U kit portatile pò esse riparatu cù fibra di vetru / vinilester curabile UV o fibra di carbone / prepreg epossidicu almacenatu à a temperatura di l'ambienti è l'equipaggiu di curazione alimentatu da batterie. #insidemanufacturing #infrastruttura
Riparazione di patch prepreg curabile UV Ancu se a riparazione di prepreg in fibra di carbonu / epossidica sviluppata da Custom Technologies LLC per u ponte compositu infield hè stata dimustrata simplice è rapida, l'usu di resina vinilester UV-curable rinfurzata cù fibra di vetru Prepreg hà sviluppatu un sistema più convenientu. . Fonte di l'imaghjini: Custom Technologies LLC
I ponti modulari implementabili sò attivi critichi per l'operazioni tattiche militari è a logistica, è ancu a risturazione di l'infrastruttura di trasportu durante i disastri naturali. Strutture cumposti sò studiati per riduce u pesu di tali ponti, riducendu cusì u pesu nantu à i veiculi di trasportu è i miccanismi di lanciamentu-ricuperazione. In cunfrontu cù i ponti metallichi, i materiali compositi anu ancu u putenziale di aumentà a capacità portante è allargà a vita di serviziu.
U Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) hè un esempiu. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, US) è Materials Sciences LLC (Horsham, PA, US) utilizanu laminati epossidichi rinforzati cù fibra di carbonu (Figura 1). ) Design è custruzzione). Tuttavia, a capacità di riparà tali strutture in u campu hè statu un prublema chì impedisce l'adopzione di materiali compositi.
Figura 1 Ponte compostu, asset infield chjave Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) hè statu cuncepitu è custruitu da Seemann Composites LLC è Materials Sciences LLC utilizendu composti di resina epossidica rinforzata in fibra di carbonu. Fonte di l'imaghjini: Seeman Composites LLC (a manca) è l'Armata di i Stati Uniti (a diritta).
In 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, US) hà ricevutu una cuncessione di Fase 1 di Ricerca di Innovazione di Piccole Imprese (SBIR) finanziata da l'Armata di i Stati Uniti per sviluppà un metudu di riparazione chì pò esse realizatu in situ da i suldati. Basatu annantu à questu approcciu, a seconda fase di a cuncessione SBIR hè stata attribuita in 2018 per mostrà novi materiali è equipaghji alimentati da batterie, ancu s'è u patch hè realizatu da un principiante senza furmazione previa, 90% o più di a struttura pò esse restaurata Raw forza. A fattibilità di a tecnulugia hè determinata da a realizazione di una serie di analisi, selezzione di materiale, fabricazione di campioni è teste meccaniche, è ancu riparazioni à piccula scala è cumpleta.
U ricercatore principale in e duie fasi SBIR hè Michael Bergen, u fundatore è presidente di Custom Technologies LLC. Bergen si ritirò da Carderock di u Naval Surface Warfare Center (NSWC) è hà servitu in u Dipartimentu di Strutture è Materiali per 27 anni, induve hà gestitu u sviluppu è l'applicazione di tecnulugia cumposti in a flotta di a Marina di i Stati Uniti. U duttore Roger Crane hà unitu à Custom Technologies in 2015 dopu a ritirata da a Marina di i Stati Uniti in 2011 è hà servitu per 32 anni. A so cumpetenza in materiali compositi include publicazioni tecniche è brevetti, chì copre temi cum'è novi materiali compositi, fabricazione di prototipi, metudi di cunnessione, materiali compositi multifunzionali, monitoraghju di salute strutturale è restaurazione di materiale compositu.
