Преносиви комплет се може поправити УВ-сушећим фибергласом/винил естром или угљеничним влакнима/епоксидним препрегом који се чува на собној температури и опремом за сушење на батерије. #унутарпроизводње #инфраструктура
Поправка препрегом који се стврдњава УВ зрачењем Иако се поправка препрегом од угљеничних влакана/епоксида коју је развила компанија Custom Technologies LLC за композитни мост унутар терена показала једноставном и брзом, употреба винил естарске смоле Prepreg ојачане стакленим влакнима која се стврдњава УВ зрачењем довела је до развоја практичнијег система. Извор слике: Custom Technologies LLC
Модуларни распоредиви мостови су кључна средства за војне тактичке операције и логистику, као и за обнову транспортне инфраструктуре током природних катастрофа. Композитне структуре се проучавају како би се смањила тежина таквих мостова, чиме би се смањило оптерећење транспортних возила и механизама за лансирање и опоравак. У поређењу са металним мостовима, композитни материјали такође имају потенцијал да повећају носивост и продуже век трајања.
Напредни модуларни композитни мост (AMCB) је један пример. Seemann Composites LLC (Галфпорт, Мисисипи, САД) и Materials Sciences LLC (Хоршам, Пенсилванија, САД) користе епоксидне ламинанте ојачане угљеничним влакнима (слика 1). ) Пројектовање и изградња). Међутим, могућност поправке таквих структура на терену је проблем који омета усвајање композитних материјала.
Слика 1 Композитни мост, кључна предност унутрашњег терена Напредни модуларни композитни мост (AMCB) пројектовали су и изградили Seemann Composites LLC и Materials Sciences LLC користећи епоксидне смоле ојачане угљеничним влакнима. Извор слике: Seeman Composites LLC (лево) и америчка војска (десно).
Године 2016, компанија Custom Technologies LLC (Милерсвил, Мериленд, САД) добила је грант Фазе 1 програма за истраживање иновација малих предузећа (SBIR) који је финансирала америчка војска, за развој методе поправке коју војници могу успешно да изведу на лицу места. На основу овог приступа, друга фаза SBIR гранта је додељена 2018. године како би се представили нови материјали и опрема на батерије; чак и ако крпљење изврши почетник без претходне обуке, може се обновити 90% или више структуре. Изводљивост технологије се одређује извођењем низа анализа, избором материјала, израдом узорака и механичким испитивањима, као и поправкама малог и пуног обима.
Главни истраживач у две фазе SBIR-а је Мајкл Берген, оснивач и председник компаније Custom Technologies LLC. Берген се пензионисао из Кардерока у Центру за површинско ратовање морнарице (NSWC) и служио је у Одељењу за структуре и материјале 27 година, где је управљао развојем и применом композитних технологија у флоти америчке морнарице. Др Роџер Крејн се придружио компанији Custom Technologies 2015. године након пензионисања из америчке морнарице 2011. године и служи већ 32 године. Његова стручност у области композитних материјала обухвата техничке публикације и патенте, који покривају теме као што су нови композитни материјали, производња прототипова, методе повезивања, мултифункционални композитни материјали, праћење здравља конструкција и рестаурација композитних материјала.
Два стручњака су развила јединствени процес који користи композитне материјале за поправку пукотина у алуминијумској надградњи крстарице 5456 класе Тикондерога ЦГ-47. „Процес је развијен како би се смањио раст пукотина и послужио као економична алтернатива замени платформске плоче од 2 до 4 милиона долара“, рекао је Берген. „Тако смо доказали да знамо како да извршимо поправке ван лабораторије и у стварном сервисном окружењу. Али изазов је што тренутне методе за војну имовину нису баш успешне. Опција је лепљење дуплекс поправке [у основи на оштећеним подручјима лепљење плоче на врх] или уклањање средства из употребе за поправке на нивоу складишта (ниво Д). Пошто су потребне поправке нивоа Д, многа средства се стављају на страну.“
Даље је рекао да је потребна метода коју могу да примене војници без искуства са композитним материјалима, користећи само комплете и упутства за одржавање. Наш циљ је да процес учинимо једноставним: прочитајте упутство, процените штету и извршите поправке. Не желимо да мешамо течне смоле, јер то захтева прецизно мерење како би се осигурало потпуно очвршћавање. Такође нам је потребан систем без опасног отпада након завршетка поправки. И мора бити упакован као комплет који се може распоредити путем постојеће мреже.
