A hordozható készlet szobahőmérsékleten tárolt, UV-fényre kötő üvegszál/vinil-észter vagy szénszál/epoxi prepreggel és akkumulátoros kezelőberendezéssel javítható. #gyártáson belül #infrastruktúra
UV-fényre keményedő prepreg foltjavítás Bár a Custom Technologies LLC által a belső kompozit hídhoz kifejlesztett szénszálas/epoxi prepreg javítás egyszerűnek és gyorsnak bizonyult, az üvegszállal erősített UV-fényre keményedő vinilészter gyanta, a Prepreg használata egy kényelmesebb rendszert eredményezett. Kép forrása: Custom Technologies LLC
A moduláris, telepíthető hidak kritikus fontosságú eszközök a katonai taktikai műveletekhez és logisztikához, valamint a közlekedési infrastruktúra helyreállításához természeti katasztrófák esetén. Kompozit szerkezeteket vizsgálnak az ilyen hidak súlyának csökkentése érdekében, ezáltal csökkentve a szállítójárművek és az indítási-mentési mechanizmusok terhelését. A fémhidakkal összehasonlítva a kompozit anyagok képesek növelni a teherbírást és meghosszabbítani az élettartamot.
Az Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) egy példa erre. A Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) és a Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) szénszálerősítésű epoxi laminátumokat használ (1. ábra). ) Tervezés és kivitelezés). Azonban az ilyen szerkezetek helyszíni javításának lehetősége akadályozta a kompozit anyagok elterjedését.
1. ábra Kompozit híd, kulcsfontosságú belsőépítészeti eszköz Az Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) tervezését és kivitelezését a Seemann Composites LLC és a Materials Sciences LLC végezte szénszálerősítésű epoxigyanta kompozitok felhasználásával. Kép forrása: Seeman Composites LLC (balra) és az amerikai hadsereg (jobbra).
2016-ban a Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) az Egyesült Államok hadserege által finanszírozott Kisvállalkozási Innovációs Kutatás (SBIR) 1. fázisú támogatást kapott egy olyan javítási módszer kidolgozására, amelyet katonák sikeresen el tudnak végezni a helyszínen. Erre a megközelítésre alapozva ítélték oda 2018-ban az SBIR-támogatás második fázisát, amelynek célja új anyagok és akkumulátoros berendezések bemutatása volt, amelyekkel még akkor is, ha a javítást egy kezdő, előzetes képzés nélküli szakember végzi, a szerkezet 90%-a vagy annál nagyobb része visszaállítható nyers szilárdságként. A technológia megvalósíthatóságát elemzések, anyagkiválasztás, mintadarab-gyártás és mechanikai vizsgálati feladatok sorozatának elvégzésével, valamint kis- és teljes körű javításokkal határozzák meg.
A két SBIR fázis fő kutatója Michael Bergen, a Custom Technologies LLC alapítója és elnöke. Bergen a Carderockban, a Naval Surface Warfare Centerben (NSWC) vonult nyugdíjba, és 27 évig a Szerkezetek és Anyagok Osztályán szolgált, ahol az amerikai haditengerészet flottájában a kompozit technológiák fejlesztését és alkalmazását irányította. Dr. Roger Crane 2011-es nyugdíjba vonulása után 2015-ben csatlakozott a Custom Technologieshez, és 32 éve szolgál. Kompozit anyagokkal kapcsolatos szakértelme magában foglalja a műszaki publikációkat és szabadalmakat, olyan témákat lefedve, mint az új kompozit anyagok, prototípusgyártás, csatlakozási módszerek, multifunkcionális kompozit anyagok, szerkezeti állapotfelügyelet és kompozit anyagok helyreállítása.
