Преносимият комплект може да се ремонтира с UV-втвърдяващ се фибростъкло/винил естер или въглеродни влакна/епоксиден препрег, съхраняван при стайна температура, и с оборудване за втвърдяване, захранвано от батерии. #вътрепроизводство #инфраструктура
Ремонт с UV-втвърдяващ се препрег. Въпреки че ремонтът с въглеродни влакна/епоксиден препрег, разработен от Custom Technologies LLC за композитния мост в полето, се оказа лесен и бърз, използването на UV-втвърдяваща се виниловестерна смола Prepreg, подсилена със стъклени влакна, е разработило по-удобна система. Източник на изображението: Custom Technologies LLC
Модулните разгъваеми мостове са критично важни за военните тактически операции и логистика, както и за възстановяването на транспортната инфраструктура по време на природни бедствия. Изследват се композитни конструкции, за да се намали теглото на такива мостове, като по този начин се намали натоварването на транспортните средства и механизмите за изстрелване и възстановяване. В сравнение с металните мостове, композитните материали също имат потенциал да увеличат товароносимостта и да удължат експлоатационния живот.
Усъвършенстваният модулен композитен мост (AMCB) е пример. Seemann Composites LLC (Гълфпорт, Мисисипи, САЩ) и Materials Sciences LLC (Хоршам, Пенсилвания, САЩ) използват епоксидни ламинати, подсилени с въглеродни влакна (Фигура 1). (Проектиране и строителство). Възможността за ремонт на такива конструкции на място обаче е проблем, който възпрепятства приемането на композитни материали.
Фигура 1 Композитен мост, ключов актив на вътрешността на терена. Усъвършенстваният модулен композитен мост (AMCB) е проектиран и построен от Seemann Composites LLC и Materials Sciences LLC, използвайки епоксидни смолни композити, подсилени с въглеродни влакна. Източник на изображението: Seeman Composites LLC (вляво) и армията на САЩ (вдясно).
През 2016 г. Custom Technologies LLC (Милърсвил, Мериленд, САЩ) получи финансирана от армията на САЩ грант от Фаза 1 на програмата за изследване на иновациите в малкия бизнес (SBIR), за да разработи метод за ремонт, който може да се извършва успешно на място от войници. Въз основа на този подход, през 2018 г. беше отпуснат вторият етап от гранта SBIR, за да се представят нови материали и оборудване, захранвано от батерии. Дори ако кръпката се извършва от начинаещ без предварително обучение, 90% или повече от конструкцията може да бъде възстановена. Осъществимостта на технологията се определя чрез извършване на серия от анализи, избор на материали, производство на образци и механични изпитвания, както и малки и пълномащабни ремонти.
Главният изследовател в двете фази на SBIR е Майкъл Берген, основател и президент на Custom Technologies LLC. Берген се пенсионира от Кардерок от Центъра за военноморски надводни бойни действия (NSWC) и служи в отдела за конструкции и материали в продължение на 27 години, където ръководи разработването и приложението на композитни технологии във флота на ВМС на САЩ. Д-р Роджър Крейн се присъединява към Custom Technologies през 2015 г., след като се пенсионира от ВМС на САЩ през 2011 г., и служи от 32 години. Неговият опит в областта на композитните материали включва технически публикации и патенти, обхващащи теми като нови композитни материали, производство на прототипи, методи за свързване, многофункционални композитни материали, мониторинг на структурното състояние и възстановяване на композитни материали.
Двамата експерти са разработили уникален процес, който използва композитни материали за ремонт на пукнатини в алуминиевата надстройка на ракетния крайцер клас Ticonderoga CG-47 5456. „Процесът е разработен, за да се намали растежът на пукнатини и да служи като икономична алтернатива на подмяната на платформа на стойност от 2 до 4 милиона долара“, каза Берген. „Така доказахме, че знаем как да извършваме ремонти извън лабораторията и в реална сервизна среда. Но предизвикателството е, че настоящите методи за военни активи не са много успешни. Вариантът е двустранен ремонт [основно в повредени зони да се залепи дъска отгоре] или да се извади активът от експлоатация за ремонти на складово ниво (ниво D). Тъй като са необходими ремонти на ниво D, много активи се оставят настрана.“
Той продължи, като каза, че е необходим метод, който може да се прилага от войници без опит с композитни материали, използвайки само комплекти и ръководства за поддръжка. Нашата цел е да направим процеса опростен: прочетете ръководството, оценете щетите и извършете ремонти. Не искаме да смесваме течни смоли, тъй като това изисква прецизно измерване, за да се гарантира пълно втвърдяване. Също така се нуждаем от система без опасни отпадъци след приключване на ремонтите. И тя трябва да бъде опакована като комплект, който може да се използва от съществуващата мрежа.
