De draagbare kit kan worden gerepareerd met UV-uithardende glasvezel/vinylester of koolstofvezel/epoxy prepreg, bewaard bij kamertemperatuur en op batterijen werkende uithardingsapparatuur. #insidemanufacturing #infrastructure
UV-uithardende prepreg reparatie. Hoewel de koolstofvezel/epoxy prepreg reparatie, ontwikkeld door Custom Technologies LLC voor de infield composiet brug, eenvoudig en snel bleek te zijn, heeft het gebruik van glasvezelversterkte UV-uithardende vinylesterhars Prepreg een handiger systeem opgeleverd. Bron afbeelding: Custom Technologies LLC
Modulaire inzetbare bruggen zijn cruciale hulpmiddelen voor militaire tactische operaties en logistiek, evenals voor het herstel van transportinfrastructuur tijdens natuurrampen. Composietconstructies worden bestudeerd om het gewicht van dergelijke bruggen te verminderen en zo de belasting van transportvoertuigen en lanceer- en bergingsmechanismen te verminderen. Vergeleken met metalen bruggen hebben composietmaterialen ook het potentieel om het draagvermogen te vergroten en de levensduur te verlengen.
De Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) is een voorbeeld. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, VS) en Materials Sciences LLC (Horsham, PA, VS) gebruiken koolstofvezelversterkte epoxylaminaten (Figuur 1). (Ontwerp en constructie). Het vermogen om dergelijke constructies ter plekke te repareren, vormt echter een probleem dat de acceptatie van composietmaterialen belemmert.
Afbeelding 1 Composietbrug, belangrijke troef in het binnenveld. De Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) is ontworpen en gebouwd door Seemann Composites LLC en Materials Sciences LLC met behulp van koolstofvezelversterkte epoxyharscomposieten. Bron afbeelding: Seemann Composites LLC (links) en het Amerikaanse leger (rechts).
In 2016 ontving Custom Technologies LLC (Millersville, Maryland, VS) een door het Amerikaanse leger gefinancierde Small Business Innovation Research (SBIR) Fase 1-subsidie om een reparatiemethode te ontwikkelen die met succes ter plaatse door soldaten kan worden uitgevoerd. Op basis van deze aanpak werd in 2018 de tweede fase van de SBIR-subsidie toegekend om nieuwe materialen en batterijgevoede apparatuur te demonstreren. Zelfs als de reparatie wordt uitgevoerd door een beginner zonder voorafgaande training, kan 90% of meer van de structuur worden hersteld. De haalbaarheid van de technologie wordt bepaald door een reeks analyses, materiaalselectie, monsterproductie en mechanische tests, evenals kleinschalige en grootschalige reparaties.
De hoofdonderzoeker in de twee SBIR-fasen is Michael Bergen, oprichter en directeur van Custom Technologies LLC. Bergen ging met pensioen bij het Naval Surface Warfare Center (NSWC) in Carderock en werkte 27 jaar bij de afdeling Structures and Materials, waar hij leiding gaf aan de ontwikkeling en toepassing van composiettechnologieën in de vloot van de Amerikaanse marine. Dr. Roger Crane trad in 2015 in dienst bij Custom Technologies, na zijn pensionering bij de Amerikaanse marine in 2011, en heeft daar 32 jaar gewerkt. Zijn expertise op het gebied van composietmaterialen omvat technische publicaties en patenten, met onderwerpen zoals nieuwe composietmaterialen, prototypeproductie, verbindingsmethoden, multifunctionele composietmaterialen, structurele gezondheidsmonitoring en restauratie van composietmaterialen.