Једно решење које је компанија Custom Technologies успешно демонстрирала је преносиви комплет који користи очвршћени епоксидни лепак за прилагођавање лепљивог композитног фластера према величини оштећења (до 12 квадратних инча). Демонстрација је завршена на композитном материјалу који представља AMCB палубу дебљине 3 инча. Композитни материјал има језгро од балса дрвета дебљине 3 инча (густина 15 фунти по кубном метру) и два слоја Vectorply (Феникс, Аризона, САД) C-LT 1100 угљеничних влакана 0°/90° двоосно прошивене тканине, један слој C-TLX 1900 угљеничних влакана 0°/+45°/-45° три осовине и два слоја C-LT 1100, укупно пет слојева. „Одлучили смо да ће комплет користити префабриковане фластере у квазиизотропном ламинату сличном вишеосном, тако да смер тканине неће бити проблем“, рекао је Крејн.
Следеће питање је матрица смоле која се користи за поправку ламината. Да би се избегло мешање течне смоле, закрпа ће се користити препрег. „Међутим, ови изазови су складиштење“, објаснио је Берген. Да би развили решење за закрпу које се може складиштити, компанија Custom Technologies је склопила партнерство са Sunrez Corp. (Ел Кахон, Калифорнија, САД) како би развила препрег од стаклених влакана/винил естра који може да користи ултраљубичасто светло (UV) за шест минута и да се стврдне светлошћу. Такође је сарађивала са Gougeon Brothers (Беј Сити, Мичиген, САД), која је предложила употребу новог флексибилног епоксидног филма.
Ране студије су показале да је епоксидна смола најпогоднија смола за препреге од угљеничних влакана - винил естар који се стврдњава под УВ зрачењем и провидна стаклена влакна добро функционишу, али се не стврдњавају под утицајем угљеничних влакана која блокирају светлост. На основу новог филма компаније Gougeon Brothers, коначни епоксидни препрег се стврдњава 1 сат на 99°C и има дуг рок трајања на собној температури - нема потребе за складиштењем на ниским температурама. Берген је рекао да ако је потребна виша температура преласка у стакласто стање (Tg), смола ће се такође стврдњавати на вишој температури, као што је 177°C. Оба препрега се испоручују у преносивом комплету за поправку као гомила препрега запечаћених у омотачу од пластичне фолије.
Пошто се комплет за поправку може складиштити дуже време, компанија Custom Technologies је дужна да спроведе студију о року трајања. „Купили смо четири кућишта од тврде пластике – типичан војни тип који се користи у транспортној опреми – и ставили узорке епоксидног лепка и винил естарског препрега у свако кућиште“, рекао је Берген. Кутије су затим постављене на четири различите локације ради тестирања: кров фабрике Gougeon Brothers у Мичигену, кров аеродрома у Мериленду, спољни објекат у долини Јука (калифорнијска пустиња) и лабораторију за испитивање корозије на отвореном у јужној Флориди. Сва кућишта имају уређаје за логеровање података, истиче Берген, „Узимамо узорке података и материјала за процену свака три месеца. Максимална температура забележена у кутијама на Флориди и у Калифорнији је 140°F, што је добро за већину смола за рестаурацију. То је прави изазов.“ Поред тога, Gougeon Brothers је интерно тестирао новоразвијену чисту епоксидну смолу. „Узорци који су стављени у пећ на 120°F неколико месеци почињу да се полимеризују“, рекао је Берген. „Међутим, за одговарајуће узорке чуване на 110°F, хемијски састав смоле се побољшао само за незнатну количину.“
Поправка је верификована на тестној плочи и овој макети моста AMCB у размери, који је користио исти ламинат и материјал језгра као и оригинални мост који је изградила компанија Seemann Composites. Извор слике: Custom Technologies LLC
Да би се демонстрирала техника поправке, мора се произвести, оштетити и поправити репрезентативни ламинат. „У првој фази пројекта, у почетку смо користили мале греде димензија 4 x 48 инча и тестове савијања у четири тачке како бисмо проценили изводљивост нашег процеса поправке“, рекао је Клајн. „Затим смо у другој фази пројекта прешли на панеле димензија 12 x 48 инча, применили оптерећења да бисмо генерисали двоосно стање напона које би изазвало квар, а затим смо проценили перформансе поправке. У другој фази, такође смо завршили AMCB модел одржавања који смо направили.“
Берген је рекао да је тест панел који је коришћен за доказивање перформанси поправке произведен коришћењем исте линије ламината и језгра као и AMCB који производи Seemann Composites, „али смо смањили дебљину панела са 0,375 инча на 0,175 инча, на основу теореме о паралелним осама. То је случај. Метода, заједно са додатним елементима теорије греда и класичне теорије ламината [CLT], коришћена је за повезивање момента инерције и ефективне крутости AMCB-а пуне величине са демо производом мање величине који је лакши за руковање и исплативији. Затим, ми смо... Модел анализе коначних елемената [FEA] који је развила компанија XCraft Inc. (Бостон, Масачусетс, САД) коришћен је за побољшање дизајна структурних поправки.“ Тканина од угљеничних влакана која се користи за тест панеле и AMCB модел купљена је од Vectorply-а, а балса језгро је направио Core Composites (Бристол, Роуд Ајланд, САД).
