A hordozható készlet szobahőmérsékleten tárolt UV-sugárzással térhálósítható üvegszálas/vinil-észter vagy szénszálas/epoxi prepreg anyaggal és elemes térhálósító berendezéssel javítható. #belsőgyártás #infrastruktúra
UV-keményíthető prepreg tapasz javítás Bár a Custom Technologies LLC által a beltéri kompozit hídhoz kifejlesztett szénszálas/epoxi prepreg javítás egyszerűnek és gyorsnak bizonyult, az üvegszál erősítésű UV-re keményedő vinil-észter gyanta használata kényelmesebb rendszert fejlesztett ki a Prepreg. . A kép forrása: Custom Technologies LLC
A moduláris bevethető hidak kritikus eszközei a katonai taktikai műveleteknek és a logisztikának, valamint a közlekedési infrastruktúra helyreállításának természeti katasztrófák idején. Kompozit szerkezeteket tanulmányoznak az ilyen hidak tömegének csökkentése érdekében, ezáltal csökkentve a szállítójárművek és a kilövési-helyreállító mechanizmusok terheit. A fémhidakhoz képest a kompozit anyagoknak is megvan a lehetősége a teherbíró képesség növelésére és az élettartam meghosszabbítására.
Az Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) erre példa. A Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) és a Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) szénszál-erősítésű epoxi laminátumokat használ (1. ábra). ) Tervezés és kivitelezés). Az ilyen szerkezetek terepen történő javításának lehetősége azonban olyan probléma, amely akadályozza a kompozit anyagok alkalmazását.
1. ábra Kompozit híd, kulcsfontosságú belső eszköz Az Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) a Seemann Composites LLC és a Materials Sciences LLC tervezte és építette meg szénszállal megerősített epoxigyanta kompozitok felhasználásával. A 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 Small Business Innovation Research (SBIR) 1. fázisú támogatást kapott egy olyan javítási módszer kidolgozására, amelyet a katonák a helyszínen sikeresen végrehajthatnak. Ennek a megközelítésnek a alapján ítélték oda 2018-ban az SBIR támogatás második szakaszát, hogy új anyagokat és akkumulátoros berendezéseket mutassanak be, még akkor is, ha a foltozást egy kezdő, előzetes képzettség nélkül végzi, a szerkezet 90%-a vagy több helyreállítható nyersen. erő. A technológia megvalósíthatóságát elemzési, anyagkiválasztási, mintagyártási és mechanikai vizsgálati feladatok sora, valamint kis- és teljes körű javítások elvégzése határozza meg.
A két SBIR fázis fő kutatója Michael Bergen, a Custom Technologies LLC alapítója és elnöke. Bergen a Naval Surface Warfare Center (NSWC) Carderock-tól ment nyugdíjba, és 27 évig szolgált a szerkezetek és anyagok osztályán, ahol az amerikai haditengerészet flottájában a kompozit technológiák fejlesztését és alkalmazását irányította. Dr. Roger Crane 2015-ben csatlakozott a Custom Technologieshez, miután 2011-ben visszavonult az amerikai haditengerészettől, és 32 éve szolgált. Kompozit anyagokkal kapcsolatos szakértelme műszaki publikációkat és szabadalmakat foglal magában, amelyek olyan témákat fednek le, mint az új kompozit anyagok, a prototípus gyártás, a csatlakozási módszerek, a többfunkciós kompozit anyagok, a szerkezeti állapot monitorozása és a kompozit anyagok helyreállítása.
A két szakértő egy egyedülálló eljárást dolgozott ki, amely kompozit anyagok felhasználásával javítja ki a Ticonderoga CG-47 osztályú 5456 típusú irányított rakétacirkáló alumínium felépítményének repedéseit. „Az eljárást a repedések növekedésének csökkentésére és gazdaságos alternatívaként fejlesztették ki. egy 2-4 millió dolláros platformtábla cseréjére” – mondta Bergen. „Így bebizonyítottuk, hogy tudjuk, hogyan végezzünk javításokat a laboratóriumon kívül és valódi szervizkörnyezetben. A kihívás azonban az, hogy a jelenlegi katonai eszközökkel kapcsolatos módszerek nem túl sikeresek. A lehetőség a ragasztott duplex javítás [alapvetően a sérült területeken Ragasszon fel egy táblát a tetejére], vagy távolítsa el az eszközt a forgalomból raktári szintű (D-szintű) javításokhoz. Mivel D-szintű javításra van szükség, sok eszközt félretesznek.”