Едно решение, което Custom Technologies успешно демонстрира, е преносим комплект, който използва закалено епоксидно лепило за персонализиране на лепенката според размера на повредата (до 12 квадратни инча). Демонстрацията беше проведена върху композитен материал, представляващ 3-инчова AMCB палуба. Композитният материал има 3-инчова дебела сърцевина от балсово дърво (плътност 15 паунда на кубичен фут) и два слоя Vectorply (Финикс, Аризона, САЩ) C-LT 1100 въглеродни влакна 0°/90° биаксиално зашити плат, един слой C-TLX 1900 въглеродни влакна 0°/+45°/-45° три вала и два слоя C-LT 1100, общо пет слоя. „Решихме, че комплектът ще използва предварително изработени пластири в квазиизотропен ламинат, подобен на многоосен, така че посоката на платното да не е проблем“, каза Крейн.
Следващият проблем е смолната матрица, използвана за ремонт на ламинат. За да се избегне смесване на течна смола, пластирът ще използва препрег. „Тези предизвикателства обаче са съхранението“, обясни Берген. За да разработи решение за пластир, което може да се съхранява, Custom Technologies си партнира със Sunrez Corp. (Ел Кахон, Калифорния, САЩ), за да разработи препрег от стъклени влакна/винил естер, който може да използва ултравиолетова светлина (UV) за шест минути светлинно втвърдяване. Компанията си партнира и с Gougeon Brothers (Бей Сити, Мичиган, САЩ), които предложиха използването на нов гъвкав епоксиден филм.
Ранни проучвания показват, че епоксидната смола е най-подходящата смола за препреги от въглеродни влакна - UV-втвърдяващият се винилов естер и полупрозрачните стъклени влакна работят добре, но не се втвърдяват под блокиращи светлината въглеродни влакна. Въз основа на новото фолио на Gougeon Brothers, крайният епоксиден препрег се втвърдява за 1 час при 99°C и има дълъг срок на годност при стайна температура - няма нужда от съхранение при ниска температура. Берген каза, че ако е необходима по-висока температура на стъклен преход (Tg), смолата също ще се втвърди при по-висока температура, например 177°C. И двата препрега се предоставят в преносим комплект за ремонт като купчина препрегови пластири, запечатани в плик от пластмасово фолио.
Тъй като комплектът за ремонт може да се съхранява дълго време, Custom Technologies е длъжна да проведе проучване за срока на годност. „Закупихме четири твърди пластмасови корпуса – типичен военен тип, използван в транспортното оборудване – и поставихме проби от епоксидно лепило и винилов естерен препрег във всеки корпус“, каза Берген. След това кутиите бяха поставени на четири различни места за тестване: покрива на фабриката на Gougeon Brothers в Мичиган, покрива на летището в Мериленд, открития обект в долината Юка (пустинята Калифорния) и лабораторията за изпитване на корозия на открито в Южна Флорида. Всички корпуси имат регистратори на данни, посочва Берген, „Вземаме данни и проби от материали за оценка на всеки три месеца. Максималната температура, регистрирана в кутиите във Флорида и Калифорния, е 140°F, което е добре за повечето реставрационни смоли. Това е истинско предизвикателство.“ Освен това, Gougeon Brothers тестваха вътрешно новоразработената чиста епоксидна смола. „Проби, които са поставени във фурна при 120°F в продължение на няколко месеца, започват да полимеризират“, каза Берген. „Въпреки това, за съответните проби, съхранявани при 110°F (43°C), химичният състав на смолата се е подобрил само с малка степен.“
Ремонтът беше проверен на тестовата платка и този мащабен модел на AMCB, който използва същия ламинат и сърцевинен материал като оригиналния мост, построен от Seemann Composites. Източник на изображението: Custom Technologies LLC
За да се демонстрира техниката на ремонт, трябва да се произведе, повреди и поправи представителен ламинат. „В първата фаза на проекта първоначално използвахме малки греди с размери 4 x 48 инча и четириточкови тестове за огъване, за да оценим осъществимостта на нашия процес на ремонт“, каза Клайн. „След това, във втората фаза на проекта, преминахме към панели с размери 12 x 48 инча, приложихме натоварвания, за да генерираме двуосно напрегнато състояние, което да причини повреда, и след това оценихме ефективността на ремонта. Във втората фаза завършихме и модела AMCB, който изградихме за поддръжка.“
Берген каза, че тестовият панел, използван за доказване на ремонтните характеристики, е произведен с помощта на същата линия ламинати и сърцевинни материали като AMCB, произведен от Seemann Composites, „но намалихме дебелината на панела от 0,375 инча на 0,175 инча, въз основа на теоремата за паралелните оси. Такъв е случаят. Методът, заедно с допълнителните елементи на теорията на гредите и класическата теория на ламината [CLT], беше използван за свързване на момента на инерция и ефективната коравина на пълномащабния AMCB с демонстрационен продукт с по-малък размер, който е по-лесен за работа и по-рентабилен. След това ние... Моделът за анализ на крайни елементи [FEA], разработен от XCraft Inc. (Бостън, Масачузетс, САЩ), беше използван за подобряване на дизайна на структурните ремонти.“ Въглеродната тъкан, използвана за тестовите панели и модела AMCB, е закупена от Vectorply, а балсовата сърцевина е произведена от Core Composites (Бристъл, Роуд Айлънд, САЩ).
