De draagbare kit kan worden gerepareerd met UV-schakelbare glasvezel/vinylester of koolstofvezel/epoxy-prepreg opgeslagen bij kamertemperatuur en batterij-aangehrokkelingsapparatuur. #InsidEmabricuring #infrastructuur
UV-CUTUBLE PREPREG PATCH REPARATIE Hoewel de koolstofvezel/epoxy prepreg reparatie is ontwikkeld door Custom Technologies LLC voor de Infield Composite Bridge, bleek eenvoudig en snel te zijn, het gebruik van glasvezelversterkte UV-te maken UV-teen vinyl ester prepreg heeft een handiger systeem ontwikkeld . Afbeeldingsbron: Custom Technologies LLC
Modulaire inzetbare bruggen zijn kritische activa voor militaire tactische operaties en logistiek, evenals het herstel van transportinfrastructuur tijdens natuurrampen. Composietstructuren worden bestudeerd om het gewicht van dergelijke bruggen te verminderen, waardoor de last voor transportvoertuigen en lanceerherstelmechanismen wordt verminderd. In vergelijking met metaalbruggen hebben composietmaterialen ook het potentieel om de belastingdragende capaciteit te vergroten en de levensduur te verlengen.
De geavanceerde modulaire composietbrug (AMCB) is een voorbeeld. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, US) en Materials Sciences LLC (Horsham, PA, VS) Gebruik koolstofvezelversterkte epoxylaminaten (figuur 1). ) Ontwerp en constructie). Het vermogen om dergelijke structuren in het veld te repareren, is echter een probleem geweest dat de goedkeuring van samengestelde materialen belemmert.
Figuur 1 Composietbrug, belangrijke infield activa geavanceerde modulaire composietbrug (AMCB) werd ontworpen en geconstrueerd door Seemann Composites LLC en Materials Sciences LLC met behulp van koolstofvezelversterkte epoxyharscomposieten. Afbeeldingsbron: Seeman Composites LLC (links) en het Amerikaanse leger (rechts).
In 2016 ontving Custom Technologies LLC (Millersville, MD, US) een fase 1-subsidie van het Amerikaanse leger-innovatie-innovatie (SBIR) om een reparatiemethode te ontwikkelen die met succes 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 batterij-apparatuur te presenteren, zelfs als de patch wordt uitgevoerd door een beginner zonder voorafgaande training, kan 90% of meer van de structuur rauw worden hersteld kracht. De haalbaarheid van de technologie wordt bepaald door een reeks analyse, materiaalselectie, exemplaarproductie en mechanische testtaken uit te voeren, evenals kleinschalige en volledige reparaties.
De belangrijkste onderzoeker in de twee SBIR -fasen is Michael Bergen, de oprichter en president van Custom Technologies LLC. Bergen trok zich terug uit Carderock van het Naval Surface Warfare Center (NSWC) en diende 27 jaar op de structuren en materialen, waar hij de ontwikkeling en toepassing van composiettechnologieën in de vloot van de Amerikaanse marine beheerde. Dr. Roger Crane trad in 2015 in dienst bij Custom Technologies na zijn pensioen van de Amerikaanse marine in 2011 en heeft 32 jaar gediend. Zijn expertise op het gebied van samengestelde materialen omvat technische publicaties en patenten, met betrekking tot onderwerpen zoals nieuwe composietmaterialen, prototypeproductie, verbindingsmethoden, multifunctionele composietmaterialen, structurele gezondheidsmonitoring en herstel van composietmateriaal.