De twee experts hebben een uniek proces ontwikkeld dat composietmaterialen gebruikt om scheuren in de aluminium bovenbouw van de Ticonderoga CG-47-klasse raketgeleide kruiser 5456 te repareren. "Het proces is ontwikkeld om de groei van scheuren te verminderen en als een economisch alternatief te dienen voor het vervangen van een platformplaat van 2 tot 4 miljoen dollar", aldus Bergen. "We hebben dus bewezen dat we weten hoe we reparaties buiten het laboratorium en in een echte serviceomgeving kunnen uitvoeren. Maar de uitdaging is dat de huidige methoden voor militaire middelen niet erg succesvol zijn. De optie is een duplexverbinding (in principe lijm je een plaat op de beschadigde plekken) of het uit dienst nemen van het middel voor reparaties op magazijnniveau (D-niveau). Omdat reparaties op D-niveau nodig zijn, worden veel middelen aan de kant gezet."
Hij vervolgde met te zeggen dat er een methode nodig is die kan worden uitgevoerd door soldaten zonder ervaring met composietmaterialen, met alleen kits en onderhoudshandleidingen. Ons doel is om het proces eenvoudig te maken: lees de handleiding, beoordeel de schade en voer reparaties uit. We willen geen vloeibare harsen mengen, omdat dit nauwkeurige metingen vereist om volledige uitharding te garanderen. We hebben ook een systeem nodig zonder gevaarlijk afval na voltooiing van de reparaties. En het moet worden verpakt als een kit die kan worden ingezet binnen het bestaande netwerk.
Een oplossing die Custom Technologies succesvol demonstreerde, is een draagbare kit die gebruikmaakt van een versterkte epoxylijm om de zelfklevende composietpatch aan te passen aan de grootte van de schade (tot 30,5 vierkante centimeter). De demonstratie werd uitgevoerd op een composietmateriaal dat een AMCB-dek van 7,6 cm dik representeert. Het composietmateriaal heeft een kern van 7,6 cm dik balsahout (dichtheid 6,8 kg per kubieke meter) en twee lagen Vectorply (Phoenix, Arizona, VS) C-LT 1100 koolstofvezel 0°/90° biaxiaal gestikt materiaal, één laag C-TLX 1900 koolstofvezel 0°/+45°/-45° drie assen en twee lagen C-LT 1100, in totaal vijf lagen. "We hebben besloten dat de kit gebruik zal maken van geprefabriceerde patches in een quasi-isotroop laminaat, vergelijkbaar met een multi-axis laminaat, zodat de richting van het materiaal geen probleem zal zijn", aldus Crane.
Het volgende probleem is de harsmatrix die gebruikt wordt voor laminaatreparatie. Om te voorkomen dat vloeibare hars wordt gemengd, wordt er prepreg gebruikt voor de reparatie. "Deze uitdaging is echter de opslag", legde Bergen uit. Om een oplossing te ontwikkelen die de reparatie kan bewaren, is Custom Technologies een samenwerking aangegaan met Sunrez Corp. (El Cajon, Californië, VS) om een glasvezel/vinylester prepreg te ontwikkelen die ultraviolet licht (UV) kan gebruiken in zes minuten lichtuitharding. Het bedrijf werkte ook samen met Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, VS), dat het gebruik van een nieuwe flexibele epoxyfolie voorstelde.
Uit eerdere studies is gebleken dat epoxyhars de meest geschikte hars is voor prepregs van koolstofvezels. UV-uithardende vinylester en doorschijnende glasvezel werken goed, maar harden niet uit onder lichtwerende koolstofvezels. De uiteindelijke epoxyprepreg, gebaseerd op de nieuwe film van Gougeon Brothers, wordt 1 uur uitgehard bij 99 °C en is lang houdbaar bij kamertemperatuur. Bewaring bij lage temperaturen is niet nodig. Bergen gaf aan dat als een hogere glasovergangstemperatuur (Tg) vereist is, de hars ook zal uitharden bij een hogere temperatuur, bijvoorbeeld 177 °C. Beide prepregs worden geleverd in een draagbare reparatieset als een stapel prepreg-patches, verzegeld in een plastic folie-envelop.
