U kit purtabile pò esse riparatu cù fibra di vetru/estere di vinile curabile à i raggi UV o prepreg di fibra di carbone/epossidica conservatu à temperatura ambiente è cù apparecchiature di polimerizazione alimentate da batterie. #insidemanufacturing #infrastructure
Riparazione di patch prepreg curabile UV Ancu s'è a riparazione di prepreg in fibra di carbone/epossidica sviluppata da Custom Technologies LLC per u ponte cumpostu infield s'hè rivelata simplice è rapida, l'usu di resina vinilestere curabile UV rinforzata cù fibra di vetru Prepreg hà sviluppatu un sistema più convenientu. Fonte di l'imagine: Custom Technologies LLC
I ponti modulari spiegabili sò risorse critiche per l'operazioni tattiche militari è a logistica, è ancu per a restaurazione di l'infrastrutture di trasportu durante i disastri naturali. Strutture cumposite sò studiate per riduce u pesu di tali ponti, riducendu cusì u pesu nantu à i veiculi di trasportu è i meccanismi di lanciu-recuperu. In paragone cù i ponti metallichi, i materiali cumposite anu ancu u putenziale di aumentà a capacità portante è di allargà a vita di serviziu.
L'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 fibre di carboniu (Figura 1). ) Cuncepimentu è custruzzione). Tuttavia, a capacità di riparà tali strutture in u campu hè stata un prublema chì impedisce l'adopzione di materiali cumposti.
Figura 1 Ponte cumpostu, risorsa chjave in u campu U Ponte Cumpostu Modulare Avanzatu (AMCB) hè statu cuncipitu è custruitu da Seemann Composites LLC è Materials Sciences LLC utilizendu cumposti di resina epossidica rinforzata cù fibra di carbone. Fonte di l'imagine: Seeman Composites LLC (à manca) è l'Armata Americana (à diritta).
In u 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, US) hà ricevutu una borsa di studiu di a Fase 1 di Small Business Innovation Research (SBIR) finanziata da l'Armata Americana per sviluppà un metudu di riparazione chì pò esse realizatu cù successu in situ da i suldati. Basatu annantu à questu approcciu, a seconda fase di a borsa di studiu SBIR hè stata attribuita in u 2018 per mette in mostra novi materiali è equipaggiamenti alimentati da batterie, ancu s'è a riparazione hè realizata da un principiante senza furmazione previa, u 90% o più di a struttura pò esse restaurata. A fattibilità di a tecnulugia hè determinata realizendu una seria d'analisi, selezzione di materiali, fabricazione di campioni è attività di test meccanichi, è ancu riparazioni à piccula è à grande scala.
U principale ricercatore in e duie fasi SBIR hè Michael Bergen, u fundatore è presidente di Custom Technologies LLC. Bergen s'hè ritiratu 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 tecnulugie cumposte in a flotta di a Marina di i Stati Uniti. U duttore Roger Crane s'hè unitu à Custom Technologies in u 2015 dopu avè ritiratu da a Marina di i Stati Uniti in u 2011 è hà servitu per 32 anni. A so cumpetenza in materia di materiali cumposti include publicazioni tecniche è brevetti, chì coprenu temi cum'è novi materiali cumposti, fabricazione di prototipi, metudi di cunnessione, materiali cumposti multifunzionali, monitoraghju di a salute strutturale è restaurazione di materiali cumposti.
I dui esperti anu sviluppatu un prucessu unicu chì usa materiali cumposti per riparà e crepe in a sovrastruttura in aluminiu di u cruiser missilisticu guidatu di classe Ticonderoga CG-47 5456. "U prucessu hè statu sviluppatu per riduce a crescita di crepe è per serve cum'è alternativa ecunomica à a sustituzione di una tavola di piattaforma da 2 à 4 milioni di dollari", hà dettu Bergen. "Cusì avemu dimustratu chì sapemu cumu fà riparazioni fora di u laburatoriu è in un ambiente di serviziu reale. Ma a sfida hè chì i metudi attuali di l'assi militari ùn anu micca assai successu. L'opzione hè a riparazione duplex ligata [in fondu in e zone danneggiate Incollate una tavola in cima] o rimuovere l'attivu da u serviziu per riparazioni à livellu di magazzinu (livello D). Siccomu sò necessarie riparazioni à livellu D, parechji assi sò messi da parte ".
