Det bärbara satsen kan repareras med UV-skärande glasfiber/vinylester eller kolfiber/epoxi-prepreg lagrat vid rumstemperatur och batteridriven härdningsutrustning. #Insideman -tillverkning #infrastruktur
UV-Cable PrePreg-patchreparation Även om kolfiber/epoxi-prepregreparation utvecklades av anpassade tekniker LLC för infield-kompositbron visade sig vara enkel och snabb, användningen av glasfiberförstärkta UV-härdbara vinylester harts Prepreg har utvecklats ett mer bekvämt system . Bildkälla: Anpassad teknik LLC
Modulära distribuerbara broar är kritiska tillgångar för militära taktiska operationer och logistik, liksom återställande av transportinfrastruktur under naturkatastrofer. Kompositstrukturer studeras för att minska vikten av sådana broar och därmed minska bördan på transportfordon och mekanismer för återhämtning av start. Jämfört med metallbroar har kompositmaterial också potential att öka bärande kapacitet och förlänga livslängden.
Den avancerade Modular Composite Bridge (AMCB) är ett exempel. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) och Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) använder kolfiberförstärkta epoxilaminat (figur 1). ) Design och konstruktion). Förmågan att reparera sådana strukturer i fältet har emellertid varit en fråga som hindrar antagandet av kompositmaterial.
Figur 1 Composite Bridge, Key Infield Asset Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) designades och konstruerades av Seemann Composites LLC and Materials Sciences LLC med användning av kolfiberförstärkta epoxihartskompositer. Bildkälla: Seeman Composites LLC (vänster) och den amerikanska armén (höger).
Under 2016 fick Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) en amerikansk arméfinansierad småföretag Innovation Research (SBIR) fas 1-bidrag för att utveckla en reparationsmetod som framgångsrikt kan utföras på plats av soldater. Baserat på detta tillvägagångssätt tilldelades den andra fasen av SBIR-bidraget 2018 för att visa upp nya material och batteridriven utrustning, även om lappen utförs av en nybörjare utan förhandsutbildning, kan 90% eller mer av strukturen återställas RAW RAW styrka. Teknologins genomförbarhet bestäms genom att utföra en serie analyser, materialval, provtillverkning och mekaniska testuppgifter samt småskaliga och fullskaliga reparationer.
Den viktigaste forskaren i de två SBIR -faserna är Michael Bergen, grundaren och presidenten för Custom Technologies LLC. Bergen gick i pension från Carderock från Naval Surface Warfare Center (NSWC) och tjänade i strukturen för strukturer och material i 27 år, där han hanterade utvecklingen och tillämpningen av sammansatt teknik i den amerikanska marinens flotta. Dr. Roger Crane gick med i Custom Technologies 2015 efter att ha gått i pension från den amerikanska marinen 2011 och har tjänat i 32 år. Hans kompositmaterialkompetens inkluderar tekniska publikationer och patent, som täcker ämnen som nya kompositmaterial, prototyptillverkning, anslutningsmetoder, multifunktionella kompositmaterial, strukturell hälsoövervakning och sammansatt materialåterställning.
