Det bærbare kit kan repareres med UV-hærdelige glasfiber/vinylester eller carbonfiber/epoxy-prepreg opbevaret ved stuetemperatur og batteridrevet hærdningsudstyr. #Insideman -fremstilling #infrastruktur
UV-hærdelig forpreg-patch-reparation Selvom carbonfiber/epoxy-prepreg-reparation udviklet af Custom Technologies LLC til Infield Composite Bridge viste sig at være enkel og hurtig, har brugen af glasfiberforstærket UV-Curable Vinyl Ester Resin Prepreg udviklet et mere praktisk system . Billedkilde: Custom Technologies LLC
Modulære implementerbare broer er kritiske aktiver til militære taktiske operationer og logistik samt restaurering af transportinfrastruktur under naturkatastrofer. Kompositstrukturer undersøges for at reducere vægten af sådanne broer og reducere derved byrden på transportkøretøjer og lanceringsmekanismer. Sammenlignet med metalbroer har sammensatte materialer også potentialet til at øge bærende kapacitet og forlænge levetiden.
Den avancerede modulære sammensatte bro (AMCB) er et eksempel. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) og Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) bruger carbonfiberforstærkede epoxy-laminater (figur 1). ) Design og konstruktion). Imidlertid har evnen til at reparere sådanne strukturer i marken været et problem, der hindrer vedtagelsen af sammensatte materialer.
Figur 1 Composite Bridge, Key Infield Asset Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) blev designet og konstrueret af Seemann Composites LLC og Materials Sciences LLC ved hjælp af carbonfiberforstærket epoxy -harpikskompositter. Billedkilde: Seeman Composites LLC (til venstre) og den amerikanske hær (højre).
I 2016 modtog Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) en amerikansk hærfinansieret Small Business Innovation Research (SBIR) fase 1-tilskud for at udvikle en reparationsmetode, der med succes kan udføres på stedet af soldater. Baseret på denne tilgang blev den anden fase af SBIR-tilskuddet tildelt i 2018 for at fremvise nye materialer og batteridrevet udstyr, selvom plasteret udføres af en novice uden forudgående træning, kan 90% eller mere af strukturen gendannes RAW styrke. Teknologiens gennemførlighed bestemmes ved at udføre en række analyse, materialeudvælgelse, produktionsfremstilling og mekaniske testopgaver samt småskala og fuldskala reparationer.
Den vigtigste forsker i de to SBIR -faser er Michael Bergen, grundlæggeren og præsidenten for Custom Technologies LLC. Bergen trak sig tilbage fra Carderock fra Naval Surface Warfare Center (NSWC) og tjente i strukturer og materialer i 27 år, hvor han administrerede udviklingen og anvendelsen af sammensatte teknologier i den amerikanske flåde. Dr. Roger Crane sluttede sig til brugerdefinerede teknologier i 2015 efter at have trukket sig tilbage fra den amerikanske flåde i 2011 og har tjent i 32 år. Hans sammensatte materialerekspertise inkluderer tekniske publikationer og patenter, der dækker emner såsom nye sammensatte materialer, prototypefremstilling, forbindelsesmetoder, multifunktionelle sammensatte materialer, strukturel sundhedsovervågning og kompositmateriale restaurering.
