Преносимият комплект може да бъде ремонтиран с UV-втвърдяващ се фибростъкло/винил естер или въглеродни влакна/епоксиден препрег, съхраняван при стайна температура и оборудване за втвърдяване, захранвано от батерии.#insidemanufacturing #infrastructure
Ремонт на пластири с UV-втвърдяващ се препрег Въпреки че ремонтът на въглеродни влакна/епоксиден препрег, разработен от Custom Technologies LLC за вътрешния композитен мост, се оказа лесен и бърз, използването на подсилен с UV-втвърдяващ се влакно винил естер смола Prepreg разработи по-удобна система .Източник на изображението: Custom Technologies LLC
Модулните разгъваеми мостове са критични активи за военни тактически операции и логистика, както и за възстановяване на транспортната инфраструктура по време на природни бедствия.Проучват се композитни конструкции, за да се намали теглото на такива мостове, като по този начин се намали тежестта върху транспортните средства и механизмите за изстрелване и възстановяване.В сравнение с металните мостове, композитните материали също имат потенциала да увеличат носещата способност и да удължат експлоатационния живот.
Разширеният модулен композитен мост (AMCB) е пример.Seemann Composites LLC (Гълфпорт, Мисисипи, САЩ) и Materials Sciences LLC (Хоршам, Пенсилвания, САЩ) използват подсилени с въглеродни влакна епоксидни ламинати (Фигура 1).) Проектиране и изграждане).Въпреки това способността да се ремонтират такива структури на място е проблем, който възпрепятства приемането на композитни материали.
Фигура 1 Композитен мост, ключов актив в полето Усъвършенстваният модулен композитен мост (AMCB) е проектиран и конструиран от Seemann Composites LLC и Materials Sciences LLC, използвайки композити от епоксидна смола, подсилени с въглеродни влакна.Източник на изображението: Seeman Composites LLC (вляво) и американската армия (вдясно).
През 2016 г. Custom Technologies LLC (Millersville, MD, САЩ) получи безвъзмездна помощ от Фаза 1 за изследване на иновациите в малкия бизнес (SBIR), финансирана от армията на САЩ, за да разработи метод за ремонт, който може да бъде успешно извършен на място от войници.Въз основа на този подход, втората фаза на безвъзмездната помощ от SBIR беше отпусната през 2018 г. за демонстриране на нови материали и оборудване, захранвано от батерии, дори ако корекцията се извърши от новак без предварително обучение, 90% или повече от структурата може да бъде възстановена Сурова сила.Приложимостта на технологията се определя чрез извършване на серия от анализи, избор на материал, производство на образци и механични тестове, както и малки и мащабни ремонти.
Основният изследовател в двете фази на SBIR е Майкъл Берген, основател и президент на Custom Technologies LLC.Берген се пенсионира от Кардерок от Naval Surface Warfare Center (NSWC) и служи в отдела за конструкции и материали в продължение на 27 години, където ръководи разработването и прилагането на композитни технологии във флота на американския флот.Д-р Роджър Крейн се присъедини към Custom Technologies през 2015 г., след като се пенсионира от ВМС на САЩ през 2011 г. и е служил 32 години.Неговият опит в областта на композитните материали включва технически публикации и патенти, обхващащи теми като нови композитни материали, производство на прототипи, 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 ремонт на пукнатините в алуминиевата надстройка на ракетния крайцер 5456 от клас Ticonderoga CG-47. „Процесът е разработен, за да намали нарастването на пукнатините и да служи като икономична алтернатива за подмяна на платформена дъска 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 свързан дуплексен ремонт [основно в повредени зони Залепете дъска отгоре] или извадете актива от обслужване за ремонт на ниво склад (D-ниво).Тъй като са необходими ремонти на ниво D, много активи се оставят настрана.“
Той каза още, че това, което е необходимо, е метод, който може да се изпълнява от войници без опит с композитни материали, като се използват само комплекти и ръководства за поддръжка.Нашата цел е да направим процеса прост: прочетете ръководството, оценете щетите и извършете ремонт.Не искаме да смесваме течни смоли, тъй като това изисква прецизно измерване, за да се гарантира пълно втвърдяване.Нуждаем се и от система без опасни отпадъци след приключване на ремонта.И трябва да бъде опакован като комплект, който може да бъде разгърнат от съществуващата мрежа.”
Едно решение, което Custom Technologies успешно демонстрира, е преносим комплект, който използва заздравено епоксидно лепило за персонализиране на адхезивния композитен пластир според размера на повредата (до 12 квадратни инча).Демонстрацията беше завършена върху композитен материал, представляващ 3-инчова дебела AMCB палуба.Композитният материал има сърцевина от балсово дърво с дебелина 3 инча (15 паунда на кубичен фут плътност) и два слоя Vectorply (Феникс, Аризона, САЩ) C -LT 1100 въглеродни влакна 0°/90° биаксиално зашит плат, един слой от 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 лепенки в квазиизотропен ламинат, подобен на многоосов, така че посоката на тъканта да не е проблем“, каза Крейн.