De två experterna har utvecklat en unik process som använder kompositmaterial för att reparera sprickorna i aluminiumöverbyggnaden i Ticonderoga CG-47-klassguidad missilkryssare 5456. ”Processen utvecklades för att minska tillväxten av sprickor och för att tjäna som ett ekonomiskt alternativt alternativ till ersättningen av en plattformskort på 2 till 4 miljoner dollar, ”sade Bergen. ”Så vi bevisade att vi vet hur vi ska utföra reparationer utanför laboratoriet och i en riktig servicemiljö. Men utmaningen är att nuvarande militära tillgångsmetoder inte är särskilt framgångsrika. Alternativet är bundet duplexreparation [i princip i skadade områden limmar ett kort till toppen] eller tar bort tillgången från service för lager-nivå (D-nivå) reparationer. Eftersom reparationer på D-nivå krävs läggs många tillgångar åt sidan. ”
Han fortsatte med att säga att det som behövs är en metod som kan utföras av soldater utan erfarenhet av kompositmaterial, med endast satser och underhållshandböcker. Vårt mål är att göra processen enkel: läs manualen, utvärdera skadorna och utföra reparationer. Vi vill inte blanda flytande hartser, eftersom detta kräver exakt mätning för att säkerställa fullständigt botemedel. Vi behöver också ett system utan farligt avfall efter att reparationerna har slutförts. Och det måste förpackas som ett kit som kan distribueras av det befintliga nätverket. ”
En lösning som Custom Technologies framgångsrikt demonstrerade är ett bärbart kit som använder ett härdat epoxi -lim för att anpassa den limkompositplåster beroende på storleken på skadan (upp till 12 kvadratmeter). Demonstrationen avslutades på ett sammansatt material som representerade ett 3-tums tjockt AMCB-däck. Kompositmaterialet har en 3 -tums tjock Balsa -träkärna (15 pund per kubikfotdensitet) och två skikt av vektorplikt (Phoenix, Arizona, US) C -LT 1100 kolfiber 0 °/90 ° Biaxial sömnad tyg, ett lager av C-TLX 1900 kolfiber 0 °/+45 °/-45 ° Tre axlar och två lager C-LT 1100, totalt fem lager. "Vi bestämde oss för att satsen kommer att använda prefabricerade fläckar i ett kvasi-isotropiskt laminat som liknar en multi-axel så att tygriktningen inte kommer att vara ett problem," sa Crane.
Nästa nummer är hartsmatrisen som används för laminatreparation. För att undvika blandning av flytande harts kommer plåstret att använda prepreg. "Men dessa utmaningar är lagring," förklarade Bergen. För att utveckla en lagringslösning har Custom Technologies samarbetat med Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornien, USA) för att utveckla en glasfiber/vinylester prepreg som kan använda ultraviolett ljus (UV) på sex minuters ljus härdning. Det samarbetade också med Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), vilket föreslog användning av en ny flexibel epoxi -film.
Tidiga studier har visat att epoxiharts är det mest lämpliga hartset för kolfiber prepregs-UV-cable vinylester och genomskinligt glasfiber fungerar bra, men botar inte under ljusblockering av kolfiber. Baserat på Gougeon Brothers nya film botas den slutliga epoxi-prepreg i 1 timme vid 210 ° F/99 ° C och har en lång hållbarhet vid rumstemperatur-inte behovet av lagring med låg temperatur. Bergen sa att om en högre glasövergångstemperatur (TG) krävs kommer hartset också att botas vid en högre temperatur, såsom 350 ° F/177 ° C. Båda prepregs finns i ett bärbart reparationssats som en bunt med prepreg -lappar förseglade i ett plastfilmhölje.
Eftersom reparationssatsen kan lagras under lång tid krävs anpassad teknik för att genomföra en hållbarhetsstudie. "Vi köpte fyra hårda plasthöljen - en typisk militär typ som användes i transportutrustning - och satte prover av epoxilim och vinylester prepreg till varje kapsling," sade Bergen. Lådorna placerades sedan på fyra olika platser för testning: taket på Gougeon Brothers Factory i Michigan, taket på Marylands flygplats, utomhusanläggningen i Yucca Valley (Kaliforniens öken) och utomhuskorrosionslaboratoriet i södra Florida. Alla fall har dataloggare, påpekar Bergen, ”Vi tar data och materialprover för utvärdering var tredje månad. Den maximala temperaturen som registreras i lådorna i Florida och Kalifornien är 140 ° F, vilket är bra för de flesta restaureringshartser. Det är en verklig utmaning. ” Dessutom testade Gougeon Brothers internt det nyutvecklade rena epoxihartset. "Prover som har placerats i en ugn vid 120 ° F i flera månader börjar polymerisera," sade Bergen. "För motsvarande prover som hölls vid 110 ° F förbättrades dock hartskemin endast med en liten mängd."
