Die draagbare stel kan herstel word met UV-uithardbare veselglas/vinielester of koolstofvesel/epoksie-prepreg wat by kamertemperatuur gestoor word en battery-aangedrewe uithardingstoerusting. #binnevervaardiging #infrastruktuur
UV-uithardbare prepreg-pleisterherstel Alhoewel die koolstofvesel/epoksie-prepreg-herstelwerk wat deur Custom Technologies LLC vir die binneveld-saamgestelde brug ontwikkel is, eenvoudig en vinnig geblyk het, het die gebruik van glasveselversterkte UV-uithardbare vinielesterhars-Prepreg 'n geriefliker stelsel ontwikkel. Beeldbron: Custom Technologies LLC
Modulêre ontplooibare brûe is kritieke bates vir militêre taktiese operasies en logistiek, sowel as die herstel van vervoerinfrastruktuur tydens natuurrampe. Saamgestelde strukture word bestudeer om die gewig van sulke brûe te verminder, waardeur die las op vervoervoertuie en lanseer-herwinningsmeganismes verminder word. In vergelyking met metaalbrûe, het saamgestelde materiale ook die potensiaal om die dravermoë te verhoog en die lewensduur te verleng.
Die Gevorderde Modulêre Saamgestelde Brug (AMCB) is 'n voorbeeld. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, VSA) en Materials Sciences LLC (Horsham, PA, VSA) gebruik koolstofveselversterkte epoksielaminate (Figuur 1). ) Ontwerp en konstruksie). Die vermoë om sulke strukture in die veld te herstel, was egter 'n probleem wat die aanvaarding van saamgestelde materiale belemmer.
Figuur 1 Saamgestelde brug, belangrike binneveldbate Gevorderde Modulêre Saamgestelde Brug (AMCB) is ontwerp en gebou deur Seemann Composites LLC en Materials Sciences LLC met behulp van koolstofveselversterkte epoksiehars-komposiete. Beeldbron: Seeman Composites LLC (links) en die Amerikaanse Leër (regs).
In 2016 het Custom Technologies LLC (Millersville, MD, VSA) 'n deur die Amerikaanse Leër befondsde Small Business Innovation Research (SBIR) Fase 1-toelaag ontvang om 'n herstelmetode te ontwikkel wat suksesvol deur soldate op die perseel uitgevoer kan word. Gebaseer op hierdie benadering is die tweede fase van die SBIR-toelaag in 2018 toegeken om nuwe materiale en battery-aangedrewe toerusting ten toon te stel, selfs al word die herstelwerk deur 'n beginner sonder voorafgaande opleiding uitgevoer, kan 90% of meer van die struktuur herstel word. Die uitvoerbaarheid van die tegnologie word bepaal deur 'n reeks ontledings-, materiaalkeuse-, monstervervaardigings- en meganiese toetstake uit te voer, sowel as kleinskaalse en volskaalse herstelwerk.
Die hoofnavorser in die twee SBIR-fases is Michael Bergen, die stigter en president van Custom Technologies LLC. Bergen het afgetree van Carderock van die Naval Surface Warfare Center (NSWC) en het 27 jaar lank in die Strukture en Materiaal Departement gedien, waar hy die ontwikkeling en toepassing van saamgestelde tegnologieë in die Amerikaanse Vloot se vloot bestuur het. Dr. Roger Crane het in 2015 by Custom Technologies aangesluit nadat hy in 2011 uit die Amerikaanse Vloot afgetree het en hy het vir 32 jaar gedien. Sy kundigheid in saamgestelde materiale sluit tegniese publikasies en patente in, wat onderwerpe soos nuwe saamgestelde materiale, prototipe-vervaardiging, verbindingsmetodes, multifunksionele saamgestelde materiale, strukturele gesondheidsmonitering en saamgestelde materiaalrestourasie dek.
