De draagbare kit kan worden gerepareerd met UV-uithardbare glasvezel/vinylester of koolstofvezel/epoxy prepreg die bij kamertemperatuur wordt bewaard, en met uithardingsapparatuur op batterijen.#insidemanufacturing #infrastructuur
Reparatie van UV-uithardbare prepreg-pleisters Hoewel de reparatie van koolstofvezel/epoxy-prepreg, ontwikkeld door Custom Technologies LLC voor de composietbrug in het veld, eenvoudig en snel bleek te zijn, heeft het gebruik van met glasvezel versterkte, UV-uithardbare vinylesterhars Prepreg een handiger systeem ontwikkeld. .Bron afbeelding: Custom Technologies LLC
Modulair inzetbare bruggen zijn cruciale troeven voor militaire tactische operaties en logistiek, evenals voor het herstel van de transportinfrastructuur tijdens natuurrampen.Er wordt onderzoek gedaan naar composietconstructies om het gewicht van dergelijke bruggen te verminderen, waardoor de last voor transportvoertuigen en mechanismen voor het herstel van de lancering wordt verminderd.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 met koolstofvezel versterkte epoxylaminaten (Figuur 1).) Ontwerp en bouw).Het vermogen om dergelijke structuren in het veld te repareren is echter een probleem dat de adoptie van composietmaterialen belemmert.
Figuur 1 Composietbrug, belangrijkste troef in het veld De Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) is ontworpen en gebouwd door Seemann Composites LLC en Materials Sciences LLC met behulp van met koolstofvezel versterkte epoxyharscomposieten.Bron afbeelding: Seeman Composites LLC (links) en het Amerikaanse leger (rechts).
In 2016 ontving Custom Technologies LLC (Millersville, MD, VS) een door het Amerikaanse leger gefinancierde fase 1-subsidie van Small Business Innovation Research (SBIR) 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 op batterijen werkende apparatuur te demonstreren. Zelfs als de patch wordt uitgevoerd door een beginneling zonder voorafgaande training, kan 90% of meer van de structuur worden hersteld. kracht.De haalbaarheid van de technologie wordt bepaald door het uitvoeren van een reeks analyses, materiaalselectie, monsterproductie en mechanische testtaken, 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 ging met pensioen bij Carderock van het Naval Surface Warfare Center (NSWC) en diende 27 jaar op 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 kwam in 2015 bij Custom Technologies nadat hij in 2011 met pensioen ging bij de Amerikaanse marine en heeft 32 jaar gediend.Zijn expertise op het gebied van composietmaterialen omvat technische publicaties en patenten, over onderwerpen als nieuwe composietmaterialen, de productie van prototypen, verbindingsmethoden, multifunctionele composietmaterialen, structurele gezondheidsmonitoring en restauratie van composietmateriaal.
De twee experts hebben een uniek proces ontwikkeld waarbij gebruik wordt gemaakt van composietmaterialen om de scheuren in de aluminium bovenbouw van de Ticonderoga CG-47 klasse geleide raketkruiser 5456 te repareren. “Het proces is ontwikkeld om de groei van scheuren te verminderen en om als een economisch alternatief te dienen. aan de vervanging van een platformbord van 2 tot 4 miljoen dollar”, aldus Bergen.“We hebben dus 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 middelen niet erg succesvol zijn.De optie is dubbelzijdige reparatie [in principe in beschadigde gebieden Een plank aan de bovenkant lijmen] of het asset buiten gebruik stellen voor reparaties op magazijnniveau (D-niveau).Omdat reparaties op D-niveau nodig zijn, worden veel activa opzij gezet.”
Hij vervolgde met te zeggen dat wat nodig is een methode is die kan worden uitgevoerd door soldaten zonder ervaring met composietmaterialen, waarbij alleen kits en onderhoudshandleidingen worden gebruikt.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 nauwkeurige metingen vereist om volledige uitharding te garanderen.We hebben ook een systeem nodig zonder gevaarlijk afval nadat de reparaties zijn voltooid.En het moet worden verpakt als een kit die door het bestaande netwerk kan worden ingezet.”