Reparationen verifierades på testkortet och denna skalmodell av AMCB, som använde samma laminat och kärnmaterial som den ursprungliga bron byggd av Seemann -kompositer. Bildkälla: Anpassad teknik LLC
För att demonstrera reparationstekniken måste ett representativt laminat tillverkas, skadas och repareras. "I den första fasen av projektet använde vi initialt småskaliga 4 x 48-tums balkar och fyrpunktsböjningstester för att utvärdera genomförbarheten av vår reparationsprocess," sade Klein. ”Sedan övergick vi till 12 x 48 tum paneler i projektets andra fas, använde laster för att generera ett biaxialt stressläge för att orsaka fel och sedan utvärderade reparationsprestanda. I den andra fasen slutförde vi också AMCB -modellen som vi byggde underhåll. ”
Bergen sa att testpanelen som användes för att bevisa att reparationsprestanda tillverkades med samma avstamning av laminat och kärnmaterial som AMCB tillverkade av Seemann -kompositer, ”men vi reducerade paneltjockleken från 0,375 tum till 0,175 tum, baserat på parallellaxelns teoremeorem . Detta är fallet. Metoden, tillsammans med de ytterligare elementen i strålteori och klassisk laminatteori [CLT], användes för att koppla tröghetsmomentet och effektiv styvhet hos den fullskaliga AMCB med en mindre demo-produkt som är lättare att hantera och mer kostnadseffektiv. Sedan användes vi den ändliga elementanalysen [FEA] -modellen utvecklad av Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) för att förbättra utformningen av strukturreparationer. ” Kolfibertyget som användes för testpanelerna och AMCB -modellen köptes från Vectorply, och BALSA -kärnan gjordes av kärnkompositer (Bristol, RI, USA) tillhandahöll.
Steg 1. Denna testpanel visar en 3 tums håldiameter för att simulera skador markerade i mitten och reparera omkretsen. Fotokälla för alla steg: Custom Technologies LLC.
Steg 2. Använd en batteridriven manuell kvarn för att ta bort det skadade materialet och omsluta reparationspatchen med en 12: 1 avsmalning.
"Vi vill simulera en högre grad av skador på testbrädan än vad som kan ses på brodäcket i fältet," förklarade Bergen. ”Så vår metod är att använda ett hålsåg för att göra ett 3-tums diameterhål. Sedan drar vi ut pluggen på det skadade materialet och använder en handhållen pneumatisk kvarn för att bearbeta en 12: 1-halsduk. ”
Crane förklarade att för kolfiber/epoxyreparation, när det "skadade" panelmaterialet har tagits bort och en lämplig halsduk appliceras, kommer prepreg att skäras till bredd och längd för att matcha avsmalningen i det skadade området. ”För vår testpanel kräver detta fyra lager Prepreg för att hålla reparationsmaterialet i överensstämmelse med toppen av den ursprungliga oskadade kolpanelen. Därefter koncentreras de tre täckande lager av kol/epoxi -prepreg på detta på den reparerade delen. Varje på varandra följande skikt sträcker sig 1 tum på alla sidor av det nedre skiktet, som ger en gradvis belastningsöverföring från det "goda" omgivande materialet till det reparerade området. " Den totala tiden för att utföra denna reparation av reparation av reparationsområde, klippning och placering av restaureringsmaterialet och tillämpa härdningsförfarandet i enlighet med 2,5 timmar.
För kolfiber/epoxy prepreg är reparationsområdet vakuumpackat och botas vid 210 ° F/99 ° C under en timme med en batteridriven termisk bonder.
Även om reparation av kol/epoxy är enkel och snabb, erkände teamet behovet av en mer bekväm lösning för att återställa prestanda. Detta ledde till utforskningen av ultraviolett (UV) härdning av prepregs. "Intresset för Sunrez vinylesterhartser är baserat på tidigare marinupplevelse med företagets grundare Mark Livesay," förklarade Bergen. ”Vi tillhandahöll först Sunrez ett kvasi-isotropiskt glasstyg, med deras vinylester prepreg och utvärderade härdningskurvan under olika förhållanden. Eftersom vi vet att vinylesterharts inte är som epoxiharts som ger lämplig sekundär vidhäftningsprestanda, så ytterligare ansträngningar krävs för att utvärdera olika limskiktskopplingmedel och bestämma vilken som är lämplig för applikationen. "
Ett annat problem är att glasfibrer inte kan tillhandahålla samma mekaniska egenskaper som kolfibrer. "Jämfört med kol/epoxi -patch löses detta problem genom att använda ett extra lager glas/vinylester," sa Crane. "Anledningen till att endast ytterligare ett lager behövs är att glasmaterialet är ett tyngre tyg." Detta producerar en lämplig lapp som kan appliceras och kombineras inom sex minuter även vid mycket kalla/frysande infield -temperaturer. Härdning utan att tillhandahålla värme. Crane påpekade att detta reparationsarbete kan slutföras inom en timme.