De to eksperter har udviklet en unik proces, der bruger sammensatte materialer til at reparere revnerne i aluminiumsoverbygningen af Ticonderoga CG-47-klassen guidet missilcruiser 5456. ”Processen blev udviklet for at reducere væksten af revner og til at tjene som et økonomisk alternativ til udskiftning af et platformbestyrelse på 2 til 4 millioner dollars, ”sagde Bergen. ”Så vi beviste, at vi ved, hvordan vi udfører reparationer uden for laboratoriet og i et rigtigt servicemiljø. Men udfordringen er, at de nuværende militære aktivmetoder ikke er særlig succesrige. Valgmuligheden er bundet duplex-reparation [dybest set i beskadigede områder lim et bord til toppen] eller fjern aktivet fra service til reparationer på lager-niveau (D-niveau). Fordi D-niveau reparationer er påkrævet, lægges mange aktiver til side. ”
Han fortsatte med at sige, at det, der er nødvendigt, er en metode, der kan udføres af soldater uden erfaring med sammensatte materialer ved kun at bruge sæt og vedligeholdelsesmanualer. Vores mål er at gøre processen enkel: læse manualen, evaluere skaden og udføre reparationer. Vi ønsker ikke at blande flydende harpikser, da dette kræver præcis måling for at sikre fuldstændig kur. Vi har også brug for et system uden farligt affald, når reparationer er afsluttet. Og det skal pakkes som et sæt, der kan implementeres af det eksisterende netværk. "
En løsning, som brugerdefinerede teknologier med succes demonstrerede, er et bærbart sæt, der bruger et hærdet epoxy -klæbemiddel til at tilpasse klæbemidlet sammensat patch i henhold til størrelsen på skaden (op til 12 kvadrat inches). Demonstrationen blev afsluttet på et sammensat materiale, der repræsenterede et 3-tommer tykt AMCB-dæk. Det sammensatte materiale har en 3 -tommer tyk balsa trækerne (15 pund pr. Kubikfoddensitet) og to lag vektorply (Phoenix, Arizona, USA) C -LT 1100 carbonfiber 0 °/90 ° Biaksialt syet stof, et lag af C-TLX 1900 carbonfiber 0 °/+45 °/-45 ° tre aksler og to lag C-LT 1100, i alt fem lag. ”Vi besluttede, at kittet vil bruge præfabrikerede patches i et kvasi-isotropisk laminat svarende til en multi-akse, så stofretningen ikke vil være et problem,” sagde Crane.
Det næste nummer er den harpiksmatrix, der bruges til laminatreparation. For at undgå at blande flydende harpiks bruger plasteret prepreg. ”Imidlertid er disse udfordringer opbevaring,” forklarede Bergen. For at udvikle en lagerbar patch -løsning har brugerdefinerede teknologier samarbejdet med Sunrez Corp. (El Cajon, Californien, USA) for at udvikle en glasfiber/vinylester -prepreg, der kan bruge ultraviolet lys (UV) på seks minutters lyshærdning. Det samarbejdede også med Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), som antydede brugen af en ny fleksibel epoxyfilm.
Tidlige undersøgelser har vist, at epoxyharpiks er den mest passende harpiks til carbonfiber prepregs-UV-hærdelig vinylester og gennemskinnelig glasfiber fungerer godt, men heles ikke under lysblokerende carbonfiber. Baseret på Gougeon Brothers 'nye film hærdes den sidste epoxy-prepreg i 1 time ved 210 ° F/99 ° C og har en lang holdbarhed ved stuetemperatur-Nej behov for opbevaring af lav temperatur. Bergen sagde, at hvis der kræves en højere glasovergangstemperatur (TG), vil harpiksen også blive helbredet ved en højere temperatur, såsom 350 ° F/177 ° C. Begge prepregs findes i et bærbart reparationssæt som en stak prepreg -patches forseglet i en plastikfilmkonvolut.
Da reparationssættet kan opbevares i lang tid, kræves brugerdefinerede teknologier for at gennemføre en holdbarhedsundersøgelse. ”Vi købte fire hårde plastikindkapslinger - en typisk militær type, der blev brugt i transportudstyr - og satte prøver af epoxy -klæbemiddel og vinylester forpreg i hver kabinet,” sagde Bergen. Kasserne blev derefter placeret på fire forskellige steder til test: taget af Gougeon Brothers Factory i Michigan, taget af Maryland lufthavn, udendørs anlæg i Yucca Valley (California Desert) og det udendørs korrosionstestlaboratorie i det sydlige Florida. Alle sager har dataloggere, Bergen påpeger: ”Vi tager data og materielle prøver til evaluering hver tredje måned. Den maksimale temperatur, der er registreret 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 er placeret i en ovn ved 120 ° F i flere måneder, begynder at polymerisere,” sagde Bergen. ”For de tilsvarende prøver, der blev holdt ved 110 ° F, forbedres harpikskemien kun med et lille beløb.”