Kitért arra, hogy olyan módszerre van szükség, amelyet a kompozit anyagokban tapasztalatlan katonák is végrehajthatnak, csak készletek és karbantartási kézikönyvek felhasználásával. Célunk a folyamat egyszerűsítése: olvassa el a kézikönyvet, értékelje a sérüléseket és végezzen javításokat. Folyékony gyantát nem szeretnénk keverni, mert ehhez pontos mérés szükséges a teljes kikeményedéshez. Szükségünk van egy olyan rendszerre is, amely a javítások befejezése után nem tartalmaz veszélyes hulladékot. És egy készletbe kell csomagolni, amelyet a meglévő hálózat telepíthet. ”
Az egyik megoldás, amelyet a Custom Technologies sikeresen bemutatott, egy hordozható készlet, amely edzett epoxi ragasztót használ a ragasztó kompozit tapasz testreszabásához a sérülés méretének megfelelően (12 négyzethüvelykig). A bemutatót egy 3 hüvelyk vastag AMCB fedélzetet képviselő kompozit anyagon fejezték be. 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° kéttengelyű varrott szövettel rendelkezik, egy réteg C-TLX 1900 szénszálas 0°/+45°/-45° három tengely és két réteg C-LT 1100, összesen öt réteg. "Úgy döntöttünk, hogy a készlet előregyártott foltokat használ majd, kvázi-izotróp laminátumban, hasonló a többtengelyeshez, így a szövet iránya nem lesz probléma" - mondta Crane.
A következő probléma a laminátum javításához használt gyantamátrix. A folyékony gyanta keveredésének elkerülése érdekében a tapasz prepreg anyagot használ. „Ezek a kihívások azonban a tárolással kapcsolatosak” – magyarázta Bergen. A tárolható tapasz-megoldás kifejlesztéséhez a Custom Technologies a Sunrez Corp.-vel (El Cajon, California, USA) társult egy üvegszál/vinil-észter prepreg kifejlesztésére, amely hat perc alatt képes ultraibolya fényt (UV) felhasználni. Együttműködött a Gougeon Brothers-szel (Bay City, Michigan, USA), amely egy új rugalmas epoxifólia használatát javasolta.
A korai tanulmányok kimutatták, hogy az epoxigyanta a legmegfelelőbb gyanta a szénszálas prepregekhez – az UV-sugárzással kikeményedő vinil-észter és az áttetsző üvegszál jól működik, de nem köt ki fényzáró szénszál alatt. A Gougeon Brothers új fóliája alapján a végső epoxi prepreg 1 órán át 99 °C-on térhálósodik, és szobahőmérsékleten hosszú ideig eltartható – nincs szükség alacsony hőmérsékletű tárolásra. Bergen azt mondta, hogy ha magasabb üvegesedési hőmérsékletre (Tg) van szükség, a gyanta magasabb hőmérsékleten, például 350 °F/177 °C-on is kikeményedik. Mindkét prepreg egy hordozható javítókészletben található, műanyag fólia borítékba zárt prepreg tapaszok kötegében.
Mivel a javítókészlet hosszú ideig tárolható, a Custom Technologiesnek eltarthatósági tanulmányt kell végeznie. „Négy kemény műanyag burkolatot vásároltunk – egy tipikus katonai típust, amelyet a szállítóeszközökben használnak –, és mindegyik burkolatba epoxiragasztó- és vinil-észter-prepreg-mintákat tettünk” – mondta Bergen. A dobozokat ezután négy különböző helyre helyezték el tesztelés céljából: a michigani Gougeon Brothers gyár tetején, a marylandi repülőtér tetején, a Yucca Valley-ben (Kaliforniai sivatag) lévő szabadtéri létesítményben és a dél-floridai kültéri korróziót vizsgáló laboratóriumban. Bergen rámutat, hogy minden esetben adat- és anyagmintákat veszünk értékelés céljából. A floridai és kaliforniai dobozokban rögzített maximális hőmérséklet 140 °F, ami jó a legtöbb helyreállító gyantához. Ez egy igazi kihívás.” Ezenkívül a Gougeon Brothers belsőleg tesztelte az újonnan kifejlesztett tiszta epoxigyantát. "Azok a minták, amelyeket több hónapig 120 °F-os sütőben helyeztek el, elkezdenek polimerizálni" - mondta Bergen. "Azonban a 110 °F-on tartott megfelelő minták esetében a gyanta kémiája csak kis mértékben javult."
A javítást az AMCB teszttábláján és ezen a méretarányos modelljén ellenőrizték, amely ugyanazt a laminátumot és maganyagot használta, mint a Seemann Composites által épített eredeti híd. A kép forrása: Custom Technologies LLC
A javítási technika bemutatásához reprezentatív laminátumot kell gyártani, megsérülni és javítani. „A projekt első szakaszában kezdetben kisméretű, 4 x 48 hüvelykes gerendákat és négypontos hajlítási teszteket használtunk a javítási folyamatunk megvalósíthatóságának értékelésére” – mondta Klein. „Ezután a projekt második szakaszában áttértünk a 12 x 48 hüvelykes panelekre, terheléseket alkalmaztunk, hogy meghibásodást okozó biaxiális feszültségállapotot hozzunk létre, majd értékeltük a javítási teljesítményt. A második szakaszban elkészült az általunk épített AMCB modell is, a Maintenance.”
