Det bärbara kitet kan repareras med UV-härdande glasfiber/vinylester eller kolfiber/epoxi-prepreg som förvaras i rumstemperatur och batteridriven härdningsutrustning. #insidemanufacturing #infrastruktur
UV-härdande prepreg-lappreparation Även om reparationen av kolfiber/epoxi-prepreg som utvecklats av Custom Technologies LLC för infield-kompositbron visade sig vara enkel och snabb, har användningen av glasfiberförstärkt UV-härdande vinylesterharts-prepreg utvecklat ett mer bekvämt system. Bildkälla: Custom Technologies LLC
Modulära utfällbara broar är avgörande tillgångar för militära taktiska operationer och logistik, såväl som för återställning av transportinfrastruktur under naturkatastrofer. Kompositkonstruktioner studeras för att minska vikten på sådana broar, vilket minskar belastningen på transportfordon och bärgnings- och bärgningsmekanismer. Jämfört med metallbroar har kompositmaterial också potential att öka bärförmågan och förlänga livslängden.
Den avancerade modulära kompositbron (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). Möjligheten att reparera sådana strukturer i fält har dock varit ett problem som hindrar användningen av kompositmaterial.
Figur 1 Kompositbro, viktig tillgång inom fältet. Den avancerade modulära kompositbron (AMCB) designades och konstruerades av Seemann Composites LLC och Materials Sciences LLC med kolfiberförstärkta epoxihartskompositer. Bildkälla: Seeman Composites LLC (vänster) och amerikanska armén (höger).
År 2016 fick Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) ett anslag inom fas 1 av Small Business Innovation Research (SBIR) finansierat av den amerikanska armén för att utveckla en reparationsmetod som framgångsrikt kan utföras på plats av soldater. Baserat på denna metod tilldelades den andra fasen av SBIR-anslaget 2018 för att visa upp nya material och batteridriven utrustning, även om lagningen utförs av en nybörjare utan föregående utbildning, kan 90 % eller mer av strukturen återställas. Teknikens genomförbarhet bestäms genom att utföra en serie analyser, materialval, provtillverkning och mekaniska testuppgifter, samt småskaliga och fullskaliga reparationer.
Huvudforskaren i de två SBIR-faserna är Michael Bergen, grundare och VD för Custom Technologies LLC. Bergen gick i pension från Carderock vid Naval Surface Warfare Center (NSWC) och tjänstgjorde vid avdelningen för strukturer och material i 27 år, där han ledde utvecklingen och tillämpningen av kompositteknik i den amerikanska flottans flotta. Dr. Roger Crane började på Custom Technologies 2015 efter att ha gått i pension från den amerikanska flottan 2011 och har tjänstgjort där i 32 år. Hans expertis inom kompositmaterial omfattar tekniska publikationer och patent, som täcker ämnen som nya kompositmaterial, prototyptillverkning, anslutningsmetoder, multifunktionella kompositmaterial, övervakning av strukturell hälsa och restaurering av kompositmaterial.
De två experterna har utvecklat en unik process som använder kompositmaterial för att reparera sprickorna i aluminiumöverbyggnaden på kryssaren 5456 av klass CG-47, ett styrt missilfartyg. ”Processen utvecklades för att minska spricktillväxten och för att fungera som ett ekonomiskt alternativ till att byta ut en plattformsbräda för 2 till 4 miljoner dollar”, sa Bergen. ”Så vi bevisade att vi vet hur man utför reparationer utanför laboratoriet och i en verklig servicemiljö. Men utmaningen är att nuvarande metoder för militära tillgångar inte är särskilt framgångsrika. Alternativet är limmad duplexreparation [i princip i skadade områden att limma fast en bräda på toppen] eller att ta tillgången ur bruk för reparationer på lagernivå (D-nivå). 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 byggsatser och underhållsmanualer. Vårt mål är att göra processen enkel: läs manualen, utvärdera skadan och utför reparationer. Vi vill inte blanda flytande hartser, eftersom detta kräver exakta mätningar för att säkerställa fullständig härdning. Vi behöver också ett system utan farligt avfall efter att reparationerna är slutförda. Och det måste förpackas som ett byggsats som kan användas av det befintliga nätverket.