Båda patch -systemen har demonstrerats och testats. För varje reparation markeras området som ska skadas (steg 1), skapat med en hålsåg och avlägsnas sedan med en batteridriven manuell kvarn (steg 2). Skär sedan det reparerade området i en 12: 1 avsmalnande. Rengör ytan på halsduken med en alkoholdyna (steg 3). Skär sedan reparationspatchen till en viss storlek, placera den på den rengjorda ytan (steg 4) och konsolidera den med en rulle för att ta bort luftbubblor. För glasfiber/uv-curing vinylester prepreg, placera sedan frisättningslagret på det reparerade området och bota lappen med en trådlös UV-lampa i sex minuter (steg 5). För kolfiber/epoxy prepreg, använd en förprogrammerad, en-knapp, batteridriven termisk bonder för att vakuumpackas och bota det reparerade området vid 210 ° F/99 ° C under en timme.
Steg 5. När du har placerat skalskiktet på det reparerade området, använd en trådlös UV -lampa för att bota lappen i 6 minuter.
"Sedan genomförde vi tester för att utvärdera liden hos lappen och dess förmåga att återställa strukturens bärande kapacitet," sade Bergen. ”I det första steget måste vi bevisa att ansökan och förmågan att återhämta minst 75% av styrkan. Detta görs genom fyrpunktsböjning på ett 4 x 48 tums kolfiber/epoxiharts och balsa kärnstråle efter reparation av den simulerade skadan. Ja. Den andra fasen av projektet använde en 12 x 48 tum panel och måste uppvisa mer än 90% styrka krav under komplexa belastningar. Vi uppfyllde alla dessa krav och fotograferade sedan reparationsmetoderna på AMCB -modellen. Hur man använder infield -teknik och utrustning för att ge en visuell referens. ”
En viktig aspekt av projektet är att bevisa att nybörjare enkelt kan slutföra reparationen. Av denna anledning hade Bergen en idé: ”Jag har lovat att visa våra två tekniska kontakter i armén: Dr. Bernard Sia och Ashley Genna. I den sista översynen av projektets första fas bad jag om inga reparationer. Erfaren Ashley utförde reparationen. Med hjälp av satsen och manualen som vi tillhandahöll applicerade hon lappen och slutförde reparationen utan problem. ”
Figur 2 Den batteridrivna härdning av förprogrammerad, batteridriven termisk bindningsmaskin kan bota kolfiber/epoxyreparationspatch vid tryck på en knapp, utan behov av reparationskunskap eller härdningsprogrammering. Bildkälla: Anpassad teknik, LLC
En annan viktig utveckling är det batteridrivna härdningssystemet (figur 2). "Genom Infield -underhåll har du bara batteri," påpekade Bergen. "All processutrustning i reparationssatsen vi utvecklade är trådlöst." Detta inkluderar batteridriven termisk bindning utvecklad gemensamt av anpassade tekniker och leverantör av termisk bindningsmaskin Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). "Denna batteridrivna termiska bonder är förprogrammerad för att slutföra härdning, så nybörjare behöver inte programmera härdningscykeln," sa Crane. "De behöver bara trycka på en knapp för att slutföra rätt ramp och blöta." De batterier som för närvarande används kan pågå i ett år innan de behöver laddas.
Med avslutandet av den andra fasen av projektet förbereder anpassning av anpassade tekniker uppföljningsförbättringsförslag och samlar in brev av intresse och stöd. "Vårt mål är att mogna denna teknik till TRL 8 och ta med den till fältet," sade Bergen. "Vi ser också potentialen för icke-militära applikationer."
Förklarar den gamla konsten bakom branschens första fiberförstärkning och har en djupgående förståelse av ny fibervetenskap och framtida utveckling.
Kommer snart och flyger för första gången och förlitar sig på innovationer inom kompositmaterial och processer för att uppnå sina mål
Posttid: Sep-02-2021