Преносимият комплект може да бъде ремонтиран с UV-лечиво фибростъкло/винилов естер или въглеродни влакна/епоксиден препрат, съхраняван при стайна температура и оборудване за втвърдяване на батерията. #InsideManufacturing #infrastructure
Ремонт на UV-лечим преправен пластир, въпреки че ремонтът на въглеродните влакна/епоксидния преход, разработен от Custom Technologies LLC за композитния мост на полето . Източник на изображение: Персонализиран Technologies LLC
Модулните разгърнати мостове са критични активи за военни тактически операции и логистика, както и възстановяване на транспортната инфраструктура по време на природни бедствия. Композитните структури се изучават за намаляване на теглото на такива мостове, като по този начин намаляват тежестта върху транспортните превозни средства и механизмите за възстановяване на стартирането. 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 (Gulfport, Mississippi, US) и Materials Sciences LLC (Horsham, PA, US) използват епоксидни ламинати, подсилени с въглеродни влакна (Фигура 1). ) Проектиране и строителство). Способността за поправяне на такива структури в полето обаче е проблем, който пречи на приемането на композитни материали.
Фигура 1 Композитен мост, ключов Advanced Advanced Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) е проектиран и конструиран от Seemann Composites LLC и Materials Sciences LLC с помощта на композити с епоксидна смола с въглеродни влакна. Източник на изображението: Seeman Composites LLC (вляво) и американската армия (вдясно).
През 2016 г. Custom Technologies LLC (Millersville, MD, US) получи американска армия, финансирана от армията за иновации за малкия бизнес (SBIR) Фаза 1, за да разработи метод за ремонт, който може да бъде успешно изпълнен на място от войници. Въз основа на този подход, втората фаза на безвъзмездната помощ на SBIR беше присъдена през 2018 г. за показване на нови материали и оборудване с батерия, дори ако пластирът се извършва от новак без предварително обучение, 90% или повече от структурата могат да бъдат възстановени сурови сила. Възможността на технологията се определя чрез извършване на серия от анализи, избор на материали, производство на образци и задачи за механично изпитване, както и дребномащабни и пълномащабни ремонти.
Основният изследовател в двете фази на SBIR е Майкъл Берген, основател и президент на Custom Technologies LLC. Берген се оттегли от Кардок от Центъра за военноморска повърхностна война (NSWC) и служи в отдела за структури и материали в продължение на 27 години, където той управлява разработването и прилагането на композитни технологии в флота на ВМС на САЩ. Д -р Роджър Крейн се присъедини към персонализирани технологии през 2015 г., след като се оттегли от ВМС на САЩ през 2011 г. и служи 32 години. Експертизата му за композитни материали включва технически публикации и патенти, обхващащи теми като нови композитни материали, производство на прототип, методи на свързване, многофункционални композитни материали, структурен мониторинг на здравето и възстановяване на композитни материали.
Двамата експерти са разработили уникален процес, който използва композитни материали за поправяне на пукнатините в алуминиевата надстройка на Ticonderoga CG-47, ръководен ракетен крайцер 5456. „Процесът е разработен за намаляване на растежа на пукнатините и да служи като икономична алтернатива до подмяната на платформа 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. Опцията е свързана с дуплекс ремонт [основно в повредени зони залепете дъска до върха] или премахнете актива от услугата за ремонти на ниво склад (D-ниво). Тъй като са необходими ремонти на ниво D, много активи се оставят настрана. "
Той продължи да казва, че това, което е необходимо, е метод, който може да се извърши от войници без опит в композитни материали, използвайки само комплекти и ръководства за поддръжка. Нашата цел е да направим процеса прост: Прочетете ръководството, оценете щетите и извършвате ремонти. Не искаме да смесваме течни смоли, тъй като това изисква прецизно измерване, за да се осигури пълно излекуване. Имаме нужда и от система без опасни отпадъци след завършване на ремонта. И той трябва да бъде опакован като комплект, който може да бъде внедрен от съществуващата мрежа. ”
Едно от решенията, които персонализираните технологии успешно демонстрират, е преносим комплект, който използва засилено епоксидно лепило, за да персонализира лепилния композитен пластир според размера на щетите (до 12 квадратни инча). Демонстрацията беше завършена на композитен материал, представляващ 3-инчов AMCB палуба с дебелина. Композитният материал има 3 -инчово ядро на балса (15 килограма на кубична плътност на краката) и два слоя векторли C-TLX 1900 въглеродни влакна 0 °/+45 °/-45 ° Три вала и два слоя C-LT 1100, общо пет слоя. „Решихме, че комплектът ще използва сглобяеми пластири в квазиизотропния ламинат, подобен на мултиосен, така че посоката на тъканта няма да бъде проблем“, каза Крейн.