Omdat de reparatieset mogelijk lange tijd bewaard moet worden, moet Custom Technologies een houdbaarheidsonderzoek uitvoeren. "We hebben vier harde plastic behuizingen gekocht – een typisch militair type dat wordt gebruikt in transportmiddelen – en in elke behuizing monsters van epoxylijm en vinylesterprepreg geplaatst", aldus Bergen. De dozen werden vervolgens op vier verschillende locaties geplaatst om te testen: het dak van de Gougeon Brothers-fabriek in Michigan, het dak van de luchthaven van Maryland, de buitenfaciliteit in Yucca Valley (Californische woestijn) en het buitenlaboratorium voor corrosietests in Zuid-Florida. Alle dozen zijn voorzien van dataloggers, benadrukt Bergen. "We nemen elke drie maanden data- en materiaalmonsters ter evaluatie. De maximale temperatuur die in de dozen in Florida en Californië wordt geregistreerd, is 60 °C, wat goed is voor de meeste restauratieharsen. Het is een echte uitdaging." Daarnaast heeft Gougeon Brothers de nieuw ontwikkelde pure epoxyhars intern getest. "Monsters die enkele maanden in een oven bij 49 °C hebben gelegen, beginnen te polymeriseren", aldus Bergen. “Voor de overeenkomstige monsters die op 43°C werden bewaard, verbeterde de harschemie echter slechts in geringe mate.”
De reparatie werd geverifieerd op het testbord en dit schaalmodel van AMCB, dat hetzelfde laminaat en kernmateriaal gebruikte als de originele brug van Seemann Composites. Bron afbeelding: Custom Technologies LLC
Om de reparatietechniek te demonstreren, moet een representatief laminaat worden vervaardigd, beschadigd en gerepareerd. "In de eerste fase van het project gebruikten we aanvankelijk kleinschalige balken van 10 x 122 cm en vierpuntsbuigtests om de haalbaarheid van ons reparatieproces te evalueren", aldus Klein. "Daarna zijn we in de tweede fase van het project overgegaan op panelen van 30 x 122 cm, hebben we belastingen toegepast om een biaxiale spanningstoestand te creëren die tot breuk leidde, en vervolgens de reparatieprestaties geëvalueerd. In de tweede fase hebben we ook het AMCB-model voltooid dat we voor Maintenance hebben ontwikkeld."
Bergen zei dat het testpaneel dat werd gebruikt om de reparatieprestaties te bewijzen, werd vervaardigd met dezelfde lijn laminaten en kernmaterialen als AMCB, geproduceerd door Seemann Composites, "maar we hebben de paneeldikte teruggebracht van 0,375 inch naar 0,175 inch, gebaseerd op de parallelle-as-stelling. Dit is het geval. De methode, samen met de aanvullende elementen van de balktheorie en de klassieke laminaattheorie [CLT], werd gebruikt om het traagheidsmoment en de effectieve stijfheid van de AMCB op ware grootte te koppelen aan een kleiner demoproduct dat gemakkelijker te hanteren en kosteneffectiever is. Vervolgens werd het model voor eindige elementenanalyse [FEA], ontwikkeld door XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, VS), gebruikt om het ontwerp van structurele reparaties te verbeteren." Het koolstofvezelweefsel dat werd gebruikt voor de testpanelen en het AMCB-model werd gekocht bij Vectorply, en de balsa kern werd geleverd door Core Composites (Bristol, RI, VS).
Stap 1. Dit testpaneel toont een gat met een diameter van 7,6 cm om de schade in het midden te simuleren en de omtrek te repareren. Fotobron voor alle stappen: Custom Technologies LLC.
Stap 2. Verwijder het beschadigde materiaal met een handmatige slijpmachine op batterijen en omsluit het reparatiestuk met een taps toelopende vorm van 12:1.