En lösning som Custom Technologies framgångsrikt demonstrerat är ett bärbart kit som använder ett härdat epoxilim för att anpassa den självhäftande kompositplåstret efter skadans storlek (upp till 12 kvadrattum). Demonstrationen genomfördes på ett kompositmaterial som representerar ett 7,5 cm tjockt AMCB-däck. Kompositmaterialet har en 7,5 cm tjock kärna av balsaträ (15 pund per kubikfot) och två lager Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C-LT 1100 kolfiber 0°/90° biaxiellt sydd väv, ett lager C-TLX 1900 kolfiber 0°/+45°/-45° tre axlar och två lager C-LT 1100, totalt fem lager. "Vi bestämde oss för att kittet skulle använda prefabricerade plåster i ett kvasi-isotropiskt laminat liknande ett fleraxligt så att vävens riktning inte ska vara ett problem", sa Crane.
Nästa problem är hartsmatrisen som används för laminatreparation. För att undvika att blanda flytande harts kommer patchen att använda prepreg. "Dessa utmaningar är dock lagring", förklarade Bergen. För att utveckla en lagringsbar patchlösning 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 ljushärdning. De samarbetade också med Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), som föreslog användningen av en ny flexibel epoxifilm.
Tidiga studier har visat att epoxiharts är det mest lämpliga hartset för kolfiberprepregs – UV-härdande vinylester och genomskinlig glasfiber fungerar bra, men härdar inte under ljusblockerande kolfiber. Baserat på Gougeon Brothers nya film härdas den slutliga epoxiprepregen i 1 timme vid 99 °C och har en lång hållbarhet vid rumstemperatur – inget behov av lågtemperaturlagring. Bergen sa att om en högre glasövergångstemperatur (Tg) krävs, kommer hartset också att härdas vid en högre temperatur, såsom 177 °C. Båda prepregsen levereras i ett bärbart reparationssats som en stapel prepreg-plåster förseglade i ett plastfilmshölje.
Eftersom reparationskittet kan lagras under lång tid är Custom Technologies skyldiga att genomföra en hållbarhetsstudie. ”Vi köpte fyra hårdplasthöljen – en typisk militär typ som används i transportutrustning – och lade prover av epoxilim och vinylester-prepreg i varje hölje”, sa Bergen. Lådorna placerades sedan på fyra olika platser för testning: taket på Gougeon Brothers fabrik i Michigan, taket på Marylands flygplats, utomhusanläggningen i Yucca Valley (Kaliforniens öken) och det utomhuskorrosionstestlaboratoriet i södra Florida. Alla lådor har dataloggrar, påpekar Bergen. ”Vi tar data- och materialprover för utvärdering var tredje månad. Den maximala temperaturen som registreras i lådorna i Florida och Kalifornien är 71 °C, vilket är bra för de flesta restaureringshartser. Det är en riktig utmaning.” Dessutom testade Gougeon Brothers internt det nyutvecklade rena epoxihartset. ”Prover som har placerats i en ugn vid 50 °C i flera månader börjar polymerisera”, sa Bergen. "För motsvarande prover som förvarades vid 43 °C förbättrades dock hartskemin endast med en liten mängd."
Reparationen verifierades på testbrädan och denna skalenliga modell av AMCB, som använde samma laminat och kärnmaterial som den ursprungliga bron byggd av Seemann Composites. Bildkälla: Custom Technologies LLC
För att demonstrera reparationstekniken måste ett representativt laminat tillverkas, skadas och repareras. ”I projektets första fas använde vi initialt småskaliga 4 x 48-tums balkar och fyrpunktsböjningstester för att utvärdera genomförbarheten av vår reparationsprocess”, sa Klein. ”Sedan övergick vi till 12 x 48-tums paneler i projektets andra fas, applicerade belastningar för att generera ett biaxiellt spänningstillstånd som orsakade fel och utvärderade sedan reparationsprestandan. I den andra fasen färdigställde vi också AMCB-modellen som vi byggde för underhåll.”