Bergen elmondta, hogy a javítási teljesítmény bizonyítására használt tesztpanelt ugyanazon a laminátum- és maganyag-sorból gyártották, mint a Seemann Composites által gyártott AMCB, „de a panel vastagságát 0,375 hüvelykről 0,175 hüvelykre csökkentettük a párhuzamos tengely tétele alapján . Ez a helyzet. A módszert a gerendaelmélet és a klasszikus laminátumelmélet [CLT] további elemeivel együtt arra használták, hogy összekapcsolják a teljes méretű AMCB tehetetlenségi nyomatékát és effektív merevségét egy kisebb méretű demótermékkel, amely könnyebben kezelhető és több. költséghatékony. Aztán mi Az XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) által kifejlesztett végeselem-elemzési [FEA] modellt a szerkezeti javítások tervezésének javítására használták.” A tesztpanelekhez és az AMCB modellhez használt szénszálas szövetet a Vectorply-től vásároltuk, a balsa magot pedig a Core Composites (Bristol, RI, US) készítette.
1. lépés: Ez a tesztpanel egy 3 hüvelykes furatátmérőt jelenít meg, hogy szimulálja a közepén jelzett sérülést és javítsa ki a kerületet. Fotó forrása minden lépéshez: Custom Technologies LLC.
2. lépés: Használjon akkumulátoros kézi darálót a sérült anyag eltávolításához, és a javítófoltot 12:1 kúpos szöggel zárja le.
„Nagyobb fokú sérülést akarunk szimulálni a teszttáblán, mint amilyen a terepen a hídfedélzeten látható” – magyarázta Bergen. „Tehát az a módszerünk, hogy lyukfűrésszel 3 hüvelyk átmérőjű lyukat készítünk. Ezután kihúzzuk a sérült anyag dugóját, és kézi pneumatikus csiszolóval megmunkálunk egy 12:1 arányú sálat.”
Crane elmagyarázta, hogy a szénszálas/epoxi-javításhoz a „sérült” panelanyag eltávolítása és a megfelelő sál felhelyezése után a prepreget a sérült terület kúposságának megfelelően szélesre és hosszúra vágják. „Tesztpanelünk esetében ehhez négy réteg prepregre van szükség ahhoz, hogy a javítóanyag összhangban legyen az eredeti, sértetlen karbonpanel tetejével. Ezt követően a három fedőréteg karbon/epoxi prepreg erre koncentrálódik A javított részen. Minden egymást követő réteg 1 hüvelyknyire kiterjed az alsó réteg minden oldalán, ami fokozatos terhelésátvitelt biztosít a „jó” környező anyagról a javított területre.” A javítás elvégzésének teljes ideje – beleértve a javítási terület előkészítését, a helyreállítási anyag levágását és felhelyezését, valamint a kikeményedési eljárást – körülbelül 2,5 óra.
Szénszál/epoxi prepreg esetén a javítandó területet vákuumcsomagolják, és 210°F/99°C-on egy órán keresztül kikeményítik egy akkumulátoros hőragasztó segítségével.
Bár a karbon/epoxi javítás egyszerű és gyors, a csapat felismerte, hogy kényelmesebb megoldásra van szükség a teljesítmény helyreállításához. Ez az ultraibolya (UV) térhálósító prepregek feltárásához vezetett. „A Sunrez vinil-észter gyanták iránti érdeklődés a cég alapítójával, Mark Livesay-vel szerzett korábbi haditengerészeti tapasztalatokon alapul” – magyarázta Bergen. „Először kvázi-izotróp üvegszövettel láttuk el a Sunrez-et a vinil-észter prepreg felhasználásával, és különböző körülmények között értékeltük a kikeményedési görbét. Ezen túlmenően, mivel tudjuk, hogy a vinil-észter gyanta nem olyan, mint az epoxigyanta, amely megfelelő másodlagos tapadási teljesítményt biztosít, ezért további erőfeszítésekre van szükség a különböző ragasztóréteg kötőanyagok értékeléséhez és annak meghatározásához, hogy melyik a megfelelő az alkalmazáshoz.”
További probléma, hogy az üvegszálak nem tudják biztosítani ugyanazokat a mechanikai tulajdonságokat, mint a szénszálak. „A szén/epoxi tapaszhoz képest ezt a problémát egy extra réteg üveg/vinil-észter alkalmazásával oldjuk meg” – mondta Crane. "Az ok, amiért csak egy további rétegre van szükség, az az, hogy az üveg anyaga nehezebb szövet." Ez megfelelő tapaszt eredményez, amely hat percen belül felhelyezhető és kombinálható még nagyon hideg/fagyos belső hőmérsékleten is. Kikeményedés hő biztosítása nélkül. Crane rámutatott, hogy ez a javítási munka egy órán belül elvégezhető.