Корак 1. Ова тест плоча приказује рупу пречника 7,6 цм како би се симулирала оштећења означена у центру и поправио обод. Извор фотографије за све кораке: Custom Technologies LLC.
Корак 2. Користите ручну брусилицу на батерије да бисте уклонили оштећени материјал и затворили закрпу за поправку конусом од 12:1.
„Желимо да симулирамо већи степен оштећења на тестној плочи него што би се могао видети на мостовској конструкцији на терену“, објаснио је Берген. „Дакле, наша метода је да користимо тестеру за рупе да направимо рупу пречника 3 инча. Затим извлачимо чеп оштећеног материјала и користимо ручну пнеуматску брусилицу да обрадимо рупу од 12:1.“
Крејн је објаснио да ће се за поправку угљеничним влакнима/епоксидом, након што се уклони „оштећени“ материјал панела и нанесе одговарајућа марамица, препрег сећи на ширину и дужину како би се подударио са конусом оштећеног подручја. „За наш тест панел, ово захтева четири слоја препрега како би материјал за поправку био у складу са врхом оригиналног неоштећеног угљеничног панела. Након тога, три покривна слоја угљеничног/епоксидног препрега се концентришу на овом поправљеном делу. Сваки наредни слој се протеже 2,5 цм са свих страна доњег слоја, што омогућава постепен пренос оптерећења са „доброг“ околног материјала на поправљено подручје.“ Укупно време потребно за извођење ове поправке - укључујући припрему подручја за поправку, сечење и постављање материјала за рестаурацију и примену поступка очвршћавања - приближно 2,5 сата.
За препрег од угљеничних влакана/епоксида, подручје поправке се вакуумски пакује и очвршћава на 99°C током једног сата помоћу термичког лепка на батерије.
Иако је поправка угљеником/епоксидом једноставна и брза, тим је препознао потребу за практичнијим решењем за обнављање перформанси. То је довело до истраживања препрега који се стврдњавају ултраљубичастим (УВ) зрачењем. „Интересовање за винил естарске смоле компаније Sunrez заснива се на претходном искуству у поморству са оснивачем компаније, Марком Ливесијем“, објаснио је Берген. „Прво смо обезбедили компанији Sunrez квазиизотропну стаклену тканину, користећи њихов винил естарски препрег, и проценили криву стврдњавања под различитим условима. Поред тога, пошто знамо да винил естарска смола није попут епоксидне смоле која пружа одговарајуће перформансе секундарне адхезије, потребни су додатни напори да се процене различита средства за спајање лепљивих слојева и утврди које је погодно за примену.“
Још један проблем је што стаклена влакна не могу да пруже иста механичка својства као угљенична влакна. „У поређењу са угљеничном/епоксидном закрпом, овај проблем се решава употребом додатног слоја стакла/винил естра“, рекао је Крејн. „Разлог зашто је потребан само један додатни слој је тај што је стаклени материјал тежа тканина.“ Ово производи одговарајућу закрпу која се може нанети и комбиновати у року од шест минута чак и на веома хладним/ниским температурама на терену. Стврдњава се без загревања. Крејн је истакао да се ови поправци могу завршити у року од сат времена.