Стъпка 1. Този тестов панел показва отвор с диаметър 3 инча, за да симулира повреда, маркирана в центъра, и да поправи периферията. Източник на снимките за всички стъпки: Custom Technologies LLC.
Стъпка 2. Използвайте ръчна шлайфмашина с батерии, за да отстраните повредения материал и да затворите мястото на ремонта с конусност 12:1.
„Искаме да симулираме по-висока степен на повреди върху тестовата дъска, отколкото биха могли да се видят на мостовата платформа на място“, обясни Берген. „Така че нашият метод е да използваме боркорона, за да направим отвор с диаметър 3 инча. След това издърпваме запушалката на повредения материал и използваме ръчна пневматична шлифовъчна машина, за да обработим 12:1 шлифовъчна плоча.“
Крейн обясни, че за ремонт с въглеродни влакна/епоксидна смола, след като „повреденият“ материал на панела бъде отстранен и се постави подходяща лента, препрегът ще бъде нарязан на ширина и дължина, за да съответстват на конуса на повредената зона. „За нашия тестов панел това изисква четири слоя препрег, за да се запази ремонтният материал в съответствие с горната част на оригиналния неповреден карбонов панел. След това трите покриващи слоя карбонов/епоксиден препрег се концентрират върху ремонтираната част. Всеки следващ слой се простира на 1 инч от всички страни на долния слой, което осигурява постепенно прехвърляне на натоварването от „добрия“ околен материал към ремонтираната зона.“ Общото време за извършване на този ремонт - включително подготовка на зоната за ремонт, рязане и поставяне на възстановителния материал и прилагане на процедурата за втвърдяване - е приблизително 2,5 часа.
За препрег от въглеродни влакна/епоксидна смола, ремонтираната зона се вакуумно опакова и се втвърдява при 99°C за един час с помощта на термолепващ апарат, захранван с батерии.
Въпреки че ремонтът с въглерод/епоксидна смола е лесен и бърз, екипът осъзна необходимостта от по-удобно решение за възстановяване на производителността. Това доведе до проучването на ултравиолетови (UV) препреги. „Интересът към виниловите естерни смоли Sunrez се основава на предишния опит във военноморските сили с основателя на компанията Марк Ливсей“, обясни Берген. „Първо предоставихме на Sunrez квазиизотропна стъклена тъкан, използвайки техния винилов естерен препрег, и оценихме кривата на втвърдяване при различни условия. Освен това, тъй като знаем, че виниловата естерна смола не е като епоксидната смола, която осигурява подходящи вторични адхезионни характеристики, са необходими допълнителни усилия за оценка на различните свързващи агенти за адхезивен слой и определяне кой е подходящ за приложението.“
Друг проблем е, че стъклените влакна не могат да осигурят същите механични свойства като въглеродните влакна. „В сравнение с въглеродния/епоксидния пластир, този проблем се решава чрез използване на допълнителен слой от стъкло/винилов естер“, каза Крейн. „Причината, поради която е необходим само един допълнителен слой, е, че стъкленият материал е по-тежка тъкан.“ Това води до подходящ пластир, който може да се нанесе и комбинира в рамките на шест минути, дори при много ниски/ниски температури на терена. Втвърдява се без осигуряване на топлина. Крейн посочи, че тази ремонтна работа може да бъде завършена в рамките на един час.
