [CLT], blev brugt til at forbinde inertimomentet og den effektive stivhed af den fuldskala AMCB med et demoprodukt i mindre størrelse, der er lettere at håndtere og mere omkostningseffektivt. Derefter leverede vi Finite Element Analysis-modellen [FEA] udviklet af XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) blev brugt til at forbedre designet af strukturelle reparationer." Kulfiberstoffet, der blev brugt til testpanelerne og AMCB-modellen, blev købt fra Vectorply, og balsakernen blev lavet af Core Composites (Bristol, RI, USA).
Trin 1. Dette testpanel viser et hul med en diameter på 7,6 cm for at simulere en skade markeret i midten og reparere omkredsen. Fotokilde for alle trin: Custom Technologies LLC.
Trin 2. Brug en batteridrevet manuel sliber til at fjerne det beskadigede materiale, og indkapsl reparationslappen med en 12:1-konus.
"Vi ønsker at simulere en højere grad af skade på testbrættet, end man kan se på brodækket i felten," forklarede Bergen. "Så vores metode er at bruge en hulsav til at lave et hul med en diameter på 7,5 cm. Derefter trækker vi proppen ud af det beskadigede materiale og bruger en håndholdt pneumatisk sliber til at bearbejde et 12:1-tørklæde."
Crane forklarede, at når det "beskadigede" panelmateriale er fjernet, og et passende tørklæde er påført, vil prepreg'en blive skåret i bredde og længde, så den matcher tilspidsningen af det beskadigede område. "Til vores testpanel kræver dette fire lag prepreg for at holde reparationsmaterialet i overensstemmelse med toppen af det originale, ubeskadigede kulfiberpanel. Derefter koncentreres de tre dækkende lag af kulfiber/epoxy-prepreg på den reparerede del. Hvert efterfølgende lag strækker sig 2,5 tomme på alle sider af det nederste lag, hvilket giver en gradvis lastoverførsel fra det "gode" omgivende materiale til det reparerede område." Den samlede tid til at udføre denne reparation - inklusive forberedelse af reparationsområdet, skæring og placering af restaureringsmaterialet og anvendelse af hærdningsproceduren - tager cirka 2,5 timer.
For kulfiber/epoxy-prepreg vakuumpakkes reparationsområdet og hærdes ved 99 °C i en time med en batteridrevet termisk bonder.
Selvom reparation af kulstof/epoxy er enkel og hurtig, erkendte teamet behovet for en mere bekvem løsning til at genoprette ydeevnen. Dette førte til udforskningen af ultraviolette (UV) hærdende prepregs. "Interessen for Sunrez vinylesterharpikser er baseret på tidligere flådeerfaring med virksomhedens grundlægger Mark Livesay," forklarede Bergen. "Vi forsynede først Sunrez med et kvasi-isotropisk glasstof ved hjælp af deres vinylesterprepreg og evaluerede hærdningskurven under forskellige forhold. Derudover, fordi vi ved, at vinylesterharpiks ikke er som epoxyharpiks, giver passende sekundær vedhæftningsevne, kræves der en yderligere indsats for at evaluere forskellige klæbelagskoblingsmidler og bestemme, hvilket et der er egnet til anvendelsen."
Et andet problem er, at glasfibre ikke kan give de samme mekaniske egenskaber som kulfibre. "Sammenlignet med kulstof/epoxy-plaster løses dette problem ved at bruge et ekstra lag glas/vinylester," sagde Crane. "Grunden til, at kun ét ekstra lag er nødvendigt, er, at glasmaterialet er et tungere stof." Dette producerer et passende plaster, der kan påføres og kombineres inden for seks minutter, selv ved meget kolde/frysende temperaturer i marken. Hærdning uden at tilføre varme. Crane påpegede, at dette reparationsarbejde kan udføres inden for en time.