Bergen sa att testpanelen som användes för att bevisa reparationsprestandan tillverkades med samma typ av laminat och kärnmaterial som AMCB tillverkad av Seemann Composites, "men vi minskade paneltjockleken från 0,375 tum till 0,175 tum, baserat på parallellaxelsatsen. Detta är fallet. Metoden, tillsammans med de ytterligare elementen från balkteori och klassisk laminatteori [CLT], användes för att länka tröghetsmomentet och den effektiva styvheten hos den fullskaliga AMCB:n med en mindre demonstrationsprodukt som är lättare att hantera och mer kostnadseffektiv. Sedan använde vi Finita element Analysis [FEA]-modellen som utvecklats av XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) användes för att förbättra designen av strukturella reparationer." Kolfiberväven som användes för testpanelerna och AMCB-modellen köptes från Vectorply, och balsakärnan tillverkades av Core Composites (Bristol, RI, USA).
Steg 1. Denna testpanel visar ett hål med en diameter på 7,5 cm för att simulera skador markerade i mitten och reparera omkretsen. Bildkälla för alla steg: Custom Technologies LLC.
Steg 2. Använd en batteridriven manuell slipmaskin för att ta bort det skadade materialet och täck reparationsområdet med en 12:1-kon.
”Vi vill simulera en högre grad av skada på testplattan än vad som kan ses på brodäcket i fält”, förklarade Bergen. ”Så vår metod är att använda en hålsåg för att göra ett hål med en diameter på 7,5 cm. Sedan drar vi ut pluggen ur det skadade materialet och använder en handhållen pneumatisk slipmaskin för att bearbeta en 12:1-halsduk.”
Crane förklarade att för reparation av kolfiber/epoxi, när det "skadade" panelmaterialet har tagits bort och en lämplig halsduk applicerats, kommer prepregen att skäras till i bredd och längd för att matcha avsmalningen på det skadade området. "För vår testpanel kräver detta fyra lager prepreg för att hålla reparationsmaterialet i linje med toppen av den ursprungliga oskadade kolfiberpanelen. Därefter koncentreras de tre täckande lagren av kolfiber/epoxi-prepreg på den reparerade delen. Varje efterföljande lager sträcker sig 2,5 tum på alla sidor av det undre lagret, vilket ger en gradvis lastöverföring från det "bra" omgivande materialet till det reparerade området." Den totala tiden för att utföra denna reparation – inklusive förberedelse av reparationsområdet, skärning och placering av restaureringsmaterialet och tillämpning av härdningsproceduren – tar cirka 2,5 timmar.
För kolfiber/epoxi-prepreg vakuumförpackas reparationsområdet och härdas vid 99 °C i en timme med en batteridriven termisk bindemaskin.
Även om reparation av kol/epoxi är enkel och snabb, insåg teamet behovet av en mer bekväm lösning för att återställa prestandan. Detta ledde till utforskningen av ultraviolett (UV) härdande prepregs. ”Intresset för Sunrez vinylesterhartser baseras på tidigare erfarenhet från sjöfarten med företagets grundare Mark Livesay”, förklarade Bergen. ”Vi försåg först Sunrez med en kvasi-isotropisk glasfiberväv med hjälp av deras vinylesterprepreg och utvärderade härdningskurvan under olika förhållanden. Dessutom, eftersom vi vet att vinylesterharts inte är som epoxiharts som ger lämplig sekundär vidhäftningsprestanda, krävs ytterligare ansträngningar för att utvärdera olika kopplingsmedel för vidhäftande lager och avgöra vilket som är lämpligt för tillämpningen.”