A két szakértő egy egyedülálló eljárást fejlesztett ki, amely kompozit anyagokat használ a Ticonderoga CG-47 osztályú irányított rakétahajtómű 5456 alumínium felépítményének repedéseinek javítására. „Az eljárást a repedések növekedésének csökkentésére és a 2-4 millió dolláros platformdeszka cseréjének gazdaságos alternatívájaként fejlesztették ki” – mondta Bergen. „Tehát bebizonyítottuk, hogy tudjuk, hogyan kell javításokat végezni a laboratóriumon kívül, valós szolgálati környezetben. A kihívás azonban az, hogy a jelenlegi katonai eszközjavítási módszerek nem túl sikeresek. A lehetőség a ragasztott duplex javítás [alapvetően a sérült területeken egy deszka felragasztása a tetejére], vagy az eszköz kivonása a szolgálatból raktári szintű (D-szintű) javítások céljából. Mivel D-szintű javításokra van szükség, sok eszközt félretesznek.”
Majd hozzátette, hogy olyan módszerre van szükség, amelyet a kompozit anyagokkal tapasztalatlan katonák is el tudnak végezni, csupán készletek és karbantartási kézikönyvek használatával. Célunk, hogy a folyamat egyszerű legyen: el kell olvasni a kézikönyvet, fel kell mérni a károkat, és el kell végezni a javításokat. Nem akarjuk a folyékony gyantákat keverni, mivel ez pontos mérést igényel a teljes kikeményedés biztosításához. Szükségünk van egy olyan rendszerre is, amely a javítások befejezése után nem keletkezik veszélyes hulladék. És olyan készletként kell csomagolni, amelyet a meglévő hálózat be tud vetni.
A Custom Technologies által sikeresen bemutatott megoldások egyike egy hordozható készlet, amely edzett epoxi ragasztót használ a ragasztós kompozit folt testreszabásához a sérülés méretének megfelelően (akár 12 négyzethüvelykig). A bemutatót egy 3 hüvelyk vastag AMCB fedélzetet ábrázoló kompozit anyagon végezték. A kompozit anyag 3 hüvelyk vastag balsafa maggal (15 font/köbláb sűrűség) és két réteg Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C-LT 1100 szénszálas 0°/90° biaxiálisan varrott szövettel, egy réteg C-TLX 1900 szénszálas 0°/+45°/-45° három tengelyes és két réteg C-LT 1100-zal rendelkezik, összesen öt réteggel. „Úgy döntöttünk, hogy a készlet előre gyártott foltokat fog használni egy kváziizotróp laminátumban, hasonlóan egy többtengelyeshez, így az anyag iránya nem jelent problémát” – mondta Crane.
A következő probléma a laminátum javításához használt gyanta mátrix. A folyékony gyanta keverésének elkerülése érdekében a tapasz prepreget fog használni. „Ezek a kihívások azonban a tárolást jelentik” – magyarázta Bergen. A tárolható tapaszmegoldás kidolgozása érdekében a Custom Technologies partnerségre lépett a Sunrez Corp.-pel (El Cajon, Kalifornia, USA), hogy kifejlesszenek egy üvegszálas/vinilészter prepreget, amely hat perc alatt képes ultraibolya fényt (UV) használni fényre keményedéshez. Együttműködtek a Gougeon Brothers-szel (Bay City, Michigan, USA) is, amely egy új, rugalmas epoxi film használatát javasolta.
Korai tanulmányok kimutatták, hogy az epoxigyanta a legmegfelelőbb gyanta a szénszálas prepregekhez – az UV-fényre kikeményedő vinilészter és az áttetsző üvegszál jól működik, de nem köt meg fényt blokkoló szénszál alatt. A Gougeon Brothers új filmjén alapuló végleges epoxi prepreget 1 órán át 99°C-on kikeményítik, és szobahőmérsékleten hosszú ideig eltartható – nincs szükség alacsony hőmérsékletű tárolásra. Bergen elmondta, hogy ha magasabb üvegesedési hőmérsékletre (Tg) van szükség, a gyanta szintén magasabb hőmérsékleten, például 177°C-on kikeményedik. Mindkét prepreget egy hordozható javítókészletben, műanyag fóliatasakba zárt prepreg tapaszok kötegeként biztosítják.
