Det bærbare sæt kan repareres med UV-hærdende glasfiber/vinylester eller kulfiber/epoxy prepreg opbevaret ved stuetemperatur og batteridrevet hærdningsudstyr.#insidemanufacturing #infrastruktur
UV-hærdende prepreg patch reparation Selvom kulfiber/epoxy prepreg-reparationen udviklet af Custom Technologies LLC til infield-kompositbroen viste sig at være enkel og hurtig, har brugen af glasfiberforstærket UV-hærdbar vinylesterharpiks Prepreg udviklet et mere bekvemt system .Billedkilde: Custom Technologies LLC
Modulære deployerbare broer er kritiske aktiver for militære taktiske operationer og logistik samt restaurering af transportinfrastruktur under naturkatastrofer.Sammensatte strukturer er ved at blive undersøgt for at reducere vægten af sådanne broer og derved reducere belastningen på transportkøretøjer og mekanismer til opsendelse og genopretning.Sammenlignet med metalbroer har kompositmaterialer også potentiale til at øge bæreevnen og forlænge levetiden.
Advanced Modular Composite Bridge (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).Evnen til at reparere sådanne strukturer i marken har imidlertid været et problem, der hindrer anvendelsen af kompositmaterialer.
Figur 1 Kompositbro, et nøgleaktiv på marken Advanced Modular Composite Bridge (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 US Army-finansieret Small Business Innovation Research (SBIR) fase 1-bevilling for 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, selvom lappen udføres af en nybegynder uden forudgående uddannelse, kan 90 % eller mere af strukturen gendannes rå. styrke.Teknologiens gennemførlighed bestemmes ved at udføre en række analyser, materialevalg, prøvefremstilling og mekaniske testopgaver samt reparationer i lille skala og i fuld skala.
Hovedforskeren i de to SBIR-faser er Michael Bergen, grundlægger og præsident for Custom Technologies LLC.Bergen trak sig tilbage fra Carderock fra Naval Surface Warfare Center (NSWC) og tjente i Structures and Materials Department i 27 år, hvor han styrede udviklingen og anvendelsen af kompositteknologier i den amerikanske flådes flåde.Dr. Roger Crane kom til Custom Technologies i 2015 efter at have trukket sig tilbage fra den amerikanske flåde i 2011 og har tjent i 32 år.Hans ekspertise i kompositmaterialer omfatter tekniske publikationer og patenter, der dækker emner som nye kompositmaterialer, prototypefremstilling, forbindelsesmetoder, multifunktionelle kompositmaterialer, strukturel sundhedsovervågning og restaurering af kompositmaterialer.
De to eksperter har udviklet en unik proces, der anvender kompositmaterialer til at reparere revnerne i aluminiumsoverbygningen på Ticonderoga CG-47-klassens guidede missilkrydser 5456. “Processen blev udviklet for at reducere væksten af revner og tjene som et økonomisk alternativ til udskiftning af en platformsplade på 2 til 4 millioner dollars,” sagde Bergen.”Så vi beviste, at vi ved, hvordan man udfører reparationer uden for laboratoriet og i et rigtigt servicemiljø.Men udfordringen er, at de nuværende militære aktivmetoder ikke er særlig vellykkede.Muligheden er bonded duplex reparation [grundlæggende i beskadigede områder Lim en plade til toppen] eller fjern aktivet fra drift til lager-niveau (D-niveau) reparationer.Fordi reparationer på D-niveau er påkrævet, bliver mange aktiver lagt til side."
Han fortsatte med at sige, at det, der er brug for, er en metode, der kan udføres af soldater uden erfaring med kompositmaterialer, ved kun at bruge kits 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 reparationer er afsluttet.Og det skal pakkes som et kit, der kan implementeres af det eksisterende netværk.”
En løsning, som Custom Technologies med succes demonstrerede, er et bærbart sæt, der bruger en hærdet epoxyklæbemiddel til at tilpasse det klæbende kompositplaster i henhold til skadens størrelse (op til 12 kvadrattommer).Demonstrationen blev gennemført på et kompositmateriale, der repræsenterede et 3-tommer tykt AMCB-dæk.Kompositmaterialet har en 3-tommer tyk balsa-trækerne (15 pund pr. kubikfod-densitet) og to lag Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C -LT 1100 kulfiber 0°/90° biaksialt syet stof, et lag C-TLX 1900 kulfiber 0°/+45°/-45° tre skafter og to lag C-LT 1100, i alt fem lag."Vi besluttede, at sættet vil bruge præfabrikerede patches i et kvasi-isotropisk laminat svarende til en multi-akse, så stoffets retning ikke vil være et problem," sagde Crane.