Следващият брой е матрицата на смолата, използвана за възстановяване на ламинат. За да се избегне смесването на течна смола, пластирът ще използва прег. "Въпреки това, тези предизвикателства са съхранение", обясни Берген. За да разработи съхранено решение за пластири, Custom Technologies си партнира с Sunrez Corp. (El Cajon, Калифорния, САЩ), за да разработи препрегрут от стъклени влакна/винилов естер, който може да използва ултравиолетова светлина (UV) за шест минути светлина. Той също така си сътрудничи с Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), който предложи използването на нов гъвкав епоксиден филм.
Ранните проучвания показват, че епоксидната смола е най-подходящата смола за винилови естери на въглеродни влакна и прозрачни стъклени влакна работят добре, но не лекуват под светло блокиращо въглеродни влакна. Въз основа на новия филм на братята Gougeon, финалният епоксиден препг се излекува за 1 час при 210 ° F/99 ° C и има дълъг срок на годност при стайна температура-не се нуждае от съхранение с ниска температура. Берген каза, че ако е необходима по -висока температура на прехода на стъкло (TG), смолата също ще бъде излекувана при по -висока температура, като 350 ° F/177 ° C. И двата препрегати са предоставени в преносим комплект за ремонт като стек от петна от преплици, запечатани в плик за пластмасов филм.
Тъй като комплектът за ремонт може да се съхранява дълго време, за провеждане на проучване на живота на годност са необходими персонализирани технологии. „Закупихме четири твърди пластмасови заграждения - типичен военен тип, използван в транспортното оборудване - и поставихме проби от епоксидно лепило и винилов естер преправен във всеки корпус“, каза Берген. След това кутиите бяха поставени на четири различни места за тестване: покривът на фабриката на братя Гуджън в Мичиган, покривът на летището в Мериленд, съоръжението на открито в долината Юка (Калифорнийската пустиня) и лабораторията за тестване на корозия на открито в Южна Флорида. Всички случаи имат регистратори на данни, посочва Берген: „Ние вземаме данни и материали за оценка на всеки три месеца. Максималната температура, записана в кутиите във Флорида и Калифорния, е 140 ° F, което е добро за повечето реставрационни смоли. Това е истинско предизвикателство. " В допълнение, Gougeon Brothers вътрешно тестваха новоразработената чиста епоксидна смола. „Пробите, които са поставени във фурна при 120 ° F в продължение на няколко месеца, започват да полимеризират“, каза Берген. „Въпреки това, за съответните проби, съхранявани на 110 ° F, химията на смолата се подобри само с малко количество.“
Ремонтът беше проверен на тестовата платка и този мащабен модел на AMCB, който използва същия ламинат и основен материал като оригиналния мост, построен от Seemann Composites. Източник на изображение: Персонализиран Technologies LLC
За да се демонстрира техниката за ремонт, трябва да се произвежда, повредена и ремонтирана представителна ламинат. „В първата фаза на проекта първоначално използвахме дребномащабни 4 x 48-инчови лъчи и тестове за огъване с четири точки, за да оценим осъществимостта на нашия процес на ремонт“, каза Клайн. „След това преминахме към 12 х 48 инчови панели във втората фаза на проекта, приложихме товари, за да генерираме двуосно състояние на напрежение, за да причинят повреда и след това оценихме ефективността на ремонта. Във втората фаза завършихме и модела AMCB, който изградихме поддръжка. "
Берген каза, че тестовият панел, използван за доказване на ефективността на ремонта, е произведен, като се използва същата линия от ламинати и основни материали като AMCB, произведени от Seemann Composites, „но ние намалихме дебелината на панела от 0,375 инча до 0,175 инча, въз основа на теоремата на паралелната ос . Това е така. Методът, заедно с допълнителните елементи на теорията на лъча и класическата теория на ламинира [CLT], се използва за свързване на момента на инерция и ефективна скованост на пълномащабния AMCB с демонстрационен продукт с по-малък размер, който е по-лесен за справяне и повече и повече рентабилен. След това, ние анализът на крайните елементи [FEA], разработен от Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA), беше използван за подобряване на дизайна на структурните ремонти. " Материята от въглеродни влакна, използвана за тестовите панели и AMCB моделът е закупен от Vectorply, а ядрото на BALSA е направено от основни композити (Bristol, RI, US).
