Det bärbara kitet kan repareras med UV-härdbar glasfiber/vinylester eller kolfiber/epoxi prepreg förvarad i rumstemperatur och batteridriven härdningsutrustning.#insidetillverkning #infrastruktur
UV-härdbar prepreg-lappreparation Även om kolfiber/epoxiprepreg-reparationen som utvecklats av Custom Technologies LLC för infield-kompositbryggan visade sig vara enkel och snabb, har användningen av glasfiberförstärkt UV-härdbart vinylesterharts Prepreg utvecklat ett mer bekvämt system .Bildkälla: Custom Technologies LLC
Modulära utplaceringsbara broar är kritiska tillgångar för militära taktiska operationer och logistik, såväl som restaurering av transportinfrastruktur under naturkatastrofer.Kompositstrukturer studeras för att minska vikten av sådana broar och därigenom minska belastningen på transportfordon och mekanismer för uppskjutning och återhämtning.Jämfört med metallbroar har kompositmaterial också potential att öka bärförmågan och förlänga livslängden.
Advanced 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).Emellertid har förmågan att reparera sådana strukturer i fält varit ett problem som hindrar antagandet av kompositmaterial.
Figur 1 Kompositbrygga, nyckeltillgång inom fältet Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) designades och konstruerades av Seemann Composites LLC och Materials Sciences LLC med användning av kolfiberförstärkta epoxihartskompositer.Bildkälla: Seeman Composites LLC (vänster) och US Army (höger).
Under 2016 fick Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) ett amerikanskt arméfinansierat Small Business Innovation Research (SBIR) fas 1-anslag 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 föregående utbildning, kan 90 % eller mer av strukturen återställas rå. styrka.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 drog sig tillbaka från Carderock från Naval Surface Warfare Center (NSWC) och tjänstgjorde i struktur- och materialavdelningen i 27 år, där han ledde utvecklingen och tillämpningen av kompositteknologier i den amerikanska flottans flotta.Dr. Roger Crane började på Custom Technologies 2015 efter att ha gått i pension från US Navy 2011 och har tjänstgjort i 32 år.Hans kompositmaterialexpertis inkluderar tekniska publikationer och patent, som täcker ämnen som nya kompositmaterial, prototyptillverkning, anslutningsmetoder, multifunktionella kompositmaterial, strukturell hälsoövervakning och restaurering av kompositmaterial.
De två experterna har utvecklat en unik process som använder kompositmaterial för att reparera sprickorna i aluminiumöverbyggnaden på Ticonderoga CG-47-klassens guidade missilkryssare 5456. "Processen utvecklades för att minska sprickbildningen och för att fungera som ett ekonomiskt alternativ till byte av en plattformsbräda på 2 till 4 miljoner dollar”, sa Bergen.”Så vi bevisade att vi vet hur man utför reparationer utanför laboratoriet och i en riktig servicemiljö.Men utmaningen är att nuvarande militära tillgångsmetoder inte är särskilt framgångsrika.Alternativet är bonded duplex reparation [i grund och botten i skadade områden Limma fast en skiva på toppen] eller ta bort tillgången från drift 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, endast med hjälp av kit 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 exakt mätning för att säkerställa fullständig härdning.Vi behöver också ett system utan farligt avfall efter att reparationer är klara.Och det måste paketeras som ett kit som kan distribueras av det befintliga nätverket.”
En lösning som Custom Technologies framgångsrikt demonstrerat är ett bärbart kit som använder ett härdat epoxilim för att anpassa det självhäftande kompositplåstret efter skadans storlek (upp till 12 kvadrattum).Demonstrationen genomfördes på ett kompositmaterial som representerade ett 3-tums tjockt AMCB-däck.Kompositmaterialet har en 3-tums tjock kärna av balsaträ (15 pund per kubikfots densitet) och två lager Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C -LT 1100 kolfiber 0°/90° biaxiellt sytt 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 kitet kommer att använda prefabricerade lappar i ett kvasi-isotropiskt laminat som liknar en multiaxlig så att tygriktningen inte kommer att vara ett problem," sa Crane.
