Kit mudah alih boleh diperbaiki dengan gentian kaca/vinil ester atau serat karbon/epoksi prepreg yang disimpan pada suhu bilik dan peralatan pengawetan berkuasa bateri. #insidemanufacturing #infrastructure
Pembaikan patch prepreg prepreg UV Walaupun pembaikan serat karbon/epoksi prepreg yang dibangunkan oleh Custom Technologies LLC untuk jambatan komposit infield terbukti mudah dan cepat, penggunaan gentian kaca bertetulang resin vinil ester prepreg telah membangunkan sistem yang lebih mudah . Sumber Imej: Custom Technologies LLC
Jambatan modular yang boleh digunakan adalah aset kritikal untuk operasi taktikal dan logistik ketenteraan, serta pemulihan infrastruktur pengangkutan semasa bencana alam. Struktur komposit sedang dikaji untuk mengurangkan berat jambatan sedemikian, dengan itu mengurangkan beban kenderaan pengangkutan dan mekanisme pelancaran pemulihan. Berbanding dengan jambatan logam, bahan komposit juga berpotensi untuk meningkatkan kapasiti galas beban dan memanjangkan hayat perkhidmatan.
Jambatan Komposit Modular Lanjutan (AMCB) adalah contoh. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, AS) dan Bahan Sains LLC (Horsham, PA, AS) menggunakan laminates epoksi bertetulang serat karbon (Rajah 1). ) Reka bentuk dan pembinaan). Walau bagaimanapun, keupayaan untuk membaiki struktur sedemikian di lapangan telah menjadi isu yang menghalang penggunaan bahan komposit.
Rajah 1 Jambatan Komposit, Asset Key Infield Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) telah direka dan dibina oleh Seemann Composites LLC dan Bahan Sains LLC menggunakan komposit resin epoksi bertetulang serat karbon. Sumber Imej: Seeman Composites LLC (kiri) dan Tentera AS (kanan).
Pada tahun 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, AS) menerima pemberian penyelidikan Inovasi Perniagaan Kecil (SBIR) Fasa 1 yang dibiayai tentera AS untuk membangunkan kaedah pembaikan yang boleh dilakukan dengan jayanya di tempat oleh askar. Berdasarkan pendekatan ini, fasa kedua geran SBIR dianugerahkan pada tahun 2018 untuk mempamerkan bahan-bahan baru dan peralatan bertenaga bateri, walaupun patch dilakukan oleh orang baru tanpa latihan sebelumnya, 90% atau lebih struktur dapat dipulihkan mentah kekuatan. Kelayakan teknologi ditentukan dengan melakukan siri analisis, pemilihan bahan, pembuatan spesimen dan tugas ujian mekanikal, serta pembaikan berskala kecil dan berskala penuh.
Penyelidik utama dalam dua fasa SBIR ialah Michael Bergen, pengasas dan presiden Custom Technologies LLC. Bergen bersara dari Carderock Pusat Permukaan Tentera Laut (NSWC) dan berkhidmat di Jabatan Struktur dan Bahan selama 27 tahun, di mana beliau menguruskan pembangunan dan penggunaan teknologi komposit di armada Tentera Laut AS. Dr. Roger Crane menyertai Custom Technologies pada tahun 2015 selepas bersara dari Tentera Laut AS pada tahun 2011 dan telah berkhidmat selama 32 tahun. Kepakaran bahan kompositnya termasuk penerbitan dan paten teknikal, meliputi topik seperti bahan komposit baru, pembuatan prototaip, kaedah sambungan, bahan komposit pelbagai fungsi, pemantauan kesihatan struktur, dan pemulihan bahan komposit.