Die twee kenners het 'n unieke proses ontwikkel wat saamgestelde materiale gebruik om die krake in die aluminium-bostruktuur van die Ticonderoga CG-47-klas geleide missielkruiser 5456 te herstel. “Die proses is ontwikkel om die groei van krake te verminder en as 'n ekonomiese alternatief te dien vir die vervanging van 'n platformbord van 2 tot 4 miljoen dollar,” het Bergen gesê. “Ons het dus bewys dat ons weet hoe om herstelwerk buite die laboratorium en in 'n werklike diensomgewing uit te voer. Maar die uitdaging is dat huidige militêre batemetodes nie baie suksesvol is nie. Die opsie is gebonde dupleksherstel [basies in beskadigde areas, plak 'n bord bo-op] of verwyder die bate uit diens vir herstelwerk op pakhuisvlak (D-vlak). Omdat D-vlak herstelwerk benodig word, word baie bates opsy gesit.”
Hy het verder gesê dat wat nodig is, 'n metode is wat deur soldate sonder ervaring in saamgestelde materiale uitgevoer kan word, deur slegs stelle en onderhoudshandleidings te gebruik. Ons doel is om die proses eenvoudig te maak: lees die handleiding, evalueer die skade en voer herstelwerk uit. Ons wil nie vloeibare harse meng nie, aangesien dit presiese meting vereis om volledige uitharding te verseker. Ons benodig ook 'n stelsel sonder gevaarlike afval nadat herstelwerk voltooi is. En dit moet verpak word as 'n stel wat deur die bestaande netwerk ontplooi kan word.
Een oplossing wat Custom Technologies suksesvol gedemonstreer het, is 'n draagbare stel wat 'n geharde epoksiegom gebruik om die kleefstof-saamgestelde pleister aan te pas volgens die grootte van die skade (tot 12 vierkante duim). Die demonstrasie is voltooi op 'n saamgestelde materiaal wat 'n 3-duim dik AMCB-dek verteenwoordig. Die saamgestelde materiaal het 'n 3-duim dik balsahoutkern (15 pond per kubieke voet digtheid) en twee lae Vectorply (Phoenix, Arizona, VSA) C-LT 1100 koolstofvesel 0°/90° biaxiaal gestikte materiaal, een laag C-TLX 1900 koolstofvesel 0°/+45°/-45° drie skagte en twee lae C-LT 1100, 'n totaal van vyf lae. "Ons het besluit dat die stel voorafvervaardigde pleisters in 'n kwasi-isotropiese laminaat soortgelyk aan 'n multi-as sal gebruik sodat die materiaalrigting nie 'n probleem sal wees nie," het Crane gesê.
Die volgende kwessie is die harsmatriks wat vir laminaatherstel gebruik word. Om vermenging van vloeibare hars te vermy, sal die pleister prepreg gebruik. "Hierdie uitdagings is egter berging," het Bergen verduidelik. Om 'n bergbare pleisteroplossing te ontwikkel, het Custom Technologies met Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornië, VSA) saamgewerk om 'n glasvesel/vinielester prepreg te ontwikkel wat ultravioletlig (UV) in ses minute se liguitharding kan gebruik. Hulle het ook saamgewerk met Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, VSA), wat die gebruik van 'n nuwe buigsame epoksiefilm voorgestel het.
Vroeë studies het getoon dat epoksiehars die geskikste hars vir koolstofvesel-prepregs is - UV-uithardbare vinielester en deurskynende glasvesel werk goed, maar uithard nie onder ligblokkerende koolstofvesel nie. Gebaseer op Gougeon Brothers se nuwe film, word die finale epoksie-prepreg vir 1 uur by 210°F/99°C uitgehard en het 'n lang rakleeftyd by kamertemperatuur - geen lae-temperatuur berging nodig nie. Bergen het gesê dat as 'n hoër glasoorgangstemperatuur (Tg) benodig word, die hars ook by 'n hoër temperatuur, soos 350°F/177°C, uitgehard sal word. Beide prepregs word in 'n draagbare herstelstel voorsien as 'n stapel prepreg-kolle wat in 'n plastiekfilm-omhulsel verseël is.