"We willen een hogere mate van schade op het testbord simuleren dan in het veld op het brugdek te zien zou zijn", legde Bergen uit. "Onze methode is om met een gatenzaag een gat van 7,6 cm diameter te boren. Vervolgens trekken we de plug uit het beschadigde materiaal en gebruiken we een handbediende pneumatische slijpmachine om een 12:1-vervorming te maken."
Crane legde uit dat bij reparatie van koolstofvezel/epoxy, nadat het "beschadigde" paneelmateriaal is verwijderd en een geschikte afschuining is aangebracht, de prepreg op breedte en lengte wordt gesneden die overeenkomen met de tapsheid van het beschadigde gebied. "Voor ons testpaneel zijn hiervoor vier lagen prepreg nodig om het reparatiemateriaal consistent te houden met de bovenkant van het originele, onbeschadigde koolstofpaneel. Daarna worden de drie afdeklaagjes van koolstof/epoxy prepreg geconcentreerd op dit gerepareerde deel. Elke volgende laag strekt zich 2,5 cm uit aan alle zijden van de onderste laag, wat zorgt voor een geleidelijke belastingsoverdracht van het "goede" omringende materiaal naar het gerepareerde gebied." De totale tijd voor deze reparatie - inclusief de voorbereiding van het reparatiegebied, het snijden en plaatsen van het restauratiemateriaal en het uitvoeren van de uithardingsprocedure - bedraagt ongeveer 2,5 uur.
Voor koolstofvezel/epoxy prepreg wordt het reparatiegebied vacuüm verpakt en gedurende een uur bij 210°F/99°C uitgehard met behulp van een thermische bonder op batterijen.
Hoewel koolstof/epoxyreparatie eenvoudig en snel is, erkende het team de behoefte aan een handigere oplossing om de prestaties te herstellen. Dit leidde tot de verkenning van ultraviolet (UV) uithardende prepregs. "De interesse in Sunrez vinylesterharsen is gebaseerd op eerdere marine-ervaring met oprichter Mark Livesay van het bedrijf", legde Bergen uit. "We hebben Sunrez eerst voorzien van een quasi-isotroop glasweefsel, gebruikmakend van hun vinylesterprepreg, en de uithardingscurve onder verschillende omstandigheden geëvalueerd. Bovendien, omdat we weten dat vinylesterhars niet hetzelfde is als epoxyhars dat geschikte secundaire hechting biedt, zijn er extra inspanningen nodig om verschillende koppelingsmiddelen voor hechtlagen te evalueren en te bepalen welke geschikt is voor de toepassing."
Een ander probleem is dat glasvezels niet dezelfde mechanische eigenschappen kunnen bieden als koolstofvezels. "Vergeleken met carbon/epoxypleisters wordt dit probleem opgelost door een extra laag glas/vinylester te gebruiken", aldus Crane. "De reden waarom slechts één extra laag nodig is, is dat glas een zwaarder materiaal is." Dit levert een geschikte pleister op die binnen zes minuten kan worden aangebracht en gecombineerd, zelfs bij zeer lage temperaturen in het veld. Uitharding zonder warmtetoevoer. Crane wees erop dat deze reparatie binnen een uur kan worden voltooid.
Beide reparatiesystemen zijn gedemonstreerd en getest. Voor elke reparatie wordt het te beschadigen gebied gemarkeerd (stap 1), met een gatenzaag aangebracht en vervolgens verwijderd met een accu-aangedreven handslijpmachine (stap 2). Snijd het gerepareerde gebied vervolgens in een taps toelopende vorm van 12:1. Reinig het oppervlak van de scheur met een alcoholdoekje (stap 3). Snijd vervolgens het reparatiestuk op maat, plaats het op het gereinigde oppervlak (stap 4) en verstevig het met een roller om luchtbellen te verwijderen. Breng voor glasvezel/UV-uithardende vinylester prepreg de afdeklaag aan op het gerepareerde gebied en laat het zes minuten uitharden met een draadloze UV-lamp (stap 5). Gebruik voor koolstofvezel/epoxy prepreg een voorgeprogrammeerde, batterijgevoede thermische bonder met één knop om het gerepareerde gebied vacuüm te verpakken en uit te harden bij 99 °C gedurende één uur.