Kedua-dua pakar telah membangunkan satu proses yang unik yang menggunakan bahan komposit untuk membaiki keretakan dalam struktur aluminium superstruktur Ticonderoga CG-47 Class Missile Cruiser 5456. "Proses itu dibangunkan untuk mengurangkan pertumbuhan retak dan berfungsi sebagai alternatif ekonomi untuk penggantian papan platform sebanyak 2 hingga 4 juta dolar, "kata Bergen. "Jadi kami membuktikan bahawa kami tahu bagaimana untuk melakukan pembaikan di luar makmal dan dalam persekitaran perkhidmatan yang sebenar. Tetapi cabarannya ialah kaedah aset tentera semasa tidak begitu berjaya. Pilihannya adalah pembaikan dupleks terikat [pada dasarnya di kawasan yang rosak melekatkan papan ke atas] atau mengeluarkan aset dari perkhidmatan untuk pembaikan peringkat gudang (D-level). Oleh kerana pembaikan peringkat D diperlukan, banyak aset diketepikan. "
Beliau terus mengatakan bahawa apa yang diperlukan adalah kaedah yang boleh dilakukan oleh askar tanpa pengalaman dalam bahan komposit, menggunakan hanya kit dan manual penyelenggaraan. Matlamat kami adalah untuk membuat proses mudah: Baca manual, menilai kerosakan dan melakukan pembaikan. Kami tidak mahu mencampurkan resin cecair, kerana ini memerlukan pengukuran yang tepat untuk memastikan penyembuhan lengkap. Kami juga memerlukan sistem tanpa sisa berbahaya selepas pembaikan selesai. Dan ia mesti dibungkus sebagai kit yang boleh digunakan oleh rangkaian yang sedia ada. "
Salah satu penyelesaian yang ditunjukkan oleh teknologi adat adalah kit mudah alih yang menggunakan pelekat epoksi yang tegas untuk menyesuaikan patch komposit pelekat mengikut saiz kerosakan (sehingga 12 inci persegi). Demonstrasi itu selesai pada bahan komposit yang mewakili dek AMCB tebal 3 inci. Bahan komposit mempunyai teras kayu balsa tebal 3 inci (15 paun setiap ketumpatan kaki padu) dan dua lapisan vektorply (Phoenix, Arizona, AS) C -lt 1100 serat karbon 0 °/90 ° kain jahitan biaxial, satu lapisan C-TLX 1900 serat karbon 0 °/+45 °/-45 ° Tiga batang dan dua lapisan C-LT 1100, sejumlah lima lapisan. "Kami memutuskan bahawa kit itu akan menggunakan patch pasang siap dalam lamina kuasi-isotropik yang serupa dengan pelbagai paksi supaya arah kain tidak akan menjadi masalah," kata Crane.
Isu seterusnya ialah matriks resin yang digunakan untuk pembaikan lamina. Untuk mengelakkan pencampuran resin cecair, patch akan menggunakan prepreg. "Bagaimanapun, cabaran -cabaran ini adalah penyimpanan," jelas Bergen. Untuk membangunkan penyelesaian patch yang boleh disimpan, Custom Technologies telah bekerjasama dengan Sunrez Corp. (El Cajon, California, Amerika Syarikat) untuk membangunkan gentian kaca/vinil ester prepreg yang boleh menggunakan cahaya ultraviolet (UV) dalam enam minit penyembuhan cahaya. Ia juga bekerjasama dengan GoUgeon Brothers (Bay City, Michigan, Amerika Syarikat), yang mencadangkan penggunaan filem epoksi yang fleksibel baru.
Kajian awal telah menunjukkan bahawa resin epoksi adalah resin yang paling sesuai untuk prepregat karbon prepregs-uv-curable ester dan gentian kaca lutut berfungsi dengan baik, tetapi tidak menyembuhkan di bawah serat karbon yang menyekat cahaya. Berdasarkan filem baru Gougeon Brothers, prepreg epoksi terakhir disembuhkan selama 1 jam pada 210 ° F/99 ° C dan mempunyai jangka hayat yang panjang di bilik suhu-tidak memerlukan penyimpanan suhu rendah. Bergen berkata jika suhu peralihan kaca yang lebih tinggi (TG) diperlukan, resin juga akan disembuhkan pada suhu yang lebih tinggi, seperti 350 ° F/177 ° C. Kedua -dua prepreg disediakan dalam kit pembaikan mudah alih sebagai timbunan patch prepreg yang dimeteraikan dalam sampul filem plastik.