Оба система закрпа су демонстрирана и тестирана. За сваку поправку, подручје које треба оштетити се обележава (корак 1), прави се кружном тестером, а затим се уклања помоћу ручне брусилице на батерије (корак 2). Затим се поправљено подручје сече у конус од 12:1. Очистите површину марамице алкохолним јастучићем (корак 3). Затим, исеците закрпу за поправку на одређену величину, поставите је на очишћену површину (корак 4) и учврстите је ваљком да бисте уклонили мехуриће ваздуха. За препрег од стаклених влакана/винилестера који се стврдњава УВ зрачењем, поставите слој за одвајање на поправљено подручје и сушите закрпу бежичном УВ лампом шест минута (корак 5). За препрег од угљеничних влакана/епоксида, користите унапред програмирани, једним дугметом, батеријски термички лепак за вакуумско паковање и сушење поправљеног подручја на 99°C током једног сата.
Корак 5. Након што поставите слој за пилинг на поправљено подручје, користите бежичну УВ лампу да бисте сушили фластер 6 минута.
„Затим смо спровели тестове како бисмо проценили лепљивост закрпе и њену способност да обнови носивост конструкције“, рекао је Берген. „У првој фази, потребно је да докажемо лакоћу примене и могућност опоравка најмање 75% чврстоће. То се ради савијањем у четири тачке на греди од угљеничних влакана/епоксидне смоле и балсе димензија 4 x 48 инча након поправке симулираног оштећења. Да. У другој фази пројекта коришћен је панел димензија 12 x 48 инча и мора се показати више од 90% захтева за чврстоћу под сложеним оптерећењима напрезања. Испунили смо све ове захтеве, а затим фотографисали методе поправке на AMCB моделу. Како користити технологију и опрему на терену да би се обезбедила визуелна референца.“
Кључни аспект пројекта је да се докаже да почетници могу лако да заврше поправку. Из тог разлога, Берген је имао идеју: „Обећао сам да ћу демонстрирати нашим двојици техничких контакта у војсци: др Бернарду Сији и Ешли Џени. У завршном прегледу прве фазе пројекта, тражио сам да се не врше поправке. Искусна Ешли је извршила поправку. Користећи комплет и упутство које смо јој обезбедили, поставила је закрпу и завршила поправку без икаквих проблема.“
Слика 2. Батеријски напајана, унапред програмирана машина за термичко лепљење може да очврсне закрпу за поправку од угљеничних влакана/епоксидне смоле притиском на дугме, без потребе за знањем о поправци или програмирањем циклуса очвршћавања. Извор слике: Custom Technologies, LLC
Још један кључни развој је систем за очвршћавање који се напаја батеријама (слика 2). „Током одржавања на терену, имате само напајање батеријама“, истакао је Берген. „Сва процесна опрема у комплету за поправку који смо развили је бежична.“ Ово укључује машину за термичко лепљење на батерије коју су заједнички развили компаније Custom Technologies и добављач машина за термичко лепљење WichiTech Industries Inc. (Рандалстаун, Мериленд, САД). „Овај уређај за термичко лепљење на батерије је унапред програмиран да заврши очвршћавање, тако да почетници не морају да програмирају циклус очвршћавања“, рекао је Крејн. „Само треба да притисну дугме да би завршили одговарајуће постепено повећање и намакање.“ Батерије које се тренутно користе могу трајати годину дана пре него што их је потребно поново напунити.
Са завршетком друге фазе пројекта, компанија Custom Technologies припрема предлоге за даља побољшања и прикупља писма заинтересованости и подршке. „Наш циљ је да ову технологију сазримо до нивоа TRL 8 и да је применимо на терену“, рекао је Берген. „Такође видимо потенцијал за невојне примене.“
Објашњава стару уметност која стоји иза првог армирања влакнима у индустрији и има дубинско разумевање нове науке о влакнима и будућег развоја.
Ускоро стиже и први пут лети, 787 се ослања на иновације у композитним материјалима и процесима како би постигао своје циљеве.
Време објаве: 02.09.2021.