Det næste spørgsmål er harpiksmatrixen, der bruges til laminatreparation.For at undgå at blande flydende harpiks, vil plasteret bruge prepreg."Men disse udfordringer er opbevaring," forklarede Bergen.For at udvikle en patchløsning, der kan opbevares, har Custom Technologies indgået 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.Det 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-hærdelig vinylester og gennemskinnelig glasfiber fungerer godt, men hærder ikke under lysblokerende kulfiber.Baseret på Gougeon Brothers' nye film hærdes den endelige epoxy prepreg i 1 time ved 210°F/99°C og har en lang holdbarhed ved stuetemperatur - ingen 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, såsom 350°F/177°C.Begge prepregs leveres i et bærbart reparationssæt som en stak prepreg-plastre forseglet i en plastikfilmkuvert.
Da reparationssættet kan opbevares i lang tid, er Custom Technologies forpligtet til at gennemføre en holdbarhedsundersøgelse."Vi købte fire hårde plastikkabinetter - en typisk militær type, der bruges i transportudstyr - og satte prøver af epoxyklæbemiddel og vinylester prepreg i hvert kabinet," sagde Bergen.Kasserne blev derefter placeret fire forskellige steder til test: taget på Gougeon Brothers-fabrikken i Michigan, taget på Maryland-lufthavnen, udendørsanlægget i Yucca Valley (Californiens ørken) og det udendørs korrosionstestlaboratorium i det sydlige Florida.Alle sager har dataloggere, påpeger Bergen, "Vi tager data og materialeprøver til evaluering hver tredje måned.Den maksimale temperatur registreret i kasserne i Florida og Californien er 140°F, hvilket er godt for de fleste restaureringsharpikser.Det er en rigtig 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."Men for de tilsvarende prøver holdt ved 110 ° F blev harpikskemien kun forbedret med en lille mængde."
Reparationen blev verificeret på testpladen og denne skalamodel af AMCB, som brugte 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 den første fase af projektet brugte vi i første omgang små 4 x 48-tommer bjælker og firepunkts bøjningstest til at evaluere gennemførligheden af vores reparationsproces," sagde Klein."Derefter gik vi over til 12 x 48 tommer paneler i anden fase af projektet, påførte belastninger for at generere en biaksial spændingstilstand for at forårsage fejl og evaluerede derefter reparationsydelsen.I anden fase færdiggjorde vi også den AMCB-model, vi byggede Maintenance."
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 blev sammen med de ekstra elementer af stråleteori og klassisk laminatteori [CLT] brugt til at forbinde inertimomentet og effektiv stivhed af fuldskala AMCB med et demoprodukt i mindre størrelse, der er lettere at håndtere og mere. omkostningseffektiv.Derefter blev vi The finite element analysis [FEA]-model udviklet af XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) brugt til at forbedre designet af strukturelle reparationer."Kulfiberstoffet, der blev brugt til testpanelerne og AMCB-modellen, blev købt hos Vectorply, og balsa-kernen blev fremstillet af Core Composites (Bristol, RI, USA).
Trin 1. Dette testpanel viser en huldiameter på 3 tommer for at simulere skader markeret i midten og reparere omkredsen.Fotokilde for alle trin: Custom Technologies LLC.
Trin 2. Brug en batteridrevet manuel kværn til at fjerne det beskadigede materiale og omslut reparationsplasteret med en 12:1 konus.
"Vi ønsker at simulere en højere grad af skade på testpladen, end der kan ses på brodækket i marken," forklarede Bergen."Så vores metode er at bruge en hulsav til at lave et hul med en diameter på 3 tommer.Derefter trækker vi stikket ud af det beskadigede materiale og bruger en håndholdt pneumatisk sliber til at behandle et 12:1 tørklæde."
Crane forklarede, at til reparation af kulfiber/epoxy, når det "beskadigede" panelmateriale er fjernet og et passende tørklæde er påført, vil prepreg'en blive skåret til i bredden og længden for at matche tilspidsningen af det beskadigede område."For vores testpanel kræver dette fire lag prepreg for at holde reparationsmaterialet i overensstemmelse med toppen af det originale ubeskadigede carbonpanel.Derefter koncentreres de tre dæklag af carbon/epoxy prepreg på denne På den reparerede del.Hvert efterfølgende lag strækker sig 1 tomme på alle sider af det nederste lag, hvilket giver en gradvis belastningsoverførsel 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 påføring af hærdningsproceduren - cirka 2,5 timer.
For kulfiber/epoxy prepreg vakuumpakkes og hærdes reparationsområdet ved 210°F/99°C i en time ved hjælp af en batteridrevet termisk bonder.