Eén oplossing die Custom Technologies met succes heeft gedemonstreerd, is een draagbare kit die een versterkte epoxylijm gebruikt om de zelfklevende composietpleister aan te passen aan de grootte van de schade (tot 12 vierkante inch).De demonstratie werd voltooid op een composietmateriaal dat een 7,5 cm dik AMCB-dek vertegenwoordigde.Het composietmateriaal heeft een kern van 3 inch dik balsahout (dichtheid van 15 pond per kubieke voet) 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 geprefabriceerde pleisters zal gebruiken in een quasi-isotroop laminaat vergelijkbaar met een multi-as, zodat de richting van de stof geen probleem zal zijn", aldus Crane.
Het volgende probleem is de harsmatrix die wordt gebruikt voor laminaatreparatie.Om te voorkomen dat vloeibare hars wordt gemengd, wordt voor de pleister prepreg gebruikt.“Deze uitdagingen zijn echter opslag”, legt Bergen uit.Om een bewaarbare patchoplossing te ontwikkelen, heeft Custom Technologies samengewerkt met Sunrez Corp. (El Cajon, Californië, VS) om een glasvezel/vinylester-prepreg te ontwikkelen die gebruik kan maken van ultraviolet licht (UV) in zes minuten lichtuitharding.Het werkte ook samen met Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, VS), die het gebruik van een nieuwe flexibele epoxyfilm voorstelde.
Vroege onderzoeken hebben aangetoond dat epoxyhars de meest geschikte hars is voor prepregs van koolstofvezels. UV-uithardbare vinylester en doorschijnende glasvezels werken goed, maar harden niet uit onder lichtblokkerende koolstofvezels.Gebaseerd op de nieuwe film van Gougeon Brothers, wordt de uiteindelijke epoxy-prepreg gedurende 1 uur uitgehard bij 210 °F/99 °C en heeft een lange houdbaarheid bij kamertemperatuur - opslag bij lage temperatuur is niet nodig.Bergen zei dat als een hogere glasovergangstemperatuur (Tg) vereist is, de hars ook zal uitharden bij een hogere temperatuur, zoals 350°F/177°C.Beide prepregs worden geleverd in een draagbare reparatieset als een stapel prepreg-pleisters, verzegeld in een plastic folie-envelop.
Omdat de reparatieset lange tijd bewaard kan worden, is Custom Technologies verplicht een houdbaarheidsonderzoek uit te voeren.“We kochten vier harde plastic behuizingen – een typisch militair type dat wordt gebruikt in transportapparatuur – en stopten monsters van epoxylijm 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-fabriek in Michigan, het dak van de luchthaven van Maryland, de buitenfaciliteit in Yucca Valley (woestijn in Californië) en het openluchtcorrosietestlaboratorium in het zuiden van Florida.In alle gevallen zijn dataloggers aanwezig, legt Bergen uit. “Elke drie maanden nemen we data- en materiaalmonsters ter evaluatie.De maximale temperatuur gemeten in de dozen in Florida en Californië is 140°F, 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 120 ° F zijn geplaatst, beginnen te polymeriseren", aldus Bergen."Voor de overeenkomstige monsters die bij 110 ° F werden bewaard, verbeterde de harschemie echter slechts een kleine hoeveelheid."
De reparatie werd geverifieerd op het testbord en dit schaalmodel van AMCB, waarbij hetzelfde laminaat en kernmateriaal werd gebruikt als de originele brug gebouwd door Seemann Composites.Bron afbeelding: 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 gebruikten we aanvankelijk kleinschalige balken van 4 x 48 inch en vierpuntsbuigtests om de haalbaarheid van ons reparatieproces te evalueren", aldus Klein.“Vervolgens zijn we in de tweede fase van het project overgestapt op panelen van 12 x 48 inch, hebben we belastingen aangebracht om een biaxiale spanningstoestand te genereren die storingen veroorzaakte, en vervolgens de reparatieprestaties geëvalueerd.In de tweede fase hebben we ook het door ons gebouwde AMCB-model Maintenance voltooid.”