И двете системи за пластири са демонстрирани и тествани. За всеки ремонт, зоната, която ще бъде повредена, се маркира (стъпка 1), създава се с отвор за кръгове и след това се отстранява с помощта на ръчна шлайфмашина с батерии (стъпка 2). След това ремонтираната зона се изрязва на конус 12:1. Почистете повърхността на шала с тампон, напоен с алкохол (стъпка 3). След това изрежете ремонтната пластира до определен размер, поставете го върху почистената повърхност (стъпка 4) и го консолидирайте с валяк, за да отстраните въздушните мехурчета. За препрег от стъклени влакна/винилов естер, втвърдяващ се с UV лъчи, поставете отделителния слой върху ремонтираната зона и изсушете пластира с безжична UV лампа за шест минути (стъпка 5). За препрег от въглеродни влакна/епоксидна смола използвайте предварително програмиран, с един бутон, захранван от батерии термолепващ апарат, за да опаковате във вакуум и да изсушите ремонтираната зона при 99°C за един час.
Стъпка 5. След като поставите пилинг слоя върху ремонтираната зона, използвайте безжична UV лампа, за да изпечете пластира за 6 минути.
„След това проведохме тестове, за да оценим адхезивността на пластира и способността му да възстанови носещата способност на конструкцията“, каза Берген. „На първия етап трябва да докажем лекотата на нанасяне и способността за възстановяване на поне 75% от якостта. Това се прави чрез четириточково огъване на греда от въглеродни влакна/епоксидна смола и балсова сърцевина с размери 4 x 48 инча след ремонт на симулираните повреди. Да. Втората фаза на проекта използва панел с размери 12 x 48 инча и трябва да показва повече от 90% от изискванията за якост при сложни натоварвания от деформация. Изпълнихме всички тези изисквания и след това снимахме методите за ремонт на модела AMCB. Как да използваме технология и оборудване на място, за да осигурим визуална справка.“
Ключов аспект на проекта е да се докаже, че начинаещите могат лесно да извършат ремонта. Поради тази причина Берген имаше идея: „Обещах да демонстрирам на нашите двама технически контакти в армията: д-р Бернард Сия и Ашли Джена. В окончателния преглед на първата фаза на проекта поисках да не се правят ремонти. Опитната Ашли извърши ремонта. Използвайки комплекта и ръководството, които предоставихме, тя постави пластира и завърши ремонта без никакви проблеми.“
Фигура 2 Захранваната от батерии предварително програмирана машина за термично свързване може да втвърди ремонтния пластир от въглеродни влакна/епоксидна смола с натискане на бутон, без да са необходими познания за ремонта или програмиране на цикъла на втвърдяване. Източник на изображението: Custom Technologies, LLC
Друго ключово развитие е системата за втвърдяване, захранвана от батерии (Фигура 2). „Чрез поддръжка на място разполагате само с батерии“, посочи Берген. „Цялото технологично оборудване в комплекта за ремонт, който разработихме, е безжично.“ Това включва машина за термично свързване, захранвана от батерии, разработена съвместно от Custom Technologies и доставчика на машини за термично свързване WichiTech Industries Inc. (Рандалстаун, Мериленд, САЩ). „Тази машина за термично свързване, захранвана от батерии, е предварително програмирана да завърши втвърдяването, така че начинаещите не е необходимо да програмират цикъла на втвърдяване“, каза Крейн. „Те просто трябва да натиснат бутон, за да завършат правилното нагряване и накисване.“ Батериите, които се използват в момента, могат да издържат една година, преди да се наложи да се презаредят.
С завършването на втората фаза на проекта, Custom Technologies подготвя последващи предложения за подобрения и събира писма за интерес и подкрепа. „Нашата цел е да развием тази технология до TRL 8 и да я внедрим в полеви условия“, каза Берген. „Виждаме и потенциал за невоенни приложения.“
Обяснява старото изкуство зад първото в индустрията подсилване с влакна и има задълбочено разбиране за новата наука за влакната и бъдещото им развитие.
Очаквайте скоро и ще полетите за първи път, 787 разчита на иновации в композитните материали и процеси, за да постигне целите си.
Време на публикуване: 02 септември 2021 г.