I dui sperti anu sviluppatu un prucessu unicu chì usa materiali compositi per riparà i cracke in a superstruttura d'aluminiu di l'incrociatore di missile guidati di classe Ticonderoga CG-47 5456. "U prucessu hè statu sviluppatu per riduce a crescita di cracke è per serve com'è alternativa economica. à a sustituzione di una piattaforma di piattaforma da 2 à 4 milioni di dollari ", disse Bergen. "Allora avemu dimustratu chì sapemu cumu fà riparazioni fora di u laboratoriu è in un ambiente di serviziu veru. Ma a sfida hè chì i metudi attuali di l'assi militari ùn sò micca assai successu. L'opzione hè a riparazione duplex ligata [in fondu in i zoni dannighjati Incolla una tavola à a cima] o sguassate l'attivu da u serviziu per riparazioni à livellu di magazzinu (livellu D). Perchè e riparazioni di livellu D sò richieste, parechji assi sò messi da parte ".
Cuntinuò à dì chì ciò chì hè necessariu hè un metudu chì pò esse realizatu da suldati senza sperienza in materiali compositi, utilizendu solu kits è manuali di mantenimentu. U nostru scopu hè di fà u prucessu simplice: leghje u manuale, valutà i danni è eseguite reparazione. Ùn vulemu micca mischjà resina liquida, postu chì questu hè bisognu di misurazione precisa per assicurà a cura completa. Avemu ancu bisognu di un sistema senza rifiuti periculosi dopu chì e riparazioni sò finite. È deve esse imballatu cum'è un kit chì pò esse implementatu da a reta esistente. "
Una soluzione chì Custom Technologies hà dimustratu cù successu hè un kit portatile chì usa un adesivu epossidicu rinforzatu per persunalizà u patch composite adesivo secondu a dimensione di u dannu (finu à 12 pollici quadrati). A dimustrazione hè stata cumpletata nantu à un materiale cumpostu chì rapprisenta un ponte AMCB di 3-inch grossu. U materiale compositu hà un core di legnu di balsa di 3 inch di grossu (15 liri per densità di piede cubicu) è dui strati di Vectorply (Phoenix, Arizona, US) C -LT 1100 fibra di carbonu 0 ° / 90 ° biaxial stitched fabric, una strata di C-TLX 1900 fibra di carbone 0°/+45°/-45° trè fusti è dui strati di C-LT 1100, un totale di cinque strati. "Avemu decisu chì u kit utilizerà parches prefabbricati in un laminatu quasi-isotropicu simili à un multi-assi per chì a direzzione di u tela ùn serà micca un prublema", disse Crane.
U prossimu prublema hè a matrice di resina utilizata per a riparazione di laminati. Per evitari di mischjà a resina liquida, u patch utilizerà prepreg. "Tuttavia, queste sfide sò u almacenamentu", spiega Bergen. Per sviluppà una soluzione di patch storable, Custom Technologies hà assuciatu cù Sunrez Corp. (El Cajon, California, USA) per sviluppà una fibra di vetru / vinilester prepreg chì pò utilizà a luce ultravioletta (UV) in sei minuti Curing Light. Hà cullaburatu ancu cù Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), chì hà suggeritu l'usu di una nova film epossidicu flexible.
I primi studii anu dimustratu chì a resina epossidica hè a resina più adatta per i prepregs di fibra di carbonu, l'estere di vinile curabile UV è a fibra di vetru trasluzente travaglianu bè, ma ùn guariscenu micca sottu a fibra di carbone chì blocca a luce. Basatu nantu à a nova pellicola di Gougeon Brothers, u preimpreg epoxy finale hè curatu per 1 ora à 210 ° F/99 ° C è hà una longa durata à a temperatura di l'ambienti - ùn hè micca bisognu di almacenamentu à bassa temperatura. Bergen hà dettu chì s'ellu hè necessariu una temperatura di transizione vetru (Tg) più alta, a resina serà ancu curata à una temperatura più alta, cum'è 350 ° F/177 ° C. I dui prepregs sò furniti in un kit di riparazione portatile cum'è una pila di patch prepreg sigillati in una busta di film plastica.