Oleh kerana kit pembaikan boleh disimpan untuk masa yang lama, teknologi tersuai diperlukan untuk menjalankan kajian jangka hayat. "Kami membeli empat kandang plastik keras -jenis ketenteraan biasa yang digunakan dalam peralatan pengangkutan -dan meletakkan sampel pelekat epoksi dan vinil ester prepreg ke dalam setiap kandang," kata Bergen. Kotak -kotak itu kemudiannya diletakkan di empat lokasi yang berbeza untuk ujian: bumbung Kilang Gougeon Brothers di Michigan, bumbung Lapangan Terbang Maryland, kemudahan luaran di Yucca Valley (Gurun California), dan Makmal Ujian Korosi Luar di selatan Florida. Semua kes mempunyai pembalak data, Bergen menegaskan, "Kami mengambil sampel data dan bahan untuk penilaian setiap tiga bulan. Suhu maksimum yang direkodkan di dalam kotak di Florida dan California adalah 140 ° F, yang baik untuk kebanyakan resin pemulihan. Ini cabaran sebenar. " Di samping itu, Brothers Gougeon secara dalaman menguji resin epoksi tulen yang baru dibangunkan. "Sampel yang telah diletakkan di dalam ketuhar pada 120 ° F selama beberapa bulan mula polimerisasi," kata Bergen. "Bagaimanapun, bagi sampel yang sama disimpan pada 110 ° F, kimia resin hanya bertambah baik dengan jumlah yang kecil."
Pembaikan telah disahkan pada papan ujian dan model skala AMCB, yang menggunakan bahan lamina dan teras yang sama seperti jambatan asal yang dibina oleh komposit Seemann. Sumber Imej: Custom Technologies LLC
Untuk menunjukkan teknik pembaikan, lamina wakil mesti dihasilkan, rosak dan diperbaiki. "Pada fasa pertama projek, kami pada mulanya menggunakan rasuk 4 x 48 inci berskala kecil dan ujian lenturan empat mata untuk menilai kemungkinan proses pembaikan kami," kata Klein. "Kemudian, kami beralih ke panel 12 x 48 inci dalam fasa kedua projek, menggunakan beban untuk menghasilkan keadaan tekanan biaxial untuk menyebabkan kegagalan, dan kemudian menilai prestasi pembaikan. Pada fasa kedua, kami juga menyelesaikan model AMCB yang kami bina penyelenggaraan. "
Bergen berkata bahawa panel ujian yang digunakan untuk membuktikan prestasi pembaikan dihasilkan menggunakan garis keturunan laminates dan bahan teras yang sama seperti AMCB yang dihasilkan oleh komposit Seemann, "tetapi kami mengurangkan ketebalan panel dari 0.375 inci kepada 0.175 inci, berdasarkan Axis Teorem selari . Ini berlaku. Kaedah ini, bersama-sama dengan unsur-unsur tambahan teori rasuk dan teori lamina klasik [CLT], digunakan untuk menghubungkan momen inersia dan kekakuan berkesan AMCB berskala penuh dengan produk demo bersaiz kecil yang lebih mudah untuk mengendalikan dan lebih banyak kos efektif. Kemudian, kami model analisis unsur terhingga [FEA] yang dibangunkan oleh Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, Amerika Syarikat) digunakan untuk memperbaiki reka bentuk pembaikan struktur. " Kain serat karbon yang digunakan untuk panel ujian dan model AMCB dibeli dari vektorply, dan teras balsa dibuat oleh komposit teras (Bristol, RI, AS) yang disediakan.
Langkah 1. Panel ujian ini memaparkan diameter lubang 3 inci untuk mensimulasikan kerosakan yang ditandai di tengah dan membaiki lilitan. Sumber foto untuk semua langkah: Custom Technologies LLC.
Langkah 2. Gunakan penggiling manual berkuasa bateri untuk mengeluarkan bahan yang rosak dan melampirkan patch pembaikan dengan tirus 12: 1.