Mivel a javítókészlet hosszú ideig tárolható, a Custom Technologies köteles eltarthatósági vizsgálatot végezni. „Négy kemény műanyag házat vásároltunk – egy tipikus katonai típust, amelyet a szállítóeszközökben használnak –, és mindegyik házba epoxi ragasztó és vinilészter prepreg mintákat tettünk” – mondta Bergen. A dobozokat ezután négy különböző helyen helyeztük el tesztelés céljából: a michigani Gougeon Brothers gyár tetején, a marylandi repülőtér tetején, a Yucca Valley-i (kaliforniai sivatag) kültéri létesítményben és a dél-floridai kültéri korrózióvizsgáló laboratóriumban. Minden ház adatrögzítővel van felszerelve – mutat rá Bergen. „Háromhavonta veszünk adat- és anyagmintákat értékelésre. A floridai és kaliforniai dobozokban mért maximális hőmérséklet 60°C, ami a legtöbb restauráló gyanta esetében jó. Ez egy igazi kihívás.” Ezenkívül a Gougeon Brothers belsőleg tesztelte az újonnan kifejlesztett tiszta epoxi gyantát. „A több hónapig 49°C-os kemencébe helyezett minták polimerizálódni kezdenek” – mondta Bergen. „Azonban a 43°C-on tartott megfelelő minták esetében a gyanta kémiája csak kis mértékben javult.”
A javítást a tesztpadlón és az AMCB ezen méretarányos modelljén ellenőrizték, amely ugyanazt a laminált anyagot és maganyagot használta, mint az eredeti, Seemann Composites által épített híd. Kép forrása: Custom Technologies LLC
A javítási technika bemutatásához egy reprezentatív laminált anyagot kell legyártani, megrongálni és megjavítani. „A projekt első fázisában kezdetben kisméretű, 4 x 48 hüvelykes gerendákat és négypontos hajlítóvizsgálatokat használtunk a javítási folyamat megvalósíthatóságának értékelésére” – mondta Klein. „Ezután a projekt második fázisában áttértünk a 12 x 48 hüvelykes panelekre, terheléseket alkalmaztunk, hogy kéttengelyű feszültségállapotot generáljunk, ami meghibásodást okozott, majd értékeltük a javítás teljesítményét. A második fázisban elkészítettük a karbantartáshoz épített AMCB modellt is.”
Bergen elmondta, hogy a javítási teljesítmény igazolására használt tesztpanelt ugyanazon laminátumok és maganyagok felhasználásával gyártották, mint a Seemann Composites által gyártott AMCB-t, „de a panel vastagságát 0,375 hüvelykről 0,175 hüvelykre csökkentettük a párhuzamos tengelyek tétele alapján. Ez a helyzet. A módszert, a gerendaelmélet és a klasszikus laminátumelmélet [CLT] további elemeivel együtt, arra használtuk, hogy a teljes méretű AMCB tehetetlenségi nyomatékát és effektív merevségét összekapcsoljuk egy kisebb méretű, könnyebben kezelhető és költséghatékonyabb demonstrációs termékkel. Ezután az XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) által kifejlesztett végeselemes analízis [FEA] modellt használtuk a szerkezeti javítások tervezésének javítására.” A tesztpanelekhez és az AMCB modellhez használt szénszálas szövetet a Vectorply-től vásároltuk, a balsafa magot pedig a Core Composites (Bristol, RI, USA) készítette.
1. lépés. Ez a tesztpanel egy 3 hüvelykes átmérőjű lyukat jelenít meg, hogy szimulálja a középen jelölt sérülést és kijavítsa a kerületet. Az összes lépéshez tartozó fotó forrása: Custom Technologies LLC.
2. lépés. Akkumulátoros kézi csiszolóval távolítsa el a sérült anyagot, és zárja le a javítófoltot 12:1-es kúppal.