Siccomu u kit di riparazione pò esse guardatu per un bellu pezzu, Custom Technologies hè obligatu à fà un studiu di a vita di a vita. "Avemu compru quattru recinzioni di plastica dura - un tipu militare tipicu utilizatu in l'equipaggiu di trasportu - è mettemu campioni di adesivu epossidicu è prepreg di vinilesteru in ogni recintu", disse Bergen. I scatuli sò stati allora posti in quattru lochi diffirenti per a prova: u tettu di a fabbrica Gougeon Brothers in Michigan, u tettu di l'aeroportu di Maryland, l'installazione esterna in Yucca Valley (desertu di California), è u laboratoriu di prova di corrosione in u sudu di Florida. Tutti i casi anu registratori di dati, Bergen indica, "Pigliemu campioni di dati è materiali per a valutazione ogni trè mesi. A temperatura massima registrata in i scatuli in Florida è California hè 140 ° F, chì hè bonu per a maiò parte di e resine di risturazione. Hè una vera sfida ". Inoltre, Gougeon Brothers hà testatu internamente a resina epossidica pura di novu sviluppu. "I campioni chì sò stati posti in un fornu à 120 ° F per parechji mesi cumincianu à polimerizà", disse Bergen. "Tuttavia, per i campioni currispondenti mantinuti à 110 ° F, a chimica di a resina hà solu migliuratu da una piccula quantità".
A riparazione hè stata verificata nantu à u tavulinu di prova è stu mudellu di scala di AMCB, chì hà utilizatu u listessu laminatu è materiale core cum'è u ponte originale custruitu da Seemann Composites. Fonte di l'imaghjini: Custom Technologies LLC
Per dimustrà a tecnica di riparazione, un laminatu rappresentativu deve esse fabbricatu, danatu è riparatu. "In a prima fase di u prugettu, avemu inizialmente utilizatu travi di 4 x 48-inch in piccula scala è teste di curvatura di quattru punti per valutà a fattibilità di u nostru prucessu di riparazione", disse Klein. "Allora, avemu fattu a transizione à i pannelli di 12 x 48 inch in a seconda fase di u prugettu, applicamu carichi per generà un statu di stress biaxial per causà fallimentu, è dopu evaluatu u rendiment di riparazione. In a seconda fase, avemu ancu cumpletu u mudellu AMCB chì avemu custruitu Mantenimentu ".
Bergen hà dettu chì u pannellu di prova utilizatu per dimustrà a prestazione di riparazione hè stata fabbricata cù a listessa linea di laminati è materiali core cum'è AMCB fabbricata da Seemann Composites, "ma avemu riduciutu u grossu di u pannellu da 0,375 inch à 0,175 inch, basatu annantu à u teorema di l'assi parallelu. . Questu hè u casu. U metudu, inseme cù l'elementi supplementari di a teoria di u fasciu è a teoria classica di laminatu [CLT], hè stata utilizata per ligà u mumentu d'inerzia è a rigidità efficace di l'AMCB in scala completa cù un pruduttu demo più chjucu chì hè più faciule da manighjà è più. costu-efficace. Allora, avemu L'analisi di elementi finiti [FEA] mudellu sviluppatu da XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) hè stata utilizata per migliurà u disignu di riparazioni strutturali ". U tela di fibra di carbone utilizatu per i pannelli di prova è u mudellu AMCB hè statu acquistatu da Vectorply, è u core di balsa hè statu fattu da Core Composites (Bristol, RI, US) furnitu.
Passu 1. Stu pannellu di prova mostra un diametru di 3 inch per simulà i danni marcati in u centru è riparà a circunferenza. Fonte di foto per tutti i passi: Custom Technologies LLC.
Passu 2. Aduprate una macina manuale di batterie per caccià u materiale danatu è aghjunghje u patch di riparazione cù un taper 12: 1.