Bergen zei dat het testpaneel dat werd gebruikt om de reparatieprestaties te bewijzen, was vervaardigd met behulp van dezelfde lijn van laminaten en kernmaterialen als AMCB vervaardigd door Seemann Composites, “maar we hebben de paneeldikte teruggebracht van 0,375 inch naar 0,175 inch, gebaseerd op de stelling van de parallelle as. .Dit is het geval.De methode werd, samen met de aanvullende elementen uit de balktheorie en de klassieke laminaattheorie [CLT], gebruikt om het traagheidsmoment en de effectieve stijfheid van de AMCB op volledige schaal te koppelen aan een kleiner demoproduct dat gemakkelijker te hanteren is en meer kostenefficiënt.Vervolgens hebben we het eindige-elementenanalyse-model [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 balsakern werd gemaakt door Core Composites (Bristol, RI, VS).
Stap 1. Dit testpaneel toont een gatdiameter van 7,5 cm om schade in het midden te simuleren en de omtrek te repareren.Fotobron voor alle stappen: Custom Technologies LLC.
Stap 2. Gebruik een handmatige slijpmachine op batterijen om het beschadigde materiaal te verwijderen en omsluit de reparatiepatch met een conus van 12:1.
“We willen op het testbord een hogere mate van schade simuleren dan op het brugdek in het veld te zien is”, legt Bergen uit.“Onze methode is dus om met een gatenzaag een gat met een diameter van 7,5 cm te maken.Vervolgens trekken we de plug uit het beschadigde materiaal en gebruiken we een draagbare pneumatische slijpmachine om een 12:1-sjaal te verwerken.”
Crane legde uit dat bij reparatie van koolstofvezel/epoxy, zodra het “beschadigde” paneelmateriaal is verwijderd en een geschikte sjaal is aangebracht, de prepreg op breedte en lengte wordt gesneden om te passen bij 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.Hierna worden de drie deklagen carbon/epoxy prepreg hierop geconcentreerd op het gerepareerde deel.Elke opeenvolgende laag strekt zich 2,5 cm uit aan alle zijden van de onderste laag, wat zorgt voor een geleidelijke belastingoverdracht van het “goede” omringende materiaal naar het gerepareerde gebied.”De totale tijd voor het uitvoeren van deze reparatie, inclusief het voorbereiden van het reparatiegebied, het snijden en plaatsen van het restauratiemateriaal en het toepassen van de uithardingsprocedure, bedraagt ongeveer 2,5 uur.
Bij koolstofvezel/epoxy-prepreg wordt het reparatiegebied vacuümverpakt en gedurende één uur uitgehard bij 210 °F/99 °C met behulp van een thermische bonder op batterijen.
Hoewel koolstof-/epoxyreparatie eenvoudig en snel is, besefte het team dat er behoefte was aan een handiger oplossing om de prestaties te herstellen.Dit leidde tot de verkenning van prepregs die met ultraviolet (UV) uitharden.“De interesse in vinylesterharsen van Sunrez is gebaseerd op eerdere maritieme ervaringen met de oprichter van het bedrijf, Mark Livesay”, legt Bergen uit.“We hebben Sunrez eerst voorzien van een quasi-isotroop glasweefsel, met behulp van hun vinylester-prepreg, en de uithardingscurve onder verschillende omstandigheden geëvalueerd.Omdat we weten dat vinylesterhars niet zoals epoxyhars is en geschikte secundaire hechtingsprestaties levert, zijn er bovendien extra inspanningen nodig om de 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.“Vergeleken met koolstof/epoxypleisters wordt dit probleem opgelost door een extra laag glas/vinylester te gebruiken”, aldus Crane.“De reden waarom er maar één extra laag nodig is, is dat het glasmateriaal een zwaardere stof is.”Dit levert een geschikte pleister op die binnen zes minuten kan worden aangebracht en gecombineerd, zelfs bij zeer koude/vriestemperaturen in het veld.Uitharden zonder warmte te geven.Crane wijst erop dat deze reparatiewerkzaamheden binnen een uur kunnen worden afgerond.