Стъпка 1. Този тестов панел показва диаметър на 3 инча, за да симулира повреди, маркирани в центъра, и да се поправи обиколката. Източник на снимки за всички стъпки: Custom Technologies LLC.
Стъпка 2. Използвайте ръчна мелница, захранвана от батерията, за да премахнете повредения материал и приложете пластира за ремонт с конус 12: 1.
„Искаме да симулираме по -висока степен на щети на тестовата платка, отколкото може да се види на мостовата палуба в полето“, обясни Берген. „Така че нашият метод е да използваме трион за дупка, за да направим 3-инчов отвор за диаметър. След това изваждаме щепсела на повредения материал и използваме ръчна пневматична мелница, за да обработим шал 12: 1. "
Crane обясни, че за възстановяване на въглеродни влакна/епоксид, след като се отстрани „повреден“ панелен материал и се приложи подходящ шал, преходът ще бъде отрязан на ширина и дължина, за да съответства на конуса на повредената зона. „За нашия тестов панел това изисква четири слоя преправен, за да се поддържа ремонтният материал в съответствие с върха на оригиналния невредим въглероден панел. След това трите покриващи слоя от въглерод/епоксид са концентрирани върху това върху ремонтираната част. Всеки последователен слой се простира на 1 инч от всички страни на долния слой, който осигурява постепенно пренос на натоварване от „добрия“ околен материал към ремонтираната зона. “ Общото време за извършване на тази подготовка за ремонт на ремонт, подготовка, рязане и поставяне на материала за реставрация и прилагане на процедурата за втвърдяване приблизително 2,5 часа.
За преправ на въглеродни влакна/епоксид, зоната за ремонт е вакуумна опакована и излекувана при 210 ° F/99 ° C за един час с помощта на термичен бондер с батерия.
Въпреки че ремонтът на въглерод/епоксид е прост и бърз, екипът разпозна необходимостта от по -удобно решение за възстановяване на производителността. Това доведе до изследване на ултравиолетовите (UV) втвърдяващи преперии. „Интересът към Sunrez Vinyl Ester Resins се основава на предишен военноморски опит с основателя на компанията Марк Livesay“, обясни Берген. „Първо предоставихме на SunRez квази-изотропна стъклена тъкан, използвайки техния винилов естер, и оценихме кривата на втвърдяване при различни условия. В допълнение, тъй като знаем, че смолата с винил естер не е като епоксидна смола, която осигурява подходяща ефективност на вторичната адхезия, така че са необходими допълнителни усилия за оценка на различни средства за свързване на лепилния слой и да се определи 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 стъкло/винилов естер“, каза Крейн. „Причината, поради която е необходим само един допълнителен слой, е, че стъкленият материал е по -тежка материя.“ Това произвежда подходящ пластир, който може да се прилага и комбинира в рамките на шест минути дори при много студени/замръзващи температури на полето. Втвърдяване без осигуряване на топлина. Крейн посочи, че тази ремонтна работа може да бъде завършена в рамките на час.