Aangesien die herstelstel vir 'n lang tyd gestoor kan word, word Custom Technologies vereis om 'n rakleeftydstudie uit te voer. “Ons het vier harde plastiekomhulsels – 'n tipiese militêre tipe wat in vervoertoerusting gebruik word – gekoop en monsters van epoksiegom en vinielester-prepreg in elke omhulsel gesit,” het Bergen gesê. Die bokse is toe op vier verskillende plekke vir toetsing geplaas: die dak van die Gougeon Brothers-fabriek in Michigan, die dak van die Maryland-lughawe, die buitelugfasiliteit in Yucca Valley (Kalifornië-woestyn), en die buitelug-korrosietoetslaboratorium in suidelike Florida. Alle kaste het data-loggers, wys Bergen daarop: “Ons neem elke drie maande data- en materiaalmonsters vir evaluering. Die maksimum temperatuur wat in die bokse in Florida en Kalifornië aangeteken is, is 140°F, wat goed is vir die meeste restourasieharse. Dis 'n ware uitdaging.” Daarbenewens het Gougeon Brothers die nuut ontwikkelde suiwer epoksiehars intern getoets. “Monsters wat vir 'n paar maande in 'n oond teen 120°F geplaas is, begin polimeriseer,” het Bergen gesê. “Vir die ooreenstemmende monsters wat by 110°F gehou is, het die harschemie egter slegs met 'n klein mate verbeter.”
Die herstelwerk is geverifieer op die toetsbord en hierdie skaalmodel van AMCB, wat dieselfde laminaat en kernmateriaal as die oorspronklike brug wat deur Seemann Composites gebou is, gebruik het. Beeldbron: Custom Technologies LLC
Om die hersteltegniek te demonstreer, moet 'n verteenwoordigende laminaat vervaardig, beskadig en herstel word. “In die eerste fase van die projek het ons aanvanklik kleinskaalse 4 x 48-duim balke en vierpunt-buigtoetse gebruik om die uitvoerbaarheid van ons herstelproses te evalueer,” het Klein gesê. “Toe het ons oorgeskakel na 12 x 48 duim panele in die tweede fase van die projek, laste toegepas om 'n biaxiale spanningstoestand te genereer om mislukking te veroorsaak, en toe die herstelprestasie geëvalueer. In die tweede fase het ons ook die AMCB-model voltooi wat ons vir Onderhoud gebou het.”
Bergen het gesê dat die toetspaneel wat gebruik is om die herstelprestasie te bewys, vervaardig is met dieselfde lyn van laminate en kernmateriale as AMCB wat deur Seemann Composites vervaardig word, "maar ons het die paneeldikte van 0.375 duim tot 0.175 duim verminder, gebaseer op die parallelle-as-stelling. Dit is die geval. Die metode, tesame met die bykomende elemente van balkteorie en klassieke laminaatteorie [CLT], is gebruik om die traagheidsmoment en effektiewe styfheid van die volskaalse AMCB te koppel aan 'n kleiner demonstrasieproduk wat makliker is om te hanteer en meer koste-effektief is. Toe het ons Die eindige elementanalise [FEA] model wat deur XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, VSA) ontwikkel is, is gebruik om die ontwerp van strukturele herstelwerk te verbeter." Die koolstofveselstof wat vir die toetspanele en die AMCB-model gebruik is, is van Vectorply aangekoop, en die balsakern is deur Core Composites (Bristol, RI, VSA) vervaardig.
Stap 1. Hierdie toetspaneel vertoon 'n gatdiameter van 7,5 cm om skade wat in die middel gemerk is, te simuleer en die omtrek te herstel. Fotobron vir alle stappe: Custom Technologies LLC.
Stap 2. Gebruik 'n battery-aangedrewe handslypmasjien om die beskadigde materiaal te verwyder en om die herstelpleister met 'n 12:1-taps toe te maak.