De twee experts hebben een uniek proces ontwikkeld dat composietmaterialen gebruikt om de scheuren te herstellen in de aluminium bovenbouw van de Ticonderoga CG-47 klasse geleide raketcruiser 5456. "Het proces is ontwikkeld om de groei van scheuren te verminderen en om te dienen als een economisch alternatief tot de vervanging van een platformbord van 2 tot 4 miljoen dollar, 'zei Bergen. “Dus we hebben bewezen dat we weten hoe we reparaties moeten uitvoeren buiten het laboratorium en in een echte serviceomgeving. Maar de uitdaging is dat de huidige methoden voor militaire activa niet erg succesvol zijn. De optie is gebonden duplexreparatie [in principe in beschadigde gebieden lijm een bord op de bovenkant] of verwijder het actief uit service voor reparaties op magazijnniveau (D-niveau). Omdat reparaties op D-niveau vereist zijn, worden veel activa opzij gezet. ”
Hij zei verder dat wat nodig is een methode is die kan worden uitgevoerd door soldaten zonder ervaring in samengestelde materialen, met alleen kits en onderhoudshandleidingen. Ons doel is om het proces eenvoudig te maken: lees de handleiding, evalueer de schade en voer reparaties uit. We willen geen vloeibare harsen mengen, omdat dit een precieze metingen vereist om volledige genezing te garanderen. We hebben ook een systeem nodig zonder gevaarlijk afval nadat reparaties zijn voltooid. En het moet worden verpakt als een kit die kan worden geïmplementeerd door het bestaande netwerk. ”
Een oplossing die aangepaste technologieën met succes hebben aangetoond, is een draagbare kit die een harde epoxy -lijm gebruikt om de lijmcomposietpleister aan te passen aan de grootte van de schade (tot 12 vierkante inch). De demonstratie werd voltooid op een composietmateriaal dat een 3-inch dik AMCB-deck vertegenwoordigt. Het composietmateriaal heeft een 3 -inch dikke balsa houten kern (15 pond per kubieke voetdichtheid) en twee lagen vectory (Phoenix, Arizona, US) C -LT 1100 koolstofvezel 0 °/90 ° Biaxiale gestikte stof, één laag van C-TLX 1900 Koolstofvezel 0 °/+45 °/-45 ° drie schachten en twee lagen C-LT 1100, in totaal vijf lagen. "We hebben besloten dat de kit geprefabriceerde patches zal gebruiken in een quasi-isotrope laminaat vergelijkbaar met een multi-as, zodat de stofrichting geen probleem zal zijn," zei Crane.
Het volgende probleem is de harsmatrix die wordt gebruikt voor laminaatreparatie. Om het mengen van vloeibare hars te voorkomen, gebruikt de patch prepreg. "Deze uitdagingen zijn echter opslag," legde Bergen uit. Om een opbergbare patch -oplossing te ontwikkelen, heeft Custom Technologies een partnerschap aangegaan met Sunrez Corp. (El Cajon, Californië, VS) om een prepreg van glasvezel/vinylester te ontwikkelen die ultraviolet licht (UV) kan gebruiken in zes minuten lichte uitharding. Het werkte ook samen met Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, VS), die het gebruik van een nieuwe flexibele epoxyfilm suggereerde.
Vroege studies hebben aangetoond dat epoxyhars de meest geschikte hars is voor koolstofvezel prepregs-uv-bundelige vinylester en doorschijnende glasvezel werkt goed, maar genezen niet onder lichte blokkeer koolstofvezel. Gebaseerd op de nieuwe film van Gougeon Brothers, wordt de laatste epoxy-prepreg 1 uur genezen bij 210 ° F/99 ° C en heeft een lange houdbaarheid bij kamertemperatuur-geen behoefte aan opslag met lage temperaturen. Bergen zei dat als een hogere glasovergangstemperatuur (TG) vereist is, de hars ook bij een hogere temperatuur wordt genezen, zoals 350 ° F/177 ° C. Beide prepregs worden aangeboden in een draagbare reparatiekit als een stapel prepreg patches verzegeld in een plastic filmomhulling.
Aangezien de reparatiekit lang kan worden opgeslagen, is aangepaste technologieën nodig om een planklevenstudie uit te voeren. "We hebben vier harde plastic behuizingen gekocht - een typisch militair type dat wordt gebruikt in transportapparatuur - en plaatsen monsters van epoxy -lijm en vinylester prepreg in elke behuizing," zei Bergen. De dozen werden vervolgens op vier verschillende locaties geplaatst om te testen: het dak van de Gougeon Brothers Factory in Michigan, het dak van de luchthaven van Maryland, de outdoorfaciliteit in Yucca Valley (California Desert) en het Outdoor Corrosion Testing Laboratory in Zuid -Florida. Alle gevallen hebben gegevensloggers, wijst Bergen erop: “We nemen gegevens en materiaalmonsters om de drie maanden voor evaluatie. De maximale temperatuur geregistreerd in de dozen in Florida en Californië is 140 ° F, wat goed is voor de meeste herstelharsen. Het is een echte uitdaging. " Bovendien testten Gougeon Brothers intern de nieuw ontwikkelde pure epoxyhars. "Monsters die gedurende enkele maanden bij 120 ° F in een oven zijn geplaatst, beginnen te polymeriseren," zei Bergen. "Voor de overeenkomstige monsters die bij 110 ° F worden bewaard, is de harschemie echter alleen met een kleine hoeveelheid verbeterd."