Stap 5. Nadat u de pellaag op het gerepareerde gebied hebt aangebracht, laat u de pleister 6 minuten uitharden met een draadloze UV-lamp.
"Vervolgens hebben we tests uitgevoerd om de hechting van de reparatiepleister te evalueren en het vermogen ervan om het draagvermogen van de constructie te herstellen", aldus Bergen. "In de eerste fase moeten we het gebruiksgemak en het vermogen om ten minste 75% van de sterkte te herstellen, aantonen. Dit gebeurt door vierpuntsbuiging op een balk van koolstofvezel/epoxyhars en balsa kern van 10 x 122 cm, na het repareren van de gesimuleerde schade. Ja. In de tweede fase van het project werd een paneel van 30 x 122 cm gebruikt en moet het paneel meer dan 90% van de sterkte-eisen behalen bij complexe rekbelastingen. We hebben aan al deze eisen voldaan en vervolgens de reparatiemethoden op het AMCB-model gefotografeerd. Hoe je infield-technologie en -apparatuur kunt gebruiken om een visuele referentie te bieden."
Een belangrijk aspect van het project is bewijzen dat beginners de reparatie gemakkelijk kunnen uitvoeren. Daarom had Bergen een idee: "Ik heb beloofd het te demonstreren aan onze twee technische contactpersonen in het leger: Dr. Bernard Sia en Ashley Genna. Tijdens de eindbeoordeling van de eerste fase van het project vroeg ik om geen reparaties. De ervaren Ashley voerde de reparatie uit. Met behulp van de kit en handleiding die we hadden verstrekt, bracht ze de patch aan en voltooide de reparatie zonder problemen."
Afbeelding 2. De op batterijen werkende thermische bondingmachine met voorgeprogrammeerde uitharding kan de reparatiepleister van koolstofvezel/epoxy met één druk op de knop uitharden, zonder dat er reparatiekennis of programmering van de uithardingscyclus nodig is. Bron afbeelding: Custom Technologies, LLC
Een andere belangrijke ontwikkeling is het batterijgevoede uithardingssysteem (figuur 2). "Bij onderhoud in het veld heb je alleen batterijvoeding", benadrukte Bergen. "Alle procesapparatuur in de reparatieset die we hebben ontwikkeld, is draadloos." Dit omvat de batterijgevoede thermische bonding, gezamenlijk ontwikkeld door Custom Technologies en WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, VS), leverancier van thermische bondingmachines. "Deze batterijgevoede thermische bonder is voorgeprogrammeerd om de uitharding te voltooien, dus beginners hoeven de uithardingscyclus niet te programmeren", aldus Crane. "Ze hoeven alleen maar op een knop te drukken om de juiste helling en soak te voltooien." De batterijen die momenteel worden gebruikt, gaan een jaar mee voordat ze moeten worden opgeladen.
Nu de tweede fase van het project is afgerond, bereidt Custom Technologies vervolgvoorstellen voor verbetering voor en verzamelt het brieven van interesse en ondersteuning. "Ons doel is om deze technologie te laten rijpen tot TRL 8 en deze in het veld te brengen", aldus Bergen. "We zien ook de potentie voor niet-militaire toepassingen."
Legt de oude kunst achter de eerste vezelversterking in de industrie uit en heeft diepgaand inzicht in de nieuwe vezelwetenschap en toekomstige ontwikkelingen.
De 787, die binnenkort voor het eerst zal vliegen, vertrouwt op innovaties in composietmaterialen en -processen om zijn doelen te bereiken
Plaatsingstijd: 02-09-2021