Begge patch-systemer er blevet demonstreret og testet. For hver reparation markeres det område, der skal beskadiges (trin 1), laves med en hulsav og fjernes derefter ved hjælp af en batteridrevet manuel sliber (trin 2). Skær derefter det reparerede område i en 12:1 konisk linje. Rengør overfladen af tørklædet med en alkoholserviet (trin 3). Skær derefter reparationslappen til en bestemt størrelse, placer den på den rengjorte overflade (trin 4) og konsolider den med en rulle for at fjerne luftbobler. For glasfiber/UV-hærdende vinylester prepreg skal du derefter placere sliplaget på det reparerede område og hærde lappen med en ledningsfri UV-lampe i seks minutter (trin 5). For kulfiber/epoxy prepreg skal du bruge en forprogrammeret, batteridrevet termisk bonder med én knap til at vakuumpakke og hærde det reparerede område ved 99 °C i en time.
Trin 5. Efter at have påført det afskalende lag på det reparerede område, skal du bruge en ledningsfri UV-lampe til at hærde lappen i 6 minutter.
"Derefter udførte vi tests for at evaluere lappens klæbeevne og dens evne til at genoprette strukturens bæreevne," sagde Bergen. "I første fase skal vi bevise, at det er nemt at påføre, og at det er muligt at genvinde mindst 75 % af styrken. Dette gøres ved firepunktsbøjning på en 4 x 48 tommer stor kulfiber/epoxyharpiks- og balsakernebjælke efter reparation af den simulerede skade. Ja. Projektets anden fase brugte et 12 x 48 tommer panel, og panelet skal opfylde mere end 90 % styrkekrav under komplekse tøjningsbelastninger. Vi opfyldte alle disse krav og fotograferede derefter reparationsmetoderne på AMCB-modellen. Sådan bruger du teknologi og udstyr i marken til at give en visuel reference."
Et centralt aspekt af projektet er at bevise, at nybegyndere nemt kan udføre reparationen. Af denne grund fik Bergen en idé: "Jeg har lovet at demonstrere for vores to tekniske kontakter i hæren: Dr. Bernard Sia og Ashley Genna. I den endelige gennemgang af projektets første fase bad jeg om, at der ikke skulle udføres reparationer. Den erfarne Ashley udførte reparationen. Ved hjælp af det sæt og den manual, vi leverede, påsatte hun lappen og fuldførte reparationen uden problemer."
Figur 2 Den batteridrevne, forprogrammerede, batteridrevne termiske bindingsmaskine kan hærde reparationslapperne af kulfiber/epoxy med et tryk på en knap uden behov for reparationskendskab eller programmering af hærdningscyklusser. Billedkilde: Custom Technologies, LLC
En anden vigtig udvikling er det batteridrevne hærdningssystem (figur 2). "Gennem vedligeholdelse i marken har du kun batteristrøm," påpegede Bergen. "Alt procesudstyret i det reparationssæt, vi har udviklet, er trådløst." Dette inkluderer batteridrevet termisk binding, der er udviklet i fællesskab af Custom Technologies og leverandøren af termiske bindingsmaskiner, WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). "Denne batteridrevne termiske bindingsmaskine er forprogrammeret til at fuldføre hærdning, så nybegyndere behøver ikke at programmere hærdningscyklussen," sagde Crane. "De skal bare trykke på en knap for at fuldføre den korrekte rampe og iblødsætning." De batterier, der er i brug i øjeblikket, kan holde i et år, før de skal genoplades.
Med afslutningen af projektets anden fase forbereder Custom Technologies opfølgende forbedringsforslag og indsamler interesse- og støttebreve. "Vores mål er at modne denne teknologi til TRL 8 og bringe den ud i felten," sagde Bergen. "Vi ser også potentialet for ikke-militære anvendelser."
Forklarer den gamle kunst bag branchens første fiberforstærkning og har en dybdegående forståelse af ny fibervidenskab og fremtidig udvikling.
787 kommer snart og flyver for første gang, og bruger innovationer inden for kompositmaterialer og -processer for at nå sine mål.
Opslagstidspunkt: 2. september 2021