Beide patchsystemen zijn gedemonstreerd en getest.Voor elke reparatie wordt het te beschadigen gebied gemarkeerd (stap 1), gemaakt met een gatenzaag en vervolgens verwijderd met een handslijpmachine op batterijen (stap 2).Snijd vervolgens het gerepareerde gebied in een conus van 12:1.Maak het oppervlak van de sjaal schoon met een alcoholdoekje (stap 3).Knip vervolgens de reparatiepleister op een bepaalde maat, plaats deze op het gereinigde oppervlak (stap 4) en consolideer deze met een roller om luchtbellen te verwijderen.Voor glasvezel/UV-uithardende vinylester-prepreg plaatst u de lossingslaag op het gerepareerde gebied en laat u de pleister zes minuten uitharden met een draadloze UV-lamp (stap 5).Voor koolstofvezel/epoxy prepreg gebruikt u een voorgeprogrammeerd, op batterijen werkend thermisch bindmiddel met één knop om het gerepareerde gebied vacuüm te verpakken en uit te harden bij 210 °F/99 °C gedurende één uur.
Stap 5. Nadat u de peelinglaag op het gerepareerde gebied heeft aangebracht, gebruikt u een draadloze UV-lamp om de pleister gedurende 6 minuten uit te harden.
“Vervolgens hebben we tests uitgevoerd om de hechting van de pleister en zijn vermogen om het draagvermogen van de constructie te herstellen te evalueren”, aldus Bergen.“In de eerste fase moeten we het gebruiksgemak bewijzen en het vermogen om minstens 75% van de sterkte terug te winnen.Dit wordt gedaan door vierpuntsbuigen op een 4 x 48 inch koolstofvezel/epoxyhars en balsakernbalk na het repareren van de gesimuleerde schade.Ja.In de tweede fase van het project werd gebruik gemaakt van een paneel van 12 x 48 inch, dat meer dan 90% sterkte-eisen moest stellen onder complexe spanningsbelastingen.We voldeden aan al deze eisen en fotografeerden vervolgens de reparatiemethoden op het AMCB-model.Hoe je technologie en apparatuur in het veld 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 te demonstreren aan onze twee technische contacten in het leger: Dr. Bernard Sia en Ashley Genna.Bij de eindbeoordeling van de eerste fase van het project vroeg ik om geen reparaties.Ervaren Ashley voerde de reparatie uit.Met behulp van de door ons geleverde kit en handleiding heeft ze de patch aangebracht en de reparatie zonder problemen voltooid.”
Afbeelding 2 De voorgeprogrammeerde, op batterijen werkende thermische hechtmachine kan de koolstofvezel/epoxy-reparatiepatch met één druk op de knop uitharden, zonder dat reparatiekennis of programmering van de uithardingscyclus nodig is.Afbeeldingsbron: Custom Technologies, LLC
Een andere belangrijke ontwikkeling is het uithardingssysteem op batterijen (Figuur 2).“Door onderhoud op het veld heb je alleen batterijvoeding”, legt Bergen uit.“Alle procesapparatuur in de door ons ontwikkelde reparatieset is draadloos.”Dit omvat thermische bonding op batterijen, ontwikkeld gezamenlijk door Custom Technologies en leverancier van thermische bondingmachines WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, VS)."Deze thermische bonder op batterijen is voorgeprogrammeerd om de uitharding te voltooien, zodat beginners de uithardingscyclus niet hoeven te programmeren", aldus Crane."Ze hoeven alleen maar op een knop te drukken om de juiste helling te voltooien en te genieten."De batterijen die momenteel worden gebruikt, kunnen een jaar meegaan voordat ze moeten worden opgeladen.
Nu de tweede fase van het project is afgerond, bereidt Custom Technologies vervolgverbeteringsvoorstellen voor en verzamelt het brieven van interesse en ondersteuning.“Ons doel is om deze technologie te laten rijpen tot TRL 8 en deze in de praktijk te brengen”, aldus Bergen.“We zien ook mogelijkheden voor niet-militaire toepassingen.”
Legt de oude kunst uit achter de eerste vezelversterking in de industrie en heeft een diepgaand inzicht in de nieuwe vezelwetenschap en toekomstige ontwikkelingen.
De 787, die binnenkort beschikbaar is en voor het eerst vliegt, vertrouwt op innovaties in composietmaterialen en -processen om zijn doelen te bereiken
Posttijd: 02-sep-2021