Nästa fråga är hartsmatrisen som används för laminatreparation.För att undvika att blanda flytande harts kommer plåstret att använda prepreg."Men dessa utmaningar är 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/vinylesterprepreg som kan använda ultraviolett ljus (UV) på sex minuters ljushärdning.Det 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 prepregs av kolfiber-UV-härdbar vinylester och genomskinlig glasfiber fungerar bra, men härdar inte under ljusblockerande kolfiber.Baserat på Gougeon Brothers nya film, härdas den slutliga epoxiprepregn i 1 timme vid 210°F/99°C och har lång hållbarhet vid rumstemperatur - inget behov av lågtemperaturförvaring.Bergen sa att om en högre glasövergångstemperatur (Tg) krävs, kommer hartset också att härdas vid en högre temperatur, såsom 350°F/177°C.Båda prepregs tillhandahålls i en bärbar reparationssats som en bunt prepreg-lappar förseglade i ett plastfilmkuvert.
Eftersom reparationssatsen kan förvaras under lång tid måste Custom Technologies genomföra en hållbarhetsstudie."Vi köpte fyra hårdplasthöljen - en typisk militär typ som används i transportutrustning - och satte prover av epoxilim och vinylesterprepreg i varje hölje," sa Bergen.Lådorna placerades sedan på fyra olika platser för testning: taket på Gougeon Brothers-fabriken i Michigan, taket på flygplatsen i Maryland, utomhusanläggningen i Yucca Valley (Kaliforniens öken) och utomhuslaboratoriet för korrosionstestning i södra Florida.Alla fall har dataloggare, påpekar Bergen, "Vi tar data och materialprover för utvärdering var tredje månad.Den maximala temperaturen som registrerats i lådorna i Florida och Kalifornien är 140°F, vilket är bra för de flesta restaureringshartser.Det är en riktig utmaning.”Dessutom testade Gougeon Brothers det nyutvecklade rena epoxihartset internt."Prover som har placerats i en ugn vid 120 ° F i flera månader börjar polymerisera," sa Bergen."Men för motsvarande prover som hölls vid 110 ° F förbättrades hartskemin bara en liten mängd."
Reparationen verifierades på testbrädan och denna skalamodell 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 den första fasen av projektet 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 den andra fasen av projektet, applicerade belastningar för att generera ett biaxiellt spänningstillstånd för att orsaka fel, och utvärderade sedan reparationsprestandan.I den andra fasen färdigställde vi också AMCB-modellen som vi byggde underhåll.”
Bergen sa att testpanelen som användes för att bevisa reparationsprestanda tillverkades med samma linje av laminat och kärnmaterial som AMCB tillverkad av Seemann Composites, "men vi minskade panelens tjocklek från 0,375 tum till 0,175 tum, baserat på parallellaxelsatsen .Det här är fallet.Metoden, tillsammans med de ytterligare delarna av strålteori och klassisk laminatteori [CLT], användes för att koppla samman tröghetsmomentet och effektiv styvhet hos fullskaliga AMCB med en mindre demoprodukt som är lättare att hantera och mer. kostnadseffektiv.Sedan användes modellen för finita elementanalys [FEA] som utvecklats av XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) för att förbättra utformningen av strukturella reparationer."Kolfibertyget som användes för testpanelerna och AMCB-modellen köptes från Vectorply, och balsakärnan tillverkades av Core Composites (Bristol, RI, USA).
Steg 1. Denna testpanel visar en 3 tums håldiameter för att simulera skador som är markerade i mitten och reparera omkretsen.Fotokälla för alla steg: Custom Technologies LLC.
Steg 2. Använd en batteridriven manuell slipmaskin för att ta bort det skadade materialet och omslut reparationsplåstret med en 12:1 avsmalning.
"Vi vill simulera en högre grad av skada på testbrädan än vad som kan ses på brodäcket i fältet", förklarade Bergen."Så vår metod är att använda en hålsåg för att göra ett 3-tums hål.Sedan drar vi ut pluggen på 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 har applicerats, kommer prepregn att skäras till bredd och längd för att matcha avsmalningen på 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 täckskikten av kol/epoxiprepreg på detta På den reparerade delen.Varje efterföljande lager sträcker sig 1 tum på alla sidor av det nedre 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 applicering av härdningsproceduren - cirka 2,5 timmar.
För prepreg av kolfiber/epoxi vakuumförpackas och härdas reparationsområdet vid 210°F/99°C i en timme med ett batteridrivet termiskt bindemedel.