„Nagyobb mértékű sérülést szeretnénk szimulálni a tesztpályán, mint amit a terepen a hídpálya felületén láthatunk” – magyarázta Bergen. „Ezért a módszerünk az, hogy egy lyukfűrésszel egy 3 hüvelyk átmérőjű lyukat készítünk. Ezután kihúzzuk a sérült anyag dugóját, és egy kézi pneumatikus csiszolóval 12:1 arányú sálat készítünk.”
Crane elmagyarázta, hogy a szénszálas/epoxi javításnál, miután a „sérült” panelanyagot eltávolították és egy megfelelő kendőt felhelyeztek, a prepreget a sérült terület kúposságához igazított szélességű és hosszúságú darabokra vágják. „A tesztpanelünk esetében ehhez négy réteg prepregre van szükség ahhoz, hogy a javítóanyag megegyezzen az eredeti, sértetlen szénpanel tetejével. Ezután a három szén/epoxi prepreg fedőréteget erre a javított részre koncentrálják. Minden egyes következő réteg 2,5 hüvelykkel nyúlik ki az alsó réteg minden oldalán, ami fokozatos terhelésátadást biztosít a „jó” környező anyagról a javított területre.” A javítás teljes időtartama – beleértve a javított terület előkészítését, a helyreállító anyag vágását és elhelyezését, valamint a kikeményítési eljárást – körülbelül 2,5 óra.
Szénszálas/epoxi prepreg esetén a javított területet vákuumcsomagolják, és egy órán át 99°C-on, akkumulátoros hőkötővel kikeményítik.
Bár a szén/epoxi javítás egyszerű és gyors, a csapat felismerte, hogy szükség van egy kényelmesebb megoldásra a teljesítmény helyreállítására. Ez vezetett az ultraibolya (UV) sugárzással kikeményedő prepregek kutatásához. „A Sunrez vinilészter gyanták iránti érdeklődés a cég alapítójával, Mark Livesay-jel szerzett korábbi tengerészeti tapasztalatokon alapul” – magyarázta Bergen. „Először egy kváziizotróp üvegszövetet szállítottunk a Sunreznek, vinilészter prepregjüket felhasználva, és különböző körülmények között értékeltük a kikeményedési görbét. Továbbá, mivel tudjuk, hogy a vinilészter gyanta nem olyan, mint az epoxigyanta, amely megfelelő másodlagos tapadási teljesítményt nyújt, további erőfeszítésekre van szükség a különböző ragasztóréteg-összekötő szerek értékeléséhez és annak meghatározásához, hogy melyik alkalmas az alkalmazáshoz.”
Egy másik probléma, hogy az üvegszálak nem tudják ugyanazokat a mechanikai tulajdonságokat biztosítani, mint a szénszálak. „A szén/epoxi tapasszal összehasonlítva ezt a problémát egy extra üveg/vinil-észter réteg alkalmazásával oldják meg” – mondta Crane. „Azért van csak egy további rétegre szükség, mert az üveg anyag nehezebb szövet.” Ez egy megfelelő tapaszt eredményez, amelyet hat percen belül fel lehet helyezni és össze lehet illeszteni még nagyon hideg/fagyos hőmérsékleten is a pályán belül. Hő nélkül köt meg. Crane rámutatott, hogy ez a javítási munka egy órán belül elvégezhető.
Mindkét foltrendszert bemutatták és tesztelték. Minden javításnál megjelölik a sérült területet (1. lépés), lyukfűrésszel kivaják, majd akkumulátoros kézi csiszolóval eltávolítják (2. lépés). Ezután a javított területet 12:1 arányú kúposságúra vágják. A sál felületét alkoholos törlőkendővel tisztítják (3. lépés). Ezután vágják a javítófoltot egy bizonyos méretre, helyezzék a megtisztított felületre (4. lépés), és hengerrel rögzítsék a légbuborékok eltávolításához. Üvegszálas/UV-fényre kötő vinilészter prepreg esetén helyezzék el a leválasztó réteget a javított területre, és kötessék meg a foltot egy vezeték nélküli UV-lámpával hat percig (5. lépés). Szénszálas/epoxi prepreg esetén előre programozott, egygombos, akkumulátoros hőkötővel vákuumcsomagolják és 99°C-on egy órán át kötik meg a javított területet.