"Kami mahu mensimulasikan tahap kerosakan yang lebih tinggi di papan ujian daripada yang mungkin dilihat di dek jambatan di lapangan," jelas Bergen. "Jadi kaedah kami adalah menggunakan lubang gergaji untuk membuat lubang diameter 3 inci. Kemudian, kami mengeluarkan palam bahan yang rosak dan menggunakan penggiling pneumatik tangan untuk memproses selendang 12: 1. "
Crane menjelaskan bahawa untuk pembaikan serat karbon/epoksi, apabila bahan panel "rosak" dikeluarkan dan selendang yang sesuai digunakan, prepreg akan dipotong hingga lebar dan panjang untuk dipadankan dengan tirus kawasan yang rosak. "Untuk panel ujian kami, ini memerlukan empat lapisan prepreg untuk memastikan bahan pembaikan selaras dengan bahagian atas panel karbon yang tidak rosak asal. Selepas itu, ketiga -tiga lapisan prepreg karbon/epoksi tertumpu pada bahagian yang dibaiki. Setiap lapisan berturut -turut memanjangkan 1 inci pada semua sisi lapisan bawah, yang menyediakan pemindahan beban secara beransur -ansur dari bahan sekitar "baik" ke kawasan yang dibaiki. " Jumlah masa untuk melaksanakan penyediaan kawasan pembaikan ini, memotong dan meletakkan bahan pemulihan dan menggunakan prosedur pengawetan-hampir 2.5 jam.
Untuk serat karbon/prepreg epoksi, kawasan pembaikan dibungkus vakum dan disembuhkan pada 210 ° F/99 ° C selama satu jam menggunakan peminjam terma berkuasa bateri.
Walaupun pembaikan karbon/epoksi adalah mudah dan cepat, pasukan mengiktiraf keperluan untuk penyelesaian yang lebih mudah untuk memulihkan prestasi. Ini membawa kepada penerokaan prepregs ultraviolet (UV). "Kepentingan resin ester vinil Sunrez adalah berdasarkan pengalaman tentera laut sebelumnya dengan pengasas syarikat Mark Livesay," jelas Bergen. "Kami mula-mula menyediakan Sunrez dengan kain kaca kuasi-isotropik, menggunakan prepreg ester vinil mereka, dan menilai lengkung pengawetan di bawah keadaan yang berbeza. Di samping itu, kerana kita tahu bahawa resin ester vinil tidak seperti resin epoksi yang menyediakan prestasi lekatan sekunder yang sesuai, jadi usaha tambahan diperlukan untuk menilai pelbagai ejen gandingan lapisan pelekat dan menentukan mana yang sesuai untuk permohonan itu. "
Satu lagi masalah ialah serat kaca tidak dapat memberikan sifat mekanikal yang sama seperti serat karbon. "Berbanding dengan patch karbon/epoksi, masalah ini diselesaikan dengan menggunakan lapisan tambahan gelas/vinil ester," kata Crane. "Sebab mengapa hanya satu lapisan tambahan yang diperlukan ialah bahan kaca adalah kain yang lebih berat." Ini menghasilkan patch yang sesuai yang boleh digunakan dan digabungkan dalam masa enam minit walaupun pada suhu infield yang sangat sejuk/beku. Menyembuhkan tanpa memberikan haba. Crane menegaskan bahawa kerja pembaikan ini dapat diselesaikan dalam masa sejam.
Kedua -dua sistem patch telah ditunjukkan dan diuji. Bagi setiap pembaikan, kawasan yang akan rosak ditandakan (langkah 1), dibuat dengan gergaji lubang, dan kemudian dikeluarkan menggunakan penggiling manual berkuasa bateri (langkah 2). Kemudian potong kawasan yang diperbaiki menjadi tirus 12: 1. Bersihkan permukaan selendang dengan pad alkohol (langkah 3). Seterusnya, potong patch pembaikan ke saiz tertentu, letakkan di permukaan yang dibersihkan (Langkah 4) dan menyatukannya dengan roller untuk mengeluarkan gelembung udara. Untuk gentian kaca/UV-curing vinyl ester prepreg, kemudian letakkan lapisan pelepasan di kawasan yang diperbaiki dan menyembuhkan patch dengan lampu UV tanpa wayar selama enam minit (Langkah 5). Untuk serat karbon/prepreg epoksi, gunakan pra-program, satu butang, bonder termal berkuasa bateri untuk pek vakum dan menyembuhkan kawasan yang diperbaiki pada 210 ° F/99 ° C selama satu jam.