Även om kol/epoxireparation är enkel och snabb, insåg teamet behovet av en mer bekväm lösning för att återställa prestanda.Detta ledde till utforskningen av ultravioletta (UV) härdande prepregs."Intresset för Sunrez vinylesterhartser är baserat på tidigare marin erfarenhet med företagets grundare Mark Livesay," förklarade Bergen."Vi försåg först Sunrez med ett kvasiisotropt glastyg, med deras vinylesterprepreg, och utvärderade härdningskurvan under olika förhållanden.Dessutom, eftersom vi vet att vinylesterharts inte är som epoxiharts som ger lämplig sekundär vidhäftningsprestanda, så ytterligare ansträngningar krävs för att utvärdera olika bindemedelsskiktskopplingsmedel och avgöra vilket som är lämpligt för applikationen."
Ett annat problem är att glasfibrer inte kan ge samma mekaniska egenskaper som kolfibrer."Jämfört med kol/epoxiplåster löses detta problem genom att använda ett extra lager av glas/vinylester," sa Crane."Anledningen till att det bara behövs ett extra lager är att glasmaterialet är ett tyngre tyg."Detta ger ett lämpligt plåster som kan appliceras och kombineras inom sex minuter även vid mycket kalla/frysa temperaturer på fältet.Härdning utan att ge värme.Crane påpekade att detta reparationsarbete kan slutföras inom en timme.
Båda patchsystemen har demonstrerats och testats.För varje reparation markeras området som ska skadas (steg 1), skapas med en hålsåg och tas sedan bort med en batteridriven manuell slipmaskin (steg 2).Skär sedan det reparerade området till en 12:1 avsmalning.Rengör ytan på halsduken med en spritkudde (steg 3).Skär sedan reparationsplåstret till en viss storlek, placera det på den rengjorda ytan (steg 4) och konsolidera det med en rulle för att ta bort luftbubblor.För glasfiber/UV-härdande vinylesterprepreg, placera sedan släppskiktet på det reparerade området och härda plåstret med en sladdlös UV-lampa i sex minuter (steg 5).För prepreg av kolfiber/epoxi, använd en förprogrammerad, enknapps, batteridriven termisk bonder för att vakuumpacka och härda det reparerade området vid 210°F/99°C i en timme.
Steg 5. Efter att ha placerat skalningsskiktet på det reparerade området, använd en sladdlös UV-lampa för att härda plåstret i 6 minuter.
"Sedan genomförde vi tester för att utvärdera plåstrets vidhäftningsförmåga och dess förmåga att återställa strukturens bärförmåga," sa Bergen."I det första steget måste vi bevisa lättheten att applicera och förmågan att återvinna minst 75 % av styrkan.Detta görs genom fyrpunktsböjning på en 4 x 48 tums kolfiber/epoxiharts och balsakärnbalk efter att ha reparerat den simulerade skadan.Ja.Den andra fasen av projektet använde en 12 x 48 tums 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 infield-teknik och utrustning för att ge en visuell referens."
En nyckelaspekt i 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 den första fasen av projektet bad jag om inga reparationer.Erfaren Ashley utförde reparationen.Med hjälp av satsen och manualen vi tillhandahöll, applicerade hon plåstret och slutförde reparationen utan problem.”
Figur 2 Den batteridrivna härdningsförprogrammerade, batteridrivna termiska limningsmaskinen kan härda kolfiber/epoxireparationsplåstret med en knapptryckning, utan behov av reparationskunskap eller härdningscykelprogrammering.Bildkälla: Custom Technologies, LLC
En annan nyckelutveckling är det batteridrivna härdningssystemet (Figur 2)."Genom underhåll på fältet har du bara batterikraft", påpekade Bergen."All processutrustning i reparationssatsen vi utvecklade är trådlös."Detta inkluderar batteridriven termisk limning som utvecklats gemensamt av Custom Technologies och leverantören av termisk limningsmaskin WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA)."Denna batteridrivna termiska bonder är förprogrammerad för att slutföra härdningen, så nybörjare behöver inte programmera härdningscykeln," sa Crane."De behöver bara trycka på en knapp för att slutföra den rätta rampen och blöta."De batterier som för närvarande används kan hålla i ett år innan de behöver laddas.
Med slutförandet av den andra fasen av projektet förbereder Custom Technologies uppföljande förbättringsförslag och samlar in intresseanmälningar och stöd."Vårt mål är att mogna den här tekniken till TRL 8 och ta den till fältet," sa Bergen."Vi ser också potentialen för icke-militära tillämpningar."
Förklarar den gamla konsten bakom branschens första fiberförstärkning, och har en djupgående förståelse för ny fibervetenskap och framtida utveckling.
Kommer snart och flyger för första gången, förlitar sig 787 på innovationer inom kompositmaterial och processer för att uppnå sina mål
Posttid: 2021-02-02