"Vulemu simulà un livellu più altu di dannu nantu à a tavola di prova di quellu chì puderia esse vistu nantu à u ponte di u ponte in u campu", hà spiegatu Bergen. "Allora u nostru metudu hè di utilizà una sega per fà un foru di diametru di 3 pollici. Allora, tiremu u tappu di u materiale danatu è usemu una macina pneumatica manuale per processà una sciarpa 12: 1 ".
Crane hà spiegatu chì per a riparazione di fibra di carbonu / epossidichi, una volta chì u materiale di u pannellu "dannatu" hè sguassatu è una sciarpa appruvata hè appiicata, u prepreg serà tagliatu à l'larghezza è a lunghezza per currisponde à a cunicità di l'area dannata. "Per u nostru pannellu di prova, questu hè bisognu di quattru strati di prepreg per mantene u materiale di riparazione coherente cù a cima di u pannellu di carbone originale senza danni. Dopu à quessa, i trè strati di cupertura di carbone / epoxy prepreg sò cuncentrati nantu à questu In a parte riparata. Ogni strata successiva si estende 1 inch in tutti i lati di a capa inferiore, chì furnisce un trasferimentu graduale di carica da u "bonu" materiale circundante à l'area riparata. U tempu tutale di fà sta riparazione-cumpresi a preparazione di l'area di riparazione, Cutting è mette u materiale di risturazione è applicà a prucedura di curing-circa 2,5 ore.
Per a fibra di carbone / prepreg epoxy, l'area di riparazione hè imballata in vacuum è curata à 210 ° F / 99 ° C per una ora cù un bonder termicu alimentatu da batterie.
Ancu se a riparazione di carbone / epossidicu hè simplice è rapida, a squadra hà ricunnisciutu a necessità di una suluzione più còmuda per restaurà u rendiment. Questu hà purtatu à l'esplorazione di prepregs curing ultraviolet (UV). "L'interessu per e resine di vinilester Sunrez hè basatu annantu à l'esperienza navale precedente cù u fundatore di a cumpagnia Mark Livesay", hà spiegatu Bergen. "Avemu prima furnitu à Sunrez un tissu di vetru quasi-isotropicu, utilizendu u so vinyl ester prepreg, è hà evaluatu a curva di polimerizazione in diverse cundizioni. Inoltre, perchè sapemu chì a resina di vinilester ùn hè micca cum'è a resina epossidica chì furnisce un rendimentu di aderenza secundariu adattatu, per quessa, sforzi supplementari sò richiesti per valutà diversi agenti di accoppiamentu di strati adesivi è determinà quale hè adattatu per l'applicazione ".
Un altru prublema hè chì e fibre di vetru ùn ponu micca furnisce e stesse proprietà meccaniche cum'è fibre di carbone. "In cunfrontu cù u patch di carbone / epossidicu, stu prublema hè risolta cù una strata extra di vetru / vinilesteru", disse Crane. "U mutivu perchè solu una capa addiziale hè necessaria hè chì u materiale di vetru hè un tela più pesante". Questu pruduce un patch adattatu chì pò esse appiicatu è cumminatu in sei minuti ancu à temperature infield assai freti / congelate. Curing senza furnisce calore. Crane hà dettu chì stu travagliu di riparazione pò esse cumpletu in una ora.
I dui sistemi di patch sò stati dimustrati è pruvati. Per ogni riparazione, l'area per esse danatu hè marcata (passu 1), creata cù una sega di pirtusu, è poi sguassata cù una macina manuale di batterie (passu 2). Allora tagliate l'area riparata in un taper 12: 1. Pulite a superficia di a sciarpa cun un pad alcolu (passu 3). Dopu, tagliate u patch di riparazione à una certa dimensione, mette nantu à a superficia pulita (passu 4) è cunsulidalu cù un rollu per sguassà e bolle d'aria. Per u prepreg di fibra di vetru / vinyl ester curing UV, poi mette a capa di liberazione nantu à l'area riparata è curà u patch cù una lampada UV senza cordone per sei minuti (passu 5). Per prepreg di fibra di carbonu / epossidicu, aduprate un bonder termale preprogrammatu, un buttone, alimentatu da a batteria per imballà in vacu è curà l'area riparata à 210 ° F / 99 ° C per una ora.