И двете пластирни системи са демонстрирани и тествани. За всеки ремонт, зоната, която трябва да се повреди, е маркирана (стъпка 1), създадена с отвор и след това се отстранява с помощта на ръчна мелница за захранване на батерията (стъпка 2). След това отрежете ремонтираната зона на конус 12: 1. Почистете повърхността на шалчето с алкохолна подложка (стъпка 3). След това изрежете пластира за ремонт до определен размер, поставете го върху почистената повърхност (стъпка 4) и го консолидирайте с валяк, за да премахнете въздушните мехурчета. За пререза на виниловия естер от стъклени влакна/UV, след това поставете освобождаващия слой върху ремонтираната зона и излекувайте пластира с безжична UV лампа за шест минути (стъпка 5). За преправ на въглеродни влакна/епоксид, използвайте предварително програмиран термичен бондер с един бутон, захранван с батерия, за да вакуум и излекувайте ремонтираната зона при 210 ° F/99 ° C за един час.
Стъпка 5. След като поставите пилинг слоя върху ремонтираната зона, използвайте безжична UV лампа, за да излекувате пластира за 6 минути.
„Тогава проведохме тестове за оценка на адхезивността на пластира и способността му да възстановява товароносимостта на конструкцията“, каза Берген. „На първия етап трябва да докажем лекотата на приложение и възможността да възстановим поне 75% от силата. Това става чрез огъване на четири точки на 4 x 48-инчово въглеродни влакна/епоксидна смола и ядро на BALSA след поправяне на симулираните щети. Да. Втората фаза на проекта използва 12 х 48 инчов панел и трябва да показва повече от 90% изисквания за сила при сложни натоварвания на напрежение. Средохме всички тези изисквания и след това снимахме методите за ремонт на модела AMCB. Как да използваме технологията и оборудването на Infield, за да осигурим визуална справка. "
Основен аспект на проекта е да се докаже, че новаците могат лесно да завършат ремонта. Поради тази причина Берген имаше идея: „Обещах да демонстрирам на нашите два технически контакта в армията: д -р Бернар Сия и Ашли Гена. В окончателния преглед на първата фаза на проекта поисках без ремонт. Опитният Ашли извърши ремонта. Използвайки комплекта и ръководството, което предоставихме, тя приложи пластира и завърши ремонта без проблеми. "
Фигура 2 Предварително програмирането на батерията, захранвана от батерията, може да излекува пластира за ремонт на въглеродни влакна/епоксид с натискане на бутон, без да е необходимо да се ремонтира знания или програмиране на цикъла на втвърдяване. Източник на изображение: Персонализирани технологии, LLC
Друго ключово развитие е системата за втвърдяване на батерията (Фигура 2). „Чрез поддръжка на полета имате само мощност на батерията“, посочи Берген. „Цялото оборудване на процеса в комплекта за ремонт, който разработихме, е безжично.“ Това включва термично свързване с батерия, разработена съвместно от персонализирани технологии и доставчик на машини за термична връзка Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). „Този термичен бондер с батерия е предварително програмиран, за да завърши втвърдяването, така че новаците не е необходимо да програмират цикъла на втвърдяване“, каза Крейн. „Те просто трябва да натиснат бутон, за да завършат правилната рампа и да се накиснат.“ Батериите, които в момента се използват, могат да продължат една година, преди да се наложи да бъдат презаредени.
С завършването на втората фаза на проекта, персонализираните технологии подготвят предложения за подобряване на последващите действия и събират писма за интерес и поддръжка. „Нашата цел е да съзним тази технология до TRL 8 и да я внесем на терена“, каза Берген. „Виждаме и потенциала за невоенни приложения.“
Обяснява старото изкуство зад първото усилване на влакната в индустрията и има задълбочено разбиране на новата наука за влакната и бъдещото развитие.
Очаквайте скоро и летейки за първи път, 787 разчита на иновации в композитни материали и процеси, за да постигне целите си
Време за публикация: SEP-02-2021