5. lépés. Miután a javított területre helyezte a hámozóréteget, használjon vezeték nélküli UV-lámpát a tapasz 6 perces kikeményítéséhez.
„Ezután teszteket végeztünk a tapasz tapadásának és a szerkezet teherbírásának helyreállítására való képességének értékelésére” – mondta Bergen. „Az első szakaszban be kell bizonyítanunk a felhelyezés egyszerűségét és a szilárdság legalább 75%-os visszanyerésének képességét. Ezt egy 4 x 48 hüvelykes szénszálas/epoxigyanta és balsafa magú gerenda négypontos hajlításával végezzük a szimulált sérülés javítása után. Igen. A projekt második fázisában egy 12 x 48 hüvelykes panelt használtunk, amelynek összetett alakváltozási terhelések mellett több mint 90%-os szilárdsági követelményt kell teljesítenie. Teljesítettük ezeket a követelményeket, majd lefényképeztük a javítási módszereket az AMCB modellen. Hogyan használható a terepi technológia és berendezések vizuális referenciaként.”
A projekt egyik kulcsfontosságú aspektusa annak bizonyítása, hogy a kezdők is könnyen elvégezhetik a javítást. Ezért Bergennek támadt egy ötlete: „Megígértem, hogy bemutatom a két műszaki kapcsolattartónknak a hadseregben: Dr. Bernard Siának és Ashley Gennának. A projekt első fázisának végső felülvizsgálatakor kértem, hogy ne végezzenek javítást. A tapasztalt Ashley végezte el a javítást. A biztosított készlet és kézikönyv segítségével felhelyezte a tapaszt, és gond nélkül elvégezte a javítást.”
2. ábra Az akkumulátorral működő, előre programozott, akkumulátorral működő hőkötő gép egyetlen gombnyomással kikeményíti a szénszálas/epoxi javítófoltot, javítási ismeretek vagy kikeményedési ciklus programozása nélkül. Kép forrása: Custom Technologies, LLC
Egy másik kulcsfontosságú fejlesztés az akkumulátorral működő kikeményítő rendszer (2. ábra). „A helyszíni karbantartás során csak akkumulátorról lehet áramot használni” – mutatott rá Bergen. „A fejlesztett javítókészletben található összes folyamatberendezés vezeték nélküli.” Ez magában foglalja az akkumulátorral működő hőkötő gépet is, amelyet a Custom Technologies és a hőkötő gépgyártó WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA) közösen fejlesztett ki. „Ez az akkumulátorral működő hőkötő előre be van programozva a kikeményítés befejezésére, így a kezdőknek nem kell programozniuk a kikeményítési ciklust” – mondta Crane. „Csak egy gombot kell megnyomniuk a megfelelő rámpa és áztatás befejezéséhez.” A jelenleg használatban lévő akkumulátorok egy évig is kitartanak, mielőtt újra kell tölteni őket.
A projekt második fázisának befejezésével a Custom Technologies további fejlesztési javaslatokat készít elő, és gyűjti az érdeklődést és a támogatást kifejező leveleket. „Célunk, hogy ezt a technológiát a TRL 8-as szintre érleljük, és terepre vigyük” – mondta Bergen. „Látjuk a benne rejlő lehetőségeket nem katonai alkalmazásokban is.”
Elmagyarázza az iparág első szálerősítésének régi művészetét, és mélyrehatóan ismeri az új száltudományt és a jövőbeli fejlesztéseket.
A hamarosan megjelenő és első alkalommal repülni kezdő 787-es a kompozit anyagok és eljárások innovációira támaszkodik céljai elérése érdekében.
Közzététel ideje: 2021. szeptember 2.