Reparationen blev verificeret på testkortet og denne skalamodel af AMCB, der brugte det samme laminat- og kernemateriale som den originale bro bygget af Seemann Composites. Billedkilde: Custom Technologies LLC
For at demonstrere reparationsteknikken skal der fremstilles en repræsentativ laminat, beskadiges og repareres. ”I den første fase af projektet brugte vi oprindeligt små 48-tommers bjælker og fire-punkts bøjningstest for at evaluere gennemførligheden af vores reparationsproces,” sagde Klein. ”Derefter overgik vi til 12 x 48 tommer paneler i den anden fase af projektet, påførte belastninger for at generere en biaxial stresstilstand for at forårsage fiasko og derefter evaluerede reparationsydelsen. I den anden fase afsluttede vi også AMCB -modellen, vi byggede vedligeholdelse. ”
Bergen sagde, at testpanelet, der blev brugt til at bevise, at reparationsydelsen blev fremstillet ved hjælp af den samme afstamning af laminater og kernematerialer som AMCB fremstillet af Seemann Composites, ”men vi reducerede paneltykkelsen fra 0,375 tommer til 0,175 tommer, baseret på den parallelle akse -teorem . Dette er tilfældet. Metoden sammen med de yderligere elementer i bjælketeori og klassisk laminatteori [CLT] blev brugt til at forbinde inerti-øjeblik og effektiv stivhed i fuldskala AMCB med et mindre størrelsesdemo-produkt, der er lettere at håndtere og mere omkostningseffektiv. Derefter blev vi den endelige elementanalyse [FEA] -model udviklet af Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) brugt til at forbedre designet af strukturelle reparationer. ” Carbonfiberstoffet, der blev anvendt til testpanelerne og AMCB -modellen, blev købt fra Vectorply, og BALSA -kernen blev fremstillet af kernekompositter (Bristol, RI, USA) tilvejebragt.
Trin 1. Dette testpanel viser en 3 tommer huldiameter for at simulere skader markeret i midten og reparere omkredsen. Fotokilde til alle trin: Custom Technologies LLC.
Trin 2. Brug en batteridrevet manuel slibemaskine til at fjerne det beskadigede materiale og omslutte reparationspladen med en 12: 1-konisk.
”Vi ønsker at simulere en højere grad af skade på testkortet, end der måske ses på brodækket i marken,” forklarede Bergen. ”Så vores metode er at bruge en hulsav til at fremstille et 3-tommers diameterhul. Derefter trækker vi stikket af det beskadigede materiale ud og bruger en håndholdt pneumatisk kværne til at behandle et 12: 1 tørklæde. ”
Crane forklarede, at for carbonfiber/epoxy -reparation, når det "beskadigede" panelmateriale er fjernet, og et passende tørklæde påføres, vil forpregen blive skåret til bredde og længde for at matche den tilspidsede aftagede område. ”For vores testpanel kræver dette fire lag prepreg for at holde reparationsmaterialet i overensstemmelse med toppen af det originale ubeskadigede kulstofpanel. Derefter koncentreres de tre, der dækker lag af kulstof/epoxy -prepreg, om dette på den reparerede del. Hvert på hinanden følgende lag strækker sig 1 tomme på alle sider af det nedre lag, som giver en gradvis belastningsoverførsel fra det "gode" omgivende materiale til det reparerede område. " Den samlede tid til at udføre dette reparationsområde til reparation af reparationsområde, skæring og placering af restaureringsmaterialet og anvendelse af hærdningsproceduren-tilnærmelsesvis 2,5 timer.
For carbonfiber/epoxy-prepreg er reparationsområdet vakuum pakket og helbredt ved 210 ° F/99 ° C i en time ved hjælp af en batteridrevet termisk bonder.
Selvom Carbon/Epoxy Repair er enkel og hurtig, anerkendte teamet behovet for en mere praktisk løsning til at gendanne ydelsen. Dette førte til udforskning af ultraviolet (UV) hærdning af prepregs. ”Interessen for Sunrez Vinyl Ester -harpikser er baseret på tidligere flådeoplevelse med virksomhedens grundlægger Mark Livesay,” forklarede Bergen. ”Vi forsynede først Sunrez med et kvasi-isotropisk glasstof ved hjælp af deres vinylesterforpreg og evaluerede hærdekurven under forskellige forhold. Fordi vi ved, at vinylesterharpiks ikke er som epoxyharpiks, der giver passende sekundær adhæsionsydelse, så kræves yderligere indsats for at evaluere forskellige klæbende lagkoblingsmidler og bestemme, hvilken der er egnet til applikationen. ”
Et andet problem er, at glasfibre ikke kan tilvejebringe de samme mekaniske egenskaber som kulstoffibre. ”Sammenlignet med carbon/epoxy -patch løses dette problem ved hjælp af et ekstra lag glas/vinylester,” sagde Crane. ”Årsagen til, at kun et yderligere lag er nødvendigt, er, at glasmaterialet er et tungere stof.” Dette producerer en passende patch, der kan anvendes og kombineres inden for seks minutter, selv ved meget koldt/frysende infield -temperaturer. Hærdning uden at tilvejebringe varme. Crane påpegede, at dette reparationsarbejde kan afsluttes inden for en time.