Mindkét javítási rendszert demonstrálták és tesztelték. Minden javításnál meg kell jelölni a sérült területet (1. lépés), lyukfűrésszel létrehozni, majd elemes kézi köszörűvel eltávolítani (2. lépés). Ezután vágja le a javított területet 12:1 arányú kúposra. Tisztítsa meg a sál felületét alkoholos párnával (3. lépés). Ezután vágja le a javítótapaszt egy bizonyos méretre, helyezze a megtisztított felületre (4. lépés), és rögzítse hengerrel a légbuborékok eltávolításához. Üvegszálas/UV-re keményedő vinil-észter prepreg esetén helyezze a leválasztó réteget a javított területre, és erősítse meg a tapaszt vezeték nélküli UV-lámpával hat percig (5. lépés). Szénszálas/epoxi prepreg esetén használjon előre programozott, egygombos, elemes hőragasztót a vákuumcsomagoláshoz, és a javított terület 99°C-on egy órán keresztül történő kikeményítéséhez.
5. lépés: Miután felhelyezte a hámlasztó réteget a javított területre, vezeték nélküli UV-lámpával 6 percig kötözze meg a tapaszt.
„Ezután teszteket végeztünk, hogy értékeljük a tapasz tapadását és azt, hogy képes-e helyreállítani a szerkezet teherbíró képességét” – mondta Bergen. „Az első szakaszban bizonyítanunk kell az alkalmazás egyszerűségét és az erő legalább 75%-ának visszanyerését. Ez négypontos hajlítással történik egy 4 x 48 hüvelykes szénszálas/epoxigyanta és balsa mag gerendán a szimulált sérülés kijavítása után. Igen. A projekt második szakaszában 12 x 48 hüvelykes panelt használtak, és több mint 90%-os szilárdsági követelményeket kell felmutatnia összetett alakváltozási terhelések mellett. Mindezen követelményeknek eleget tettünk, majd lefotóztuk a javítási módszereket az AMCB modellen. Hogyan használjuk a terepi technológiát és berendezéseket vizuális referenciaként.
A projekt egyik kulcsfontosságú szempontja annak bizonyítása, hogy a kezdők könnyen elvégezhetik a javítást. Emiatt Bergennek támadt egy ötlete: „Megígértem, hogy bemutatom a hadsereg két technikai kapcsolatát: Dr. Bernard Siának és Ashley Gennának. A projekt első szakaszának végső felülvizsgálatakor azt kértem, hogy ne javítsanak. A tapasztalt Ashley végezte el a javítást. Az általunk biztosított készlet és kézikönyv segítségével felhelyezte a tapaszt, és minden probléma nélkül elvégezte a javítást.
2. ábra Az akkumulátorral működő, előre programozott, akkumulátorral működő termikus ragasztógép a szénszálas/epoxi javítófoltot egyetlen gombnyomással kikeményíti, anélkül, hogy javítási ismeretekre vagy térhálósítási ciklus programozásra lenne szüksége. A kép forrása: Custom Technologies, LLC
Egy másik kulcsfontosságú fejlesztés az akkumulátorral működő térhálósító rendszer (2. ábra). „A helyszíni karbantartás révén csak akkumulátort kap” – mutatott rá Bergen. „Az általunk kifejlesztett javítókészletben található összes technológiai berendezés vezeték nélküli.” Ez magában foglalja a Custom Technologies és a termikus ragasztógép beszállítója, a WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA) által közösen kifejlesztett akkumulátoros termikus kötést. "Ez az akkumulátorral működő termikus kötőanyag előre be van programozva a teljes kikeményítésre, így a kezdőknek nem kell programozniuk a kikeményedési ciklust" - mondta Crane. „Csak meg kell nyomniuk egy gombot a megfelelő rámpa befejezéséhez és az áztatáshoz.” A jelenleg használt akkumulátorok akár egy évig is kitartanak, mielőtt újra kell tölteni őket.
A projekt második szakaszának befejeztével a Custom Technologies további fejlesztési javaslatokat készít, valamint érdeklődő és támogató leveleket gyűjt. „Az a célunk, hogy ezt a technológiát TRL 8-ra érleljük, és a terepen hozzuk” – mondta Bergen. „Látjuk a nem katonai alkalmazások lehetőségét is.”
Elmagyarázza az iparág első szálerősítésének régi művészetét, és mélyrehatóan ismeri az új száltudományt és a jövőbeli fejlesztéseket.
A hamarosan megjelenő és első alkalommal repülõ 787 a kompozit anyagok és eljárások innovációira támaszkodik céljainak elérése érdekében.
Feladás időpontja: 2021.02.02