Selvom carbon/epoxy-reparation 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 flådeerfaringer med virksomhedens grundlægger Mark Livesay," forklarede Bergen."Vi forsynede først Sunrez med et kvasi-isotropisk glasstof ved hjælp af deres vinylester-prepreg og evaluerede hærdningskurven under forskellige forhold.Derudover, fordi vi ved, at vinylesterharpiks ikke er som epoxyharpiks, der giver passende sekundær vedhæftningsevne, så der kræves yderligere indsats for at evaluere forskellige klæbemiddellagskoblingsmidler og bestemme, hvilken der er egnet til anvendelsen."
Et andet problem er, at glasfibre ikke kan give de samme mekaniske egenskaber som kulfibre."Sammenlignet med carbon/epoxy-plaster er dette problem løst ved at bruge et ekstra lag glas/vinylester," sagde Crane."Grunden til, at der kun er behov for et ekstra lag, er, at glasmaterialet er et tungere stof."Dette giver et passende plaster, der kan påføres og kombineres inden for seks minutter, selv ved meget kolde/frysende indetemperaturer.Hærdning uden at give varme.Crane påpegede, at dette reparationsarbejde kan afsluttes inden for en time.
Begge patchsystemer er blevet demonstreret og testet.For hver reparation markeres det område, der skal beskadiges (trin 1), oprettes med en hulsav og fjernes derefter ved hjælp af en batteridrevet manuel slibemaskine (trin 2).Skær derefter det reparerede område til en 12:1 tilspidsning.Rengør overfladen af tørklædet med en spritpude (trin 3).Skær derefter reparationsplasteret til en vis størrelse, placer det på den rensede overflade (trin 4) og konsolider det med en rulle for at fjerne luftbobler.For glasfiber/UV-hærdende vinylester-prepreg skal du placere sliplaget på det reparerede område og hærde plasteret med en ledningsfri UV-lampe i seks minutter (trin 5).Til kulfiber/epoxy prepreg skal du bruge en forprogrammeret, en-knaps, batteridrevet termisk bonder til at vakuumpakke og hærde det reparerede område ved 210°F/99°C i en time.
Trin 5. Efter at have placeret afskalningslaget på det reparerede område, skal du bruge en ledningsfri UV-lampe til at hærde plasteret i 6 minutter.
"Derefter udførte vi tests for at evaluere plastrets klæbeevne og dets evne til at genoprette strukturens bæreevne," sagde Bergen."I den første fase skal vi bevise, at det er let at anvende og evnen til at genvinde mindst 75 % af styrken.Dette gøres ved fire-punkts bøjning på en 4 x 48 tommer kulfiber/epoxyharpiks og balsa-kernebjælke efter at have repareret den simulerede skade.Ja.Den anden fase af projektet brugte et 12 x 48 tommer panel og skal udvise mere end 90 % styrkekrav under komplekse belastningsbelastninger.Vi opfyldte alle disse krav og fotograferede derefter reparationsmetoderne på AMCB-modellen.Hvordan man bruger infield teknologi og udstyr til at give en visuel reference."
Et centralt aspekt af projektet er at bevise, at nybegyndere nemt kan gennemføre 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 endelige gennemgang af den første fase af projektet bad jeg om ingen reparationer.Erfarne Ashley udførte reparationen.Ved at bruge det kit og den manual, vi leverede, påsatte hun plasteret og fuldførte reparationen uden problemer."
Figur 2 Den batteridrevne hærdningsforprogrammerede, batteridrevne termiske bindingsmaskine kan hærde kulfiber/epoxy-reparationsplastret ved et tryk på en knap uden behov for reparationsviden eller hærdningscyklusprogrammering.Billedkilde: Custom Technologies, LLC
En anden vigtig udvikling er det batteridrevne hærdningssystem (figur 2)."Gennem vedligeholdelse på marken har du kun batteristrøm," påpegede Bergen."Alt procesudstyr i det reparationssæt, vi udviklede, er trådløst."Dette omfatter batteridrevet termisk binding udviklet i fællesskab af Custom Technologies og leverandøren af termisk bindingsmaskine WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA)."Denne batteridrevne termiske bonder 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 rigtige rampe og bløde."De batterier, der i øjeblikket er i brug, kan holde i et år, før de skal genoplades.
Med afslutningen af anden fase af projektet udarbejder Custom Technologies opfølgende forbedringsforslag og indsamler interesse- og støttebreve."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 for ny fibervidenskab og fremtidig udvikling.
Kommer snart og flyver for første gang, 787 er afhængig af innovationer inden for kompositmaterialer og processer for at nå sine mål
Posttid: 02-02-2021