Hà cuntinuatu dicendu chì ciò chì hè necessariu hè un metudu chì pò esse realizatu da suldati senza sperienza in materiali cumposti, aduprendu solu kit è manuali di manutenzione. U nostru scopu hè di rende u prucessu simplice: leghje u manuale, valutà i danni è fà riparazioni. Ùn vulemu micca mischjà resine liquide, postu chì questu richiede una misurazione precisa per assicurà una cura cumpleta. Avemu ancu bisognu di un sistema senza rifiuti periculosi dopu chì e riparazioni sò state cumpletate. È deve esse imballatu cum'è un kit chì pò esse implementatu da a rete esistente.
Una suluzione chì Custom Technologies hà dimustratu cù successu hè un kit portatile chì usa un adesivo epossidicu induratu per persunalizà a pezza cumposta adesiva secondu a dimensione di u dannu (finu à 12 pollici quadrati). A dimostrazione hè stata cumpletata nantu à un materiale cumpostu chì rapprisenta un ponte AMCB di 3 pollici di spessore. U materiale cumpostu hà un core di legnu di balsa di 3 pollici di spessore (15 libbre per densità di pede cubicu) è dui strati di tela cucita biassiale Vectorply (Phoenix, Arizona, US) C-LT 1100 in fibra di carboniu 0°/90°, un stratu di fibra di carboniu C-TLX 1900 0°/+45°/-45° trè alberi è dui strati di C-LT 1100, per un totale di cinque strati. "Avemu decisu chì u kit aduprerà pezze prefabbricate in un laminatu quasi isotropicu simile à un multiasse in modu chì a direzzione di a tela ùn serà micca un prublema", hà dettu Crane.
U prossimu prublema hè a matrice di resina aduprata per a riparazione di laminati. Per evità di mischjà resina liquida, u patch aduprerà prepreg. "Tuttavia, sti sfidi sò di almacenamentu", hà spiegatu Bergen. Per sviluppà una suluzione di patch almacenabile, Custom Technologies hà collaboratu cù Sunrez Corp. (El Cajon, California, USA) per sviluppà un prepreg di fibra di vetru / estere di vinile chì pò aduprà a luce ultravioletta (UV) in sei minuti di polimerizazione. Hà ancu collaboratu cù Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), chì hà suggeritu l'usu di un novu film epossidicu flessibile.
I primi studii anu dimustratu chì a resina epossidica hè a resina più adatta per i prepreg di fibra di carbone - l'estere vinilico curabile à i raggi UV è a fibra di vetru traslucida funzionanu bè, ma ùn si curanu micca sottu à a fibra di carbone chì blocca a luce. Basatu annantu à u novu film di Gougeon Brothers, u prepreg epossidico finale hè curatu per 1 ora à 210 ° F / 99 ° C è hà una longa durata di conservazione à temperatura ambiente - ùn ci hè bisognu di almacenamentu à bassa temperatura. Bergen hà dettu chì se hè necessaria una temperatura di transizione vetrosa (Tg) più alta, a resina serà ancu curata à una temperatura più alta, cum'è 350 ° F / 177 ° C. Tramindui i prepreg sò furniti in un kit di riparazione portatile cum'è una pila di patch di prepreg sigillati in una busta di film plasticu.