Begge patch -systemer er blevet demonstreret og testet. For hver reparation er det område, der skal beskadiges, markeret (trin 1), oprettet med en hulsav og derefter fjernet ved hjælp af en batteridrevet manuel slibemaskine (trin 2). Skær derefter det reparerede område i en 12: 1 -konisk. Rengør tørklædets overflade med en alkoholpude (trin 3). Derefter skal du skære reparationsoplivet i en bestemt størrelse, placere den på den rensede overflade (trin 4) og konsolidere den med en rulle for at fjerne luftbobler. For glasfiber/UV-Curing Vinyl Ester Prepreg, skal du placere frigørelseslaget på det reparerede område og helbrede plasteret med en trådløs UV-lampe i seks minutter (trin 5). For carbonfiber/epoxy-prepreg skal du bruge en forprogrammeret, en-knap, batteridrevet termisk bonder til at vakuumpakke og helbrede det reparerede område ved 210 ° F/99 ° C i en time.
Trin 5. Når du har placeret skrællaget på det reparerede område, skal du bruge en trådløs UV -lampe til at helbrede plasteret i 6 minutter.
”Derefter udførte vi tests for at evaluere patchens vedhæftning og dens evne til at gendanne strukturens bærende kapacitet,” sagde Bergen. ”I den første fase er vi nødt til at bevise let anvendelse og evnen til at inddrive mindst 75% af styrken. Dette gøres ved fire-punkts bøjning på en 4 x 48 tommer carbonfiber/epoxyharpiks og balsa-kernebjælke efter reparation af den simulerede skade. Ja. Den anden fase af projektet anvendte et panel på 12 x 48 tommer og skal udvise mere end 90% styrkebehov under komplekse belastninger. Vi opfyldte alle disse krav og fotograferede derefter reparationsmetoderne på AMCB -modellen. Sådan bruges infieldteknologi og udstyr til at give en visuel reference. ”
Et vigtigt aspekt af projektet er at bevise, at nybegyndere let kan afslutte reparationen. Af denne grund havde Bergen en idé: ”Jeg har lovet at demonstrere for vores to tekniske kontakter i hæren: Dr. Bernard Sia og Ashley Genna. I den sidste gennemgang af den første fase af projektet bad jeg om ingen reparationer. Erfaren Ashley udførte reparationen. Ved hjælp af det kit og manual, vi leverede, anvendte hun patchet og afsluttede reparationen uden problemer. ”
Figur 2 Den batteridrevne hærdning af forprogrammerede, batteridrevne termiske limningsmaskine kan helbrede den carbonfiber/epoxy-reparationsplaster ved et tryk på en knap uden behov for reparationskendskab eller hærdningscyklusprogrammering. Billedkilde: Custom Technologies, LLC
En anden nøgleudvikling er det batteridrevne hærdningssystem (figur 2). ”Gennem infield -vedligeholdelse har du kun batterikraft,” påpegede Bergen. ”Alt procesudstyr i reparationssættet, vi udviklede, er trådløst.” Dette inkluderer batteridrevet termisk binding udviklet i fællesskab af brugerdefinerede teknologier og termisk limningsmaskinleverandør Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA) maskine. ”Denne batteridrevne termiske bonder er forprogrammeret for at fuldføre hærdning, så nybegynderne behøver ikke at programmere hærdningscyklussen,” sagde Crane. ”De er bare nødt til at trykke på en knap for at fuldføre den rigtige rampe og suge.” De batterier, der i øjeblikket er i brug, kan vare i et år, før de skal genoplades.
Med afslutningen af den anden fase af projektet forbereder tilpassede teknologier opfølgningsforbedringsforslag og indsamler breve og support. ”Vores mål er at modne denne teknologi til TRL 8 og bringe den til marken,” sagde Bergen. ”Vi ser også potentialet for ikke-militære applikationer.”
Forklarer den gamle kunst bag branchens første fiberforstærkning og har en dybdegående forståelse af ny fibervidenskab og fremtidig udvikling.
Kommer snart og flyver for første gang, 787 er afhængig af innovationer i sammensatte materialer og processer for at nå sine mål
Posttid: SEP-02-2021