Langkah 5. Selepas meletakkan lapisan mengelupas di kawasan yang dibaiki, gunakan lampu UV tanpa wayar untuk menyembuhkan patch selama 6 minit.
"Kemudian kami menjalankan ujian untuk menilai pelekat patch dan keupayaannya untuk memulihkan kapasiti beban struktur," kata Bergen. "Pada peringkat pertama, kita perlu membuktikan kemudahan permohonan dan keupayaan untuk memulihkan sekurang -kurangnya 75% kekuatan. Ini dilakukan oleh lenturan empat mata pada resin serat/epoksi karbon 4 x 48 inci dan balok teras balsa selepas membaiki kerosakan simulasi. Ya. Fasa kedua projek menggunakan panel 12 x 48 inci, dan mesti mempamerkan lebih daripada 90% keperluan kekuatan di bawah beban ketegangan kompleks. Kami memenuhi semua keperluan ini, dan kemudian memotret kaedah pembaikan pada model AMCB. Cara menggunakan teknologi dan peralatan infield untuk memberikan rujukan visual. "
Aspek utama projek ini adalah untuk membuktikan bahawa orang baru dapat menyelesaikan pembaikan dengan mudah. Atas sebab ini, Bergen mempunyai idea: "Saya telah berjanji untuk menunjukkan kepada dua hubungan teknikal kami dalam tentera: Dr. Bernard Sia dan Ashley Genna. Dalam kajian akhir fasa pertama projek, saya tidak meminta pembaikan. Ashley berpengalaman melakukan pembaikan. Menggunakan kit dan manual yang kami berikan, dia menggunakan patch dan menyelesaikan pembaikan tanpa sebarang masalah. "
Rajah 2 Kuburan yang dikendalikan oleh bateri pra-diprogramkan, mesin ikatan terma berkuasa bateri boleh menyembuhkan patch pembaikan serat karbon/epoksi pada menekan butang, tanpa memerlukan pengetahuan pembaikan atau pengaturcaraan kitaran pengawetan. Sumber Imej: Custom Technologies, LLC
Satu lagi perkembangan utama ialah sistem pengawetan berkuasa bateri (Rajah 2). "Melalui penyelenggaraan infield, anda hanya mempunyai kuasa bateri," kata Bergen. "Semua peralatan proses dalam kit pembaikan yang kami usahakan adalah tanpa wayar." Ini termasuk ikatan terma berkuasa bateri yang dibangunkan bersama oleh teknologi adat dan pembekal mesin ikatan termal Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, Amerika Syarikat). "Bonder termal berkuasa bateri ini telah diprogramkan untuk menyelesaikan pengawetan, jadi orang baru tidak perlu memprogram kitaran pengawetan," kata Crane. "Mereka hanya perlu menekan butang untuk melengkapkan jalan dan rendam yang betul." Bateri yang sedang digunakan boleh bertahan selama setahun sebelum mereka perlu dicas semula.
Dengan selesai fasa kedua projek, Teknologi Custom menyediakan cadangan peningkatan susulan dan mengumpul surat minat dan sokongan. "Matlamat kami adalah untuk matang teknologi ini ke TRL 8 dan membawanya ke lapangan," kata Bergen. "Kami juga melihat potensi aplikasi bukan tentera."
Menjelaskan seni lama di sebalik tetulang serat pertama industri, dan mempunyai pemahaman yang mendalam tentang sains serat baru dan pembangunan masa depan.
Tidak lama lagi dan terbang untuk pertama kalinya, 787 bergantung kepada inovasi dalam bahan dan proses komposit untuk mencapai matlamatnya
Masa Post: Sep-02-2021