Kit mudah alih boleh dibaiki dengan gentian kaca/vinil ester atau gentian karbon/epoksi prepreg yang boleh dirawat UV yang disimpan pada suhu bilik dan peralatan pengawetan berkuasa bateri.#insidemanufacturing #infrastruktur
Pembaikan tampalan prepreg boleh dirawat UV Walaupun pembaikan prepreg gentian karbon/epoksi yang dibangunkan oleh Custom Technologies LLC untuk jambatan komposit infield terbukti mudah dan cepat, penggunaan resin ester vinil UV-ubati yang diperkukuh gentian kaca Prepreg telah membangunkan sistem yang lebih mudah. .Sumber imej: Custom Technologies LLC
Jambatan boleh alih modular ialah 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 pada 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 contohnya.Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, AS) dan Materials Sciences LLC (Horsham, PA, US) menggunakan lamina epoksi bertetulang gentian karbon (Rajah 1).) Reka bentuk dan pembinaan).Walau bagaimanapun, keupayaan untuk membaiki struktur tersebut di lapangan telah menjadi isu yang menghalang penggunaan bahan komposit.
Rajah 1 Jambatan komposit, aset infield utama Jambatan Komposit Modular Termaju (AMCB) telah direka bentuk dan dibina oleh Seemann Composites LLC dan Materials Sciences LLC menggunakan komposit resin epoksi bertetulang gentian karbon.Sumber imej: Seeman Composites LLC (kiri) dan Tentera AS (kanan).
Pada tahun 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, AS) menerima geran Fasa 1 Penyelidikan Inovasi Perniagaan Kecil (SBIR) yang dibiayai oleh Tentera AS untuk membangunkan kaedah pembaikan yang boleh dilakukan dengan jayanya di tapak oleh askar.Berdasarkan pendekatan ini, fasa kedua geran SBIR telah dianugerahkan pada 2018 untuk mempamerkan bahan baharu dan peralatan berkuasa bateri, walaupun tampalan dilakukan oleh orang baru tanpa latihan terlebih dahulu, 90% atau lebih struktur boleh dipulihkan Mentah kekuatan.Kebolehlaksanaan teknologi ditentukan dengan melakukan satu 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 daripada Carderock dari Pusat Perang Permukaan Tentera Laut (NSWC) dan berkhidmat di Jabatan Struktur dan Bahan selama 27 tahun, di mana beliau menguruskan pembangunan dan aplikasi teknologi komposit dalam armada Tentera Laut AS.Dr. Roger Crane menyertai Custom Technologies pada 2015 selepas bersara daripada Tentera Laut AS pada 2011 dan telah berkhidmat selama 32 tahun.Kepakaran bahan komposit beliau termasuk penerbitan teknikal dan paten, meliputi topik seperti bahan komposit baharu, pembuatan prototaip, kaedah sambungan, bahan komposit pelbagai fungsi, pemantauan kesihatan struktur dan pemulihan bahan komposit.
Kedua-dua pakar itu telah membangunkan proses unik yang menggunakan bahan komposit untuk membaiki keretakan pada struktur atas aluminium kapal penjelajah peluru berpandu kelas Ticonderoga CG-47 5456. “Proses itu dibangunkan untuk mengurangkan pertumbuhan keretakan dan berfungsi sebagai alternatif yang menjimatkan kepada penggantian papan platform sebanyak 2 hingga 4 juta dolar,” kata Bergen.“Jadi kami membuktikan bahawa kami tahu cara melakukan pembaikan di luar makmal dan dalam persekitaran perkhidmatan sebenar.Tetapi cabarannya ialah kaedah aset ketenteraan semasa tidak begitu berjaya.Pilihannya ialah pembaikan dupleks terikat [pada asasnya di kawasan yang rosak Lekatkan papan ke atas] atau alih keluar aset daripada perkhidmatan untuk pembaikan peringkat gudang (peringkat D).Oleh kerana pembaikan tahap D diperlukan, banyak aset diketepikan.”
Beliau seterusnya berkata apa yang diperlukan ialah kaedah yang boleh dilakukan oleh askar yang tidak berpengalaman dalam bahan komposit, hanya menggunakan kit dan manual penyelenggaraan.Matlamat kami adalah untuk memudahkan proses: baca manual, nilai kerosakan dan lakukan pembaikan.Kami tidak mahu mencampurkan resin cecair, kerana ini memerlukan ukuran 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 sedia ada.”
Satu penyelesaian yang berjaya ditunjukkan oleh Teknologi Tersuai ialah kit mudah alih yang menggunakan pelekat epoksi tegar untuk menyesuaikan tampalan komposit pelekat mengikut saiz kerosakan (sehingga 12 inci persegi).Demonstrasi telah disiapkan pada bahan komposit yang mewakili dek AMCB setebal 3 inci.Bahan komposit mempunyai teras kayu balsa tebal 3 inci (15 paun setiap ketumpatan kaki padu) dan dua lapisan Vectorply (Phoenix, Arizona, AS) C -LT 1100 serat karbon 0°/90° fabrik dijahit dwipaksi, satu lapisan C-TLX 1900 gentian karbon 0°/+45°/-45° tiga aci dan dua lapisan C-LT 1100, sejumlah lima lapisan."Kami memutuskan bahawa kit itu akan menggunakan tampalan pasang siap dalam lamina kuasi-isotropik yang serupa dengan berbilang paksi supaya arah fabrik tidak akan menjadi masalah," kata Crane.
Isu seterusnya ialah matriks resin yang digunakan untuk pembaikan lamina.Untuk mengelakkan