Siccomu u kit di riparazione pò esse almacenatu per un bellu pezzu, Custom Technologies hè ubligata à fà un studiu di durata di conservazione. "Avemu acquistatu quattru involucri di plastica dura - un tipu militare tipicu utilizatu in l'equipaggiu di trasportu - è avemu messu campioni di adesivo epossidico è prepreg di estere di vinile in ogni involucru", hà dettu Bergen. E scatule sò state poi piazzate in quattru lochi diversi per esse testate: u tettu di a fabbrica di Gougeon Brothers in Michigan, u tettu di l'aeroportu di u Maryland, l'installazione esterna in Yucca Valley (desertu di California) è u laburatoriu di test di corrosione esterna in u sud di a Florida. Tutti i casi anu registratori di dati, precisa Bergen, "Pigliamu campioni di dati è materiali per a valutazione ogni trè mesi. A temperatura massima registrata in e scatule in Florida è California hè di 140 ° F, chì hè bona per a maiò parte di e resine di restaurazione. Hè una vera sfida". Inoltre, Gougeon Brothers hà testatu internamente a resina epossidica pura appena sviluppata. "I campioni chì sò stati posti in un fornu à 120 ° F per parechji mesi cumincianu à polimerizà", hà dettu Bergen. "Tuttavia, per i campioni currispondenti mantenuti à 110 ° F, a chimica di a resina hè stata migliurata solu di una piccula quantità."
A riparazione hè stata verificata nant'à a tavula di prova è stu mudellu in scala di AMCB, chì hà utilizatu u listessu laminatu è materiale di u core cum'è u ponte originale custruitu da Seemann Composites. Fonte di l'imagine: Custom Technologies LLC
Per dimustrà a tecnica di riparazione, un laminatu rappresentativu deve esse fabbricatu, dannighjatu è riparatu. "In a prima fase di u prugettu, avemu inizialmente utilizatu travi di 4 x 48 pollici à piccula scala è testi di flessione à quattru punti per valutà a fattibilità di u nostru prucessu di riparazione", hà dettu Klein. "Dopu, simu passati à pannelli di 12 x 48 pollici in a seconda fase di u prugettu, avemu applicatu carichi per generà un statu di stress biassiale per causà fallimentu, è dopu avemu valutatu e prestazioni di riparazione. In a seconda fase, avemu ancu cumpletatu u mudellu AMCB chì avemu custruitu Maintenance."
Bergen hà dettu chì u pannellu di prova utilizatu per pruvà a prestazione di riparazione hè statu fabbricatu aduprendu a stessa linea di laminati è materiali core cum'è AMCB fabbricatu da Seemann Composites, "ma avemu riduttu u spessore di u pannellu da 0,375 pollici à 0,175 pollici, basatu annantu à u teorema di l'assi paralleli. Questu hè u casu. U metudu, inseme cù l'elementi supplementari di a teoria di e travi è a teoria classica di i laminati [CLT], hè statu utilizatu per ligà u mumentu d'inerzia è a rigidità effettiva di l'AMCB à scala piena cù un pruduttu demo di dimensioni più chjuche chì hè più faciule da manighjà è più economicu. Dopu, avemu furnitu u mudellu di analisi di l'elementi finiti [FEA] sviluppatu da XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) per migliurà u disignu di e riparazioni strutturali ". U tissutu 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).
Passu 1. Stu pannellu di prova mostra un diametru di foru di 3 pollici per simulà u dannu marcatu in u centru è riparà a circunferenza. Fonte di a foto per tutti i passi: Custom Technologies LLC.
Passu 2. Aduprate una smerigliatrice manuale à batteria per rimuovere u materiale dannighjatu è racchiudere a zona di riparazione cù una conicità 12:1.
«Vulemu simulà un gradu di danni più altu nantu à a tavola di prova chè quellu chì si puderebbe vede nantu à u ponte in u campu», hà spiegatu Bergen. «Cusì u nostru metudu hè di utilizà una sega à tazza per fà un foru di 3 pollici di diametru. Dopu, tiremu fora u tappu di u materiale dannighjatu è usemu una smerigliatrice pneumatica manuale per processà una sciarpa 12:1».