De reparatie werd geverifieerd op het testbord en dit schaalmodel van AMCB, dat hetzelfde laminaat en kernmateriaal gebruikte als de oorspronkelijke brug gebouwd door Seemann Composites. Afbeeldingsbron: Custom Technologies LLC
Om de reparatietechniek aan te tonen, moet een representatief laminaat worden vervaardigd, beschadigd en gerepareerd. "In de eerste fase van het project hebben we aanvankelijk kleinschalige 4 x 48-inch balken en vierpunts buigtests gebruikt om de haalbaarheid van ons reparatieproces te evalueren," zei Klein. “Vervolgens zijn we overgegaan naar 12 x 48 inch panelen in de tweede fase van het project, laden om een biaxiale stressstatus te genereren om falen te veroorzaken en vervolgens de reparatieprestaties te evalueren. In de tweede fase hebben we ook het AMCB -model voltooid dat we onderhoud hebben opgebouwd. ”
Bergen zei dat het testpaneel dat werd gebruikt om te bewijzen dat de reparatieprestaties werden vervaardigd met dezelfde lijn van laminaten en kernmaterialen als AMCB vervaardigd door Seemann Composites, “maar we hebben de paneeldikte verminderd van 0,375 inch tot 0,175 inch, gebaseerd op de parallel as theorie . Dit is het geval. De methode, samen met de extra elementen van de bundeltheorie en de klassieke laminaattheorie [CLT], werd gebruikt om het traagheidsmoment en de effectieve stijfheid van de volledige AMCB te koppelen met een kleinere demo-product dat gemakkelijker te hanteren is en meer kosteneffectief. Vervolgens werden wij het eindige -elementanalyse [FEA] -model ontwikkeld door Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, VS) gebruikt om het ontwerp van structurele reparaties te verbeteren. ” Het koolstofvezelstof dat werd gebruikt voor de testpanelen en het AMCB -model werd gekocht bij Vectorply, en de Balsa -kern werd gemaakt door kerncomposieten (Bristol, RI, VS).
Stap 1. Dit testpaneel toont een diameter van 3 inch gaten om schade in het midden te simuleren en de omtrek te repareren. Fotobron voor alle stappen: Custom Technologies LLC.
Stap 2. Gebruik een handgeschakelde handmatige molen op batterijen om het beschadigde materiaal te verwijderen en de reparatiepleister in te vullen met een 12: 1 taper.
"We willen een hogere mate van schade op het testbord simuleren dan te zien is op het brugdek in het veld," legde Bergen uit. “Dus onze methode is om een gatzaag te gebruiken om een gat met een diameter van 3 inch te maken. Vervolgens trekken we de plug van het beschadigde materiaal eruit en gebruiken we een handige pneumatische grinder om een 12: 1-sjaal te verwerken. "
Crane legde uit dat voor koolstofvezel/epoxy -reparatie, zodra het "beschadigde" paneelmateriaal is verwijderd en een geschikte sjaal is toegepast, de prepreg wordt gesneden tot breedte en lengte om overeen te komen met de taper van het beschadigde gebied. “Voor ons testpaneel vereist dit vier lagen prepreg om het reparatiemateriaal consistent te houden met de bovenkant van het oorspronkelijke onbeschadigde koolstofpaneel. Daarna zijn de drie bedekkende lagen van koolstof/epoxy prepreg hierop geconcentreerd op het gerepareerde onderdeel. Elke opeenvolgende laag strekt zich 1 inch uit aan alle zijden van de onderste laag, die een geleidelijke belastingoverdracht biedt van het "goede" omliggende materiaal naar het gerepareerde gebied. " De totale tijd om dit reparatie uit te voeren, waaronder het voorbereiding van het reparatiegebied, het snijden en plaatsen van het restauratiemateriaal en het passen van de uithardingsprocedure 2,5 uur toepassen.
Voor koolstofvezel/epoxy prepreg is het reparatiegebied vacuüm verpakt en uitgehard bij 210 ° F/99 ° C gedurende een uur met behulp van een thermische bonder met batterijen.
Hoewel koolstof/epoxy -reparatie eenvoudig en snel is, erkende het team de noodzaak van een handiger oplossing om de prestaties te herstellen. Dit leidde tot de verkenning van ultraviolet (UV) genezende prepregs. "De interesse in Sunrez Vinyl Esterins is gebaseerd op eerdere marine -ervaring met de oprichter van het bedrijf Mark Livesay," legde Bergen uit. “We voor het eerst voorzien van Sunrez van een quasi-isotrope glasstof, met behulp van hun vinylester prepreg, en evalueerden de uithardingcurve onder verschillende omstandigheden. Omdat we weten, omdat we weten dat vinylesterhars niet zoals epoxyhars is die geschikte secundaire adhesieprestaties biedt, zijn er extra inspanningen nodig om verschillende lijmlaagkoppelingsmiddelen 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. "In vergelijking met koolstof/epoxy -patch wordt dit probleem opgelost door een extra laag glas/vinylester te gebruiken," zei Crane. "De reden waarom slechts één extra laag nodig is, is dat het glazen materiaal een zwaardere stof is." Dit produceert een geschikte patch die binnen zes minuten kan worden aangebracht en gecombineerd, zelfs bij zeer koude/bevriezingsinfield -temperaturen. Uitharden zonder warmte te bieden. Crane wees erop dat dit reparatiewerkzaamheden binnen een uur kunnen worden voltooid.