“Ons wil ’n hoër mate van skade op die toetsbord simuleer as wat dalk op die brugdek in die veld gesien kan word,” het Bergen verduidelik. “Ons metode is dus om ’n gatsaag te gebruik om ’n gat met ’n deursnee van 3 duim te maak. Dan trek ons die prop van die beskadigde materiaal uit en gebruik ’n handpneumatiese slypmasjien om ’n 12:1-serp te verwerk.”
Crane het verduidelik dat vir koolstofvesel/epoksie-herstel, sodra die "beskadigde" paneelmateriaal verwyder is en 'n gepaste serp aangebring is, die prepreg tot die breedte en lengte gesny sal word om by die tapsheid van die beskadigde area te pas. "Vir ons toetspaneel vereis dit vier lae prepreg om die herstelmateriaal konsekwent te hou met die bokant van die oorspronklike onbeskadigde koolstofpaneel. Daarna word die drie bedekkende lae koolstof/epoksie-prepreg hierop op die herstelde deel gekonsentreer. Elke opeenvolgende laag strek 1 duim aan alle kante van die onderste laag, wat 'n geleidelike lasoordrag van die "goeie" omliggende materiaal na die herstelde area bied." Die totale tyd om hierdie herstelwerk uit te voer - insluitend die voorbereiding van die herstelarea, die sny en plasing van die restourasiemateriaal en die toepassing van die uithardingsprosedure - duur ongeveer 2,5 uur.
Vir koolstofvesel/epoksie-prepreg word die herstelarea vakuumverpak en vir een uur by 210°F/99°C uitgehard met behulp van 'n battery-aangedrewe termiese bonder.
Alhoewel koolstof/epoksie-herstel eenvoudig en vinnig is, het die span die behoefte aan 'n geriefliker oplossing om werkverrigting te herstel, erken. Dit het gelei tot die verkenning van ultraviolet (UV) uithardingsprepregs. “Die belangstelling in Sunrez-vinielesterhars is gebaseer op vorige vlootervaring met die maatskappy se stigter Mark Livesay,” het Bergen verduidelik. “Ons het Sunrez eers van 'n kwasi-isotropiese glasstof voorsien, met behulp van hul vinielester-prepreg, en die uithardingskurwe onder verskillende toestande geëvalueer. Boonop, omdat ons weet dat vinielesterhars nie soos epoksiehars is wat geskikte sekondêre adhesieprestasie bied nie, is bykomende pogings nodig om verskeie kleeflaag-koppelmiddels te evalueer en te bepaal watter een geskik is vir die toepassing.”
Nog 'n probleem is dat glasvesels nie dieselfde meganiese eienskappe as koolstofvesels kan bied nie. “In vergelyking met 'n koolstof/epoksie-pleister, word hierdie probleem opgelos deur 'n ekstra laag glas/vinielester te gebruik,” het Crane gesê. “Die rede waarom slegs een bykomende laag nodig is, is dat die glasmateriaal 'n swaarder materiaal is.” Dit lewer 'n geskikte pleister wat binne ses minute aangebring en gekombineer kan word, selfs by baie koue/vriesende temperature in die veld. Uitharding sonder om hitte te verskaf. Crane het daarop gewys dat hierdie herstelwerk binne 'n uur voltooi kan word.
Beide lapstelsels is gedemonstreer en getoets. Vir elke herstelwerk word die area wat beskadig moet word, gemerk (stap 1), met 'n gatsaag geskep en dan verwyder met 'n battery-aangedrewe handslypmasjien (stap 2). Sny dan die herstelde area in 'n 12:1-taps. Maak die oppervlak van die serp skoon met 'n alkoholblokkie (stap 3). Sny dan die herstellap tot 'n sekere grootte, plaas dit op die skoongemaakte oppervlak (stap 4) en konsolideer dit met 'n roller om lugborrels te verwyder. Vir glasvesel/UV-uithardende vinielester-prepreg, plaas dan die vrystellingslaag op die herstelde area en hard die lap vir ses minute met 'n koordlose UV-lamp uit (stap 5). Vir koolstofvesel/epoksi-prepreg, gebruik 'n voorafgeprogrammeerde, een-knoppie, battery-aangedrewe termiese binder om die herstelde area vir een uur by 210°F/99°C te vakuumpak en uit te hard.