Следващият проблем е смолистата матрица, използвана за ремонт на ламинат.За да се избегне смесването на течна смола, пластирът ще използва препрег.„Тези предизвикателства обаче са съхранението“, обясни Берген.За да разработи решение за пластир с възможност за съхранение, Custom Technologies си партнира със Sunrez Corp. (El Cajon, Калифорния, САЩ) за разработване на препрег от стъклени влакна/винил естер, който може да използва ултравиолетова светлина (UV) за шест минути светлинно втвърдяване.Той също така си сътрудничи с Gougeon Brothers (Бей Сити, Мичиган, САЩ), които предложиха използването на нов гъвкав епоксиден филм.
Ранните 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.Базиран на новия филм на Gougeon Brothers, крайният епоксиден препрег се втвърдява за 1 час при 210°F/99°C и има дълъг срок на годност при стайна температура – няма нужда от съхранение при ниска температура.Берген каза, че ако се изисква по-висока температура на встъкляване (Tg), смолата също ще се втвърдява при по-висока температура, като 350°F/177°C.И двата препрега се предоставят в преносим ремонтен комплект като купчина лепенки за препрег, запечатани в пластмасов плик.
Тъй като ремонтният комплект може да се съхранява дълго време, от Custom Technologies се изисква да проведе проучване на срока на годност.„Закупихме четири твърди пластмасови кутии – типичен военен тип, използван в транспортно оборудване – и поставихме проби от епоксидно лепило и винилов естер препрег във всяка кутия“, каза Берген.След това кутиите бяха поставени на четири различни места за тестване: покривът на фабриката на Gougeon Brothers в Мичиган, покривът на летището в Мериленд, откритото съоръжение в Yucca Valley (калифорнийската пустиня) и външната лаборатория за тестване на корозия в южна Флорида.Всички случаи имат регистратори на данни, посочва Берген, „Ние вземаме данни и проби от 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 тества вътрешно новоразработената чиста епоксидна смола.„Проби, които са били поставени във фурна при 120°F за няколко месеца, започват да полимеризират“, каза Берген.„Въпреки това, за съответните проби, съхранявани при 110°F, химията на смолата се е подобрила само с малко количество.“
Ремонтът беше проверен на тестовата дъска и този умален модел на AMCB, който използва същия ламинат и материал на сърцевината като оригиналния мост, построен от Seemann Composites.Източник на изображението: Custom Technologies LLC
За да се демонстрира техниката на ремонт, представителен ламинат трябва да бъде произведен, повреден и ремонтиран.„В първата фаза на проекта първоначално използвахме дребномащабни греди с размери 4 x 48 инча и тестове за огъване в четири точки, за да оценим осъществимостта на нашия ремонтен процес“, каза Клайн.„След това преминахме към панели с размери 12 x 48 инча във втората фаза на проекта, приложихме натоварвания, за да генерираме състояние на двуосно напрежение, което да причини повреда, и след това оценихме ефективността на ремонта.Във втората фаза ние също завършихме модела AMCB, който изградихме поддръжка.“
Берген каза, че тестовият панел, използван за доказване на ефективността на ремонта, е произведен с помощта на същата линия от ламинати и основни материали като AMCB, произведен от Seemann Composites, „но ние намалихме дебелината на панела от 0,375 инча на 0,175 инча, въз основа на теоремата за паралелната ос .Това е случая.Методът, заедно с допълнителните елементи на теорията на гредата и класическата теория на ламината [CLT], беше използван за свързване на инерционния момент и ефективната коравина на пълномащабния AMCB с демонстрационен продукт с по-малък размер, който е по-лесен за работа и повече рентабилен.След това ние Моделът за анализ на крайните елементи [FEA], разработен от XCraft Inc. (Бостън, Масачузетс, САЩ), беше използван за подобряване на дизайна на структурни ремонти.“Платът от въглеродни влакна, използван за тестовите панели и модела AMCB, беше закупен от Vectorply, а ядрото от балса беше направено от Core Composites (Bristol, RI, САЩ).
Стъпка 1. Този тестов панел показва отвор с диаметър 3 инча, за да симулира повреда, отбелязана в центъра, и да поправи обиколката.Източник на снимки за всички стъпки: Custom Technologies LLC.
Стъпка 2. Използвайте захранвана с батерии ръчна шлифовъчна машина, за да отстраните повредения материал и да затворите ремонтната лепенка с конус 12:1.
„Искаме да симулираме по-висока степен на повреда върху тестовата дъска, отколкото може да се види на моста на полето“, обясни Берген.„Така че нашият метод е да използваме трион, за да направим дупка с диаметър 3 инча.След това изваждаме тапата от повредения материал и използваме ръчна пневматична мелница, за да обработим шал 12:1.“
Крейн обясни, че за ремонт на въглеродни влакна/епоксидна смола, след като „повреденият“ материал на панела бъде отстранен и е положен подходящ шал, препрегът ще бъде нарязан на ширина и дължина, за да съответства на конусността на повредената зона.„За нашия тестов панел това изисква четири слоя препрег, за да поддържа ремонтния материал в съответствие с горната част на оригиналния неповреден карбонов панел.След това трите покриващи слоя от въглероден/епоксиден препрег се концентрират върху тази 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“ заобикалящ 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 - приблизително 2,5 часа.