Step 5. Dopu avè postu a capa di peeling nantu à l'area riparata, utilizate una lampada UV senza cordone per curà u patch per 6 minuti.
"Allora avemu realizatu teste per evaluà l'aderenza di u patch è a so capacità di restaurà a capacità portante di a struttura", disse Bergen. "In a prima tappa, avemu bisognu di pruvà a facilità d'applicazione è a capacità di ricuperà almenu u 75% di a forza. Questu hè fattu da una curvatura di quattru punti nantu à una fibra di carbonu 4 x 48 inch / resina epossidica è un fasciu di core di balsa dopu a riparazione di u dannu simulatu. Iè. A seconda fase di u prugettu hà utilizatu un pannellu di 12 x 48 inch, è deve esibisce più di 90% esigenze di forza sottu carichi di tensione cumplessi. Avemu scontru tutte sti esigenze, è dopu fotografiatu i metudi di riparazione nantu à u mudellu AMCB. Cumu utilizà a tecnulugia è l'equipaggiu infield per furnisce una riferenza visuale ".
Un aspettu chjave di u prugettu hè di pruvà chì i principianti ponu facilmente compie a riparazione. Per quessa, Bergen hà avutu una idea: "Aghju prumessu di dimustrà à i nostri dui cuntatti tecnichi in l'Armata: Dr Bernard Sia è Ashley Genna. In a rivisione finale di a prima fase di u prugettu, ùn aghju dumandatu micca reparazione. Ashley espertu hà realizatu a riparazione. Utilizendu u kit è u manuale chì avemu furnitu, hà applicatu u patch è hà finitu a riparazione senza prublemi.
Figura 2 A macchina di ligame termale alimentata da a batteria, preprogrammata, alimentata da a batteria, pò guarisce u patch di riparazione di fibra di carbonu / epossidicu à a pressione di un buttone, senza a necessità di cunniscenza di riparazione o di prugrammazione di ciclu di cura. Fonte di l'imaghjini: Custom Technologies, LLC
Un altru sviluppu chjave hè u sistema di curazione alimentatu da batterie (Figura 2). "Per u mantenimentu in u campu, avete solu l'energia di a bateria", hà dettu Bergen. "Tuttu l'equipaggiu di prucessu in u kit di riparazione chì avemu sviluppatu hè wireless." Questu include u ligame termale alimentatu da a batteria sviluppatu in cunjunzione da Custom Technologies è u fornitore di macchine di ligame termale WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). "Questu bonder termale alimentatu da a batteria hè preprogrammatu per cumplettà a curazione, cusì i principianti ùn anu micca bisognu di programà u ciclu di curazione", disse Crane. "Anu solu bisognu di appughjà un buttone per compie a rampa curretta è immerge". E batterie attualmente in usu pò durà un annu prima di esse ricaricate.
Cù a fine di a seconda fase di u prugettu, Custom Technologies prepara pruposte di migliuramentu di seguitu è raccoglie lettere d'interessu è sustegnu. "U nostru scopu hè di maturà sta tecnulugia à TRL 8 è purtalla à u campu", disse Bergen. "Videmu ancu u putenziale di applicazioni non militari".
Spiega u vechju arte daretu à u primu rinfurzamentu di fibre di l'industria, è hà una cunniscenza approfondita di a nova scienza di fibre è u sviluppu futuru.
Prestu è vola per a prima volta, u 787 s'appoghja nantu à l'innovazioni in materiali compositi è prucessi per ghjunghje i so scopi
Tempu di pubblicazione: 02-09-2021