Stap 5. Nadat die skillaag op die herstelde area geplaas is, gebruik 'n koordlose UV-lamp om die pleister vir 6 minute te genees.
“Toe het ons toetse uitgevoer om die kleefkrag van die pleister en die vermoë daarvan om die dravermoë van die struktuur te herstel, te evalueer,” het Bergen gesê. “In die eerste fase moet ons die gemak van aanwending en die vermoë om ten minste 75% van die sterkte te herstel, bewys. Dit word gedoen deur vierpuntbuiging op 'n 4 x 48 duim koolstofvesel/epoksihars en balsakernbalk nadat die gesimuleerde skade herstel is. Ja. Die tweede fase van die projek het 'n 12 x 48 duim-paneel gebruik en moet meer as 90% sterktevereistes onder komplekse spanningsbelastings toon. Ons het aan al hierdie vereistes voldoen en toe die herstelmetodes op die AMCB-model gefotografeer. Hoe om inveldtegnologie en -toerusting te gebruik om 'n visuele verwysing te verskaf.”
'n Sleutelaspek van die projek is om te bewys dat beginners die herstelwerk maklik kan voltooi. Om hierdie rede het Bergen 'n idee gehad: "Ek het belowe om dit aan ons twee tegniese kontakte in die Leër te demonstreer: Dr. Bernard Sia en Ashley Genna. In die finale oorsig van die eerste fase van die projek het ek gevra dat geen herstelwerk gedoen word nie. Ervare Ashley het die herstelwerk uitgevoer. Met behulp van die stel en handleiding wat ons verskaf het, het sy die pleister aangebring en die herstelwerk sonder enige probleme voltooi."
Figuur 2 Die battery-aangedrewe, voorafgeprogrammeerde, battery-aangedrewe termiese bindingsmasjien kan die koolstofvesel/epoksie-herstelpleister met die druk van 'n knoppie genees, sonder die behoefte aan herstelkennis of genesingsiklusprogrammering. Beeldbron: Custom Technologies, LLC
Nog 'n belangrike ontwikkeling is die battery-aangedrewe uithardingstelsel (Figuur 2). “Deur instandhouding in die veld het jy slegs batterykrag,” het Bergen uitgewys. “Al die prosestoerusting in die herstelstel wat ons ontwikkel het, is draadloos.” Dit sluit battery-aangedrewe termiese binding in wat gesamentlik deur Custom Technologies en die termiese bindingsmasjienverskaffer WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, VSA) ontwikkel is. “Hierdie battery-aangedrewe termiese bindingsmasjien is vooraf geprogrammeer om uitharding te voltooi, so beginners hoef nie die uithardingsiklus te programmeer nie,” het Crane gesê. “Hulle hoef net 'n knoppie te druk om die korrekte oprit en weekproses te voltooi.” Die batterye wat tans gebruik word, kan 'n jaar hou voordat hulle herlaai moet word.
Met die voltooiing van die tweede fase van die projek berei Custom Technologies opvolgverbeteringsvoorstelle voor en versamel hulle briewe van belangstelling en ondersteuning. “Ons doel is om hierdie tegnologie tot TRL 8 te ontwikkel en dit na die veld te bring,” het Bergen gesê. “Ons sien ook die potensiaal vir nie-militêre toepassings.”
Verduidelik die ou kuns agter die bedryf se eerste veselversterking, en het 'n diepgaande begrip van nuwe veselwetenskap en toekomstige ontwikkeling.
Die 787, wat binnekort vir die eerste keer vlieg, maak staat op innovasies in saamgestelde materiale en prosesse om sy doelwitte te bereik.
Plasingstyd: 2 September 2021