Crane hà spiegatu chì per a riparazione di fibra di carbone/epossidu, una volta chì u materiale di u pannellu "dannighjatu" hè statu cacciatu è una sciarpa adatta hè stata applicata, u prepreg serà tagliatu à larghezza è lunghezza per currisponde à a conicità di a zona dannighjata. "Per u nostru pannellu di prova, questu richiede quattru strati di prepreg per mantene u materiale di riparazione coerente cù a cima di u pannellu di carbone originale senza dannighjatu. Dopu à quessa, i trè strati di copertura di prepreg di carbone/epossidu sò cuncentrati nantu à questu nantu à a parte riparata. Ogni stratu successivu si estende per 1 pollice nantu à tutti i lati di u stratu inferiore, ciò chì furnisce un trasferimentu graduale di carica da u materiale circundante "bonu" à a zona riparata ". U tempu tutale per eseguisce sta riparazione - cumprese a preparazione di a zona di riparazione, u tagliu è u piazzamentu di u materiale di restaurazione è l'applicazione di a prucedura di polimerizazione - circa 2,5 ore.
Per u prepreg di fibra di carbone/epossidica, a zona di riparazione hè imballata sottu vuoto è polimerizzata à 210°F/99°C per un'ora aduprendu una termoadesiva alimentata da batteria.
Ancu s'è a riparazione di carbone/epossidu hè simplice è rapida, a squadra hà ricunnisciutu a necessità di una suluzione più pratica per restaurà e prestazioni. Questu hà purtatu à l'esplorazione di prepregs à polimerizazione ultravioletta (UV). "L'interessu per e resine di estere di vinile Sunrez hè basatu annantu à l'esperienza navale precedente cù u fundatore di a cumpagnia Mark Livesay", hà spiegatu Bergen. "Prima avemu furnitu à Sunrez un tissutu di vetru quasi-isotropicu, utilizendu u so prepreg di estere di vinile, è avemu valutatu a curva di polimerizazione in diverse cundizioni. Inoltre, postu chì sapemu chì a resina di estere di vinile ùn hè micca cum'è a resina epossidica chì furnisce prestazioni di adesione secundaria adatte, sò necessarii sforzi supplementari per valutà i vari agenti di accoppiamentu di u stratu adesivo 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 di e fibre di carbone. "In paragone cù u patch di carbone/epossidu, stu prublema hè risoltu aduprendu un stratu supplementu di vetru/vinil estere", hà dettu Crane. "A ragione per a quale hè necessariu solu un stratu supplementu hè chì u materiale di vetru hè un tissutu più pesante". Questu produce un patch adattatu chì pò esse applicatu è cumminatu in sei minuti ancu à temperature assai fredde/di congelamentu in u campu. Polimerizazione senza furnisce calore. Crane hà indicatu chì stu travagliu di riparazione pò esse cumpletatu in un'ora.
Tramindui i sistemi di patch sò stati dimustrati è testati. Per ogni riparazione, a zona da dannighjà hè marcata (passu 1), creata cù una sega à tazza, è dopu rimossa cù una smerigliatrice manuale alimentata da batteria (passu 2). Dopu, tagliate a zona riparata in un conu 12:1. Pulite a superficia di a sciarpa cù un tampone imbevutu d'alcol (passu 3). Dopu, tagliate u patch di riparazione à una certa dimensione, mettelu nantu à a superficia pulita (passu 4) è cunsulidatelu cù un rullu per rimuovere e bolle d'aria. Per u prepreg di fibra di vetru/vinile estere chì polimerizza cù UV, poi mette u stratu di rilascio nantu à a zona riparata è polimerizà u patch cù una lampada UV senza filu per sei minuti (passu 5). Per u prepreg di fibra di carboniu/epossidica, aduprate un termoadesivu preprogrammatu, à un buttone, alimentatu da batteria, per imballà sottu vuoto è polimerizà a zona riparata à 210°F/99°C per un'ora.