Beide patch -systemen zijn aangetoond en getest. Voor elke reparatie wordt het te beschadigen gebied gemarkeerd (stap 1), gemaakt met een gatzaag en vervolgens verwijderd met behulp van een handgeschakelde batterijen (stap 2). Snijd vervolgens het gerepareerde gebied in een taps van 12: 1. Reinig het oppervlak van de sjaal met een alcoholkussen (stap 3). Snijd vervolgens de reparatiepleister tot een bepaalde grootte, plaats deze op het gereinigde oppervlak (stap 4) en consolideer het met een rol om luchtbellen te verwijderen. Plaats voor het gerepareerde gebied voor glazen vezels/UV-cururing vinylester prepreg en plaats vervolgens de releaselaag op het gerepareerde gebied en genees de patch met een draadloze UV-lamp gedurende zes minuten (stap 5). Gebruik voor koolstofvezel/epoxy prepreg een voorgeprogrammeerde, met één knop, batterij-aangedreven thermische bonder om het gerepareerde gebied te vacuümpakket en te genezen bij 210 ° F/99 ° C gedurende een uur.
Stap 5. Gebruik een draadloze UV -lamp na het plaatsen van de peelinglaag op het gerepareerde gebied om de patch gedurende 6 minuten te genezen.
"Vervolgens hebben we tests uitgevoerd om de hechtelijkheid van de patch te evalueren en het vermogen ervan om de belastingdragende capaciteit van de structuur te herstellen," zei Bergen. “In de eerste fase moeten we het gemak van de toepassing bewijzen en de mogelijkheid om ten minste 75% van de sterkte te herstellen. Dit wordt gedaan door vierpunts buigen op een 4 x 48 inch koolstofvezel/epoxyhars en balsa kernstraal na het repareren van de gesimuleerde schade. Ja. De tweede fase van het project gebruikte een paneel van 12 x 48 inch en moet meer dan 90% sterkte -eisen vertonen onder complexe spanningsbelastingen. We voldeden aan al deze vereisten en hebben vervolgens de reparatiemethoden op het AMCB -model gefotografeerd. Hoe u Infield -technologie en -apparatuur kunt gebruiken om een visuele referentie te bieden. ”
Een belangrijk aspect van het project is om te bewijzen dat beginners de reparatie gemakkelijk kunnen voltooien. Om deze reden had Bergen een idee: “Ik heb beloofd onze twee technische contacten in het leger aan te tonen: Dr. Bernard Sia en Ashley Genna. In de laatste beoordeling van de eerste fase van het project vroeg ik om geen reparaties. Ervaren Ashley voerde de reparatie uit. Met behulp van de kit en de handleiding die we hebben verstrekt, paste ze de patch toe en voltooide de reparatie zonder problemen. ”
Afbeelding 2 De voorgeprogrammeerde, batterij-aangedreven, batterij-aangedreven thermische bindingsmachine kan de koolstofvezel/epoxy-reparatiepleister op een druk op de knop genezen, zonder de programmering van de herstel kennis of uithardingscyclus. Afbeeldingsbron: aangepaste technologieën, LLC
Een andere sleutelontwikkeling is het batterij-aangedreven hardingsysteem (figuur 2). "Door onderhoud van infield heeft u alleen batterijvermogen," merkte Bergen op. "Alle procesapparatuur in de reparatiekit die we hebben ontwikkeld, is draadloos." Dit omvat op batterijenstrachtige thermische binding die gezamenlijk wordt ontwikkeld door aangepaste technologieën en leverancier van thermische bindingsmachine Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, VS) machine. "Deze thermische bonder op batterijen is voorgeprogrammeerd om uitharding te voltooien, dus beginners hoeven de uithardingscyclus niet te programmeren," zei Crane. "Ze hoeven alleen maar op een knop te drukken om de juiste helling te voltooien en te weken." De batterijen die momenteel in gebruik zijn, kunnen een jaar duren voordat ze moeten worden opgeladen.
Met de voltooiing van de tweede fase van het project is Custom Technologies het voorbereiden van follow-up verbeteringsvoorstellen en het verzamelen van belangen en ondersteuning. "Ons doel is om deze technologie te rijpen naar TRL 8 en het naar het veld te brengen," zei Bergen. "We zien ook het potentieel voor niet-militaire toepassingen."
Legt de oude kunst uit achter de eerste vezelversterking van de industrie en heeft een diepgaand begrip van nieuwe vezelwetenschap en toekomstige ontwikkeling.
Binnenkort en voor het eerst vliegen, vertrouwt de 787 op innovaties in samengestelde materialen en processen om zijn doelen te bereiken
Posttijd: SEP-02-2021