За препрег от въглеродни влакна/епоксидна смола, зоната за ремонт се опакова под вакуум и се втвърдява при 210°F/99°C за един час, като се използва термичен бондър, захранван от батерии.
Въпреки че ремонтът с въглерод/епоксид е лесен и бърз, екипът разпозна необходимостта от по-удобно решение за възстановяване на производителността.Това доведе до изследването на ултравиолетовите (UV) втвърдяващи се препреги.„Интересът към виниловите естерни смоли на Sunrez се основава на предишен военноморски опит с основателя на компанията Марк Ливзи“, обясни Берген.„Първо предоставихме на Sunrez квазиизотропна стъклена тъкан, използвайки техния винилов естер препрег, и оценихме кривата на втвърдяване при различни условия.В допълнение, тъй като знаем, че винилестерната смола не е като епоксидна смола, която осигурява подходяща вторична адхезия, така че са необходими допълнителни усилия за оценка на различни 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 въглероден/епоксиден пластир, този проблем се решава чрез използване на допълнителен слой от стъкло/винил естер“, каза Крейн.„Причината, поради която е необходим само един допълнителен слой, е, че стъкленият материал е по-тежка тъкан.“Това създава подходяща лепенка, която може да се приложи и комбинира в рамките на шест минути дори при много ниски/ниско температури на терена.Втвърдяване без осигуряване на топлина.Крейн посочи, че този ремонт може да приключи в рамките на час.
И двете пач системи са демонстрирани и тествани.За всеки ремонт зоната, която трябва да бъде повредена, се маркира (стъпка 1), създава се с трион и след това се отстранява с помощта на захранвана с батерии ръчна мелница (стъпка 2).След това изрежете ремонтираната зона на конус 12:1.Почистете повърхността на шала с тампон, напоен със спирт (стъпка 3).След това изрежете ремонтната лепенка до определен размер, поставете я върху почистената повърхност (стъпка 4) и я закрепете с валяк, за да премахнете въздушните мехурчета.За препрег от стъклени влакна/UV втвърдяващ винилов естер, след това поставете освобождаващия слой върху ремонтираната зона и втвърдете пластира с безжична UV лампа за шест минути (стъпка 5).За препрег от въглеродни влакна/епоксидна смола използвайте предварително програмиран термичен бондър с един бутон, захранван от батерии, за да вакуумирате и втвърдите 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 втвърдите 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 да възстановим най-малко 75% от якостта.Това се прави чрез огъване в четири точки върху 4 x 48 инча въглеродни влакна/епоксидна смола и балсова сърцевина след ремонт на симулираната повреда.даВтората фаза на проекта използва панел с размери 12 x 48 инча и трябва да показва повече от 90% изисквания за якост при сложни натоварвания на деформация.Изпълнихме всички тези изисквания и след това заснехме методите за ремонт на модела AMCB.Как да използваме вътрешна технология и оборудване, за да предоставим визуална справка.
Ключов аспект на проекта е да докаже, че новаците могат лесно да завършат ремонта.Поради тази причина Берген имаше идея: „Обещах да демонстрирам на нашите двама технически контакти в армията: д-р Бърнард Сиа и Ашли Гена.При окончателния преглед на първата фаза на проекта поисках да няма ремонт.Опитният Ашли извърши ремонта.Използвайки предоставения от нас комплект и ръководство, тя постави корекцията и завърши ремонта без никакви проблеми.“
Фигура 2 Захранваната с батерии втвърдяваща предварително програмирана машина за термично залепване, захранвана от батерии, може да втвърди ремонтната лепенка от въглеродни влакна/епоксидна смола с натискането на един бутон, без да са необходими познания за ремонт или програмиране на цикъл на втвърдяване.Източник на изображението: Custom Technologies, LLC
Друго ключово развитие е системата за втвърдяване, захранвана от батерии (Фигура 2).„Чрез поддръжката на място имате само захранване от батерията“, посочи Берген.„Цялото технологично оборудване в ремонтния комплект, който разработихме, е безжично.“Това включва термично залепване, захранвано от батерии, разработено съвместно от Custom Technologies и доставчика на машина за термично залепване WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Мериленд, САЩ).„Този термичен бондер, захранван от батерии, е предварително програмиран за пълно втвърдяване, така че начинаещите не трябва да програмират цикъла на втвърдяване“, каза Крейн.„Те просто трябва да натиснат бутон, за да завършат правилната рампа и да се накиснат.“Батериите, които се използват в момента, могат да издържат една година, преди да се наложи да бъдат презаредени.
С приключването 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 на полето“, каза Берген.„Виждаме и потенциал за невоенни приложения.“
Обяснява старото изкуство зад първото армиране с влакна в индустрията и има задълбочено разбиране за новата наука за влакната и бъдещото развитие.
Очаквайте скоро и лети за първи път, 787 разчита на иновации в композитните материали и процеси, за да постигне целите си
Време на публикуване: 2 септември 2021 г