Passu 5. Dopu avè piazzatu u stratu di sbucciatura nantu à a zona riparata, aduprate una lampada UV senza filu per curà u patch per 6 minuti.
«Dopu avemu realizatu testi per valutà l'adesività di a pezza è a so capacità di restaurà a capacità portante di a struttura», hà dettu Bergen. «In a prima fase, ci vole à dimustrà a facilità d'applicazione è a capacità di recuperà almenu u 75% di a forza. Questu hè fattu piegendu à quattru punti nantu à una trave di fibra di carbone/resina epossidica è anima di balsa di 4 x 48 pollici dopu avè riparatu u dannu simulatu. Iè. A seconda fase di u prugettu hà utilizatu un pannellu di 12 x 48 pollici, è deve mustrà requisiti di resistenza di più di u 90% sottu carichi di tensione cumplessi. Avemu soddisfattu tutti questi requisiti, è dopu avemu fotografatu i metudi di riparazione nantu à u mudellu AMCB. Cumu aduprà a tecnulugia è l'attrezzatura in u campu per furnisce una riferenza visuale.»
Un aspettu chjave di u prugettu hè di dimustrà chì i principianti ponu compie facilmente a riparazione. Per questa ragione, Bergen hà avutu una idea: "Aghju prumessu di dimustrà à i nostri dui cuntatti tecnichi in l'Armata: u duttore Bernard Sia è Ashley Genna. In l'ultima rivista di a prima fase di u prugettu, ùn aghju dumandatu nisuna riparazione. Ashley, esperta, hà realizatu a riparazione. Usendu u kit è u manuale chì avemu furnitu, hà applicatu a pezza è hà cumpletatu a riparazione senza alcun prublema."
Figura 2 A macchina di legame termicu preprogrammata per a polimerizzazione alimentata da batteria pò polimerizà u patch di riparazione in fibra di carbone/epossidu cù a semplice pressione di un buttone, senza bisognu di cunniscenze di riparazione o di prugrammazione di cicli di polimerizzazione. Fonte di l'imagine: Custom Technologies, LLC
Un altru sviluppu chjave hè u sistema di polimerizazione alimentatu da batteria (Figura 2). "Grazie à a manutenzione in u campu, avete solu l'energia di a batteria", hà indicatu Bergen. "Tutti l'equipaggiamenti di prucessu in u kit di riparazione chì avemu sviluppatu sò senza filu". Questu include a macchina di ligame termicu alimentata da batteria sviluppata in cumunu da Custom Technologies è u fornitore di macchine di ligame termicu WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). "Questa macchina di ligame termicu alimentata da batteria hè preprogrammata per cumpletà a polimerizazione, dunque i principianti ùn anu micca bisognu di programà u ciclu di polimerizazione", hà dettu Crane. "Basta à appughjà un buttone per cumpletà a rampa è l'immersione curretta". E batterie attualmente in usu ponu durà un annu prima di avè bisognu di esse ricaricate.
Cù u cumpletamentu di a seconda fase di u prugettu, Custom Technologies prepara pruposte di miglioramentu di seguitu è raccoglie lettere d'interessu è di sustegnu. "U nostru scopu hè di fà maturà sta tecnulugia à TRL 8 è di purtalla in u campu", hà dettu Bergen. "Videmu ancu u putenziale per applicazioni non militari".
Spiega l'arte antica daretu à u primu rinforzu di fibre di l'industria, è hà una cunniscenza approfondita di a nova scienza di e fibre è di u sviluppu futuru.
Prestu in arrivo è chì volarà per a prima volta, u 787 si basa nantu à l'innuvazioni in i materiali è i prucessi cumposti per ghjunghje à i so scopi.
Data di publicazione: 02 di settembre di u 2021