Ett annat problem är att glasfibrer inte kan ge samma mekaniska egenskaper som kolfibrer. ”Jämfört med kol-/epoxilappar löses detta problem genom att använda ett extra lager av glas-/vinylester”, sa Crane. ”Anledningen till att bara ett ytterligare lager behövs är att glasmaterialet är ett tyngre tyg.” Detta ger en lämplig lapp som kan appliceras och kombineras inom sex minuter även vid mycket kalla/frysande temperaturer inom fältet. Härdning utan att tillföra värme. Crane påpekade att detta reparationsarbete kan slutföras inom en timme.
Båda lagningssystemen har demonstrerats och testats. För varje reparation markeras det område som ska skadas (steg 1), skapas med en hålsåg och avlägsnas sedan med en batteridriven manuell slipmaskin (steg 2). Skär sedan det reparerade området till en avsmalning på 12:1. Rengör ytan på halsduken med en alkoholservett (steg 3). Skär sedan reparationslagret till en viss storlek, placera det på den rengjorda ytan (steg 4) och konsolidera det med en roller för att ta bort luftbubblor. För glasfiber/UV-härdande vinylester-prepreg, placera sedan släpplagret på det reparerade området och härd lagret med en sladdlös UV-lampa i sex minuter (steg 5). För kolfiber/epoxi-prepreg, använd en förprogrammerad, batteridriven termisk bindemaskin med en knapptryckning för att vakuumpacka och härda det reparerade området vid 99 °C i en timme.
Steg 5. Efter att du har placerat det avskalande lagret på det reparerade området, använd en sladdlös UV-lampa för att härda plåstret i 6 minuter.
”Sedan utförde vi tester för att utvärdera lappens vidhäftningsförmåga och dess förmåga att återställa strukturens bärförmåga”, sa Bergen. ”I det första steget måste vi bevisa hur lätt det är att applicera och förmågan att återställa minst 75 % av styrkan. Detta görs genom fyrpunktsböjning på en 10 x 112 cm stor balk av kolfiber/epoxiharts och balsakärna efter att den simulerade skadan har reparerats. Ja. Den andra fasen av projektet använde en 30 x 112 cm panel och måste uppvisa mer än 90 % hållfasthetskrav under komplexa töjningsbelastningar. Vi uppfyllde alla dessa krav och fotograferade sedan reparationsmetoderna på AMCB-modellen. Hur man använder teknik och utrustning i fält 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 demonstrera för våra två tekniska kontakter i armén: Dr. Bernard Sia och Ashley Genna. I den slutliga granskningen av projektets första fas bad jag om inga reparationer. Erfarna Ashley utförde reparationen. Med hjälp av satsen och manualen vi tillhandahöll satte hon fast plåstret och slutförde reparationen utan problem.”
Figur 2 Den batteridrivna, förprogrammerade termiska bindningsmaskinen för härdning kan härda reparationslappen för kolfiber/epoxi med en knapptryckning, utan behov av reparationskunskap eller programmering av härdningscykler. Bildkälla: Custom Technologies, LLC
En annan viktig utveckling är det batteridrivna härdningssystemet (Figur 2). ”Genom underhåll på fältet har du bara batteriström”, påpekade Bergen. ”All processutrustning i reparationssatsen vi utvecklade är trådlös.” Detta inkluderar batteridriven termisk bindning som utvecklats gemensamt av Custom Technologies och leverantören av termisk bindningsmaskin WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). ”Denna batteridrivna termiska bindare 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 blötläggning.” Batterierna som används för närvarande kan hålla i ett år innan de behöver laddas.
Med slutförandet av projektets andra fas förbereder Custom Technologies uppföljande förbättringsförslag och samlar in intresseanmälningar och stödbrev. ”Vårt mål är att mogna denna teknik till TRL 8 och ta den ut i fält”, sa Bergen. ”Vi ser även potential för icke-militära tillämpningar.”
Förklarar den gamla konsten bakom branschens första fiberförstärkning, och har en djupgående förståelse för ny fibervetenskap och framtida utveckling.
787:an kommer snart och flyger för första gången, och förlitar sig på innovationer inom kompositmaterial och processer för att uppnå sina mål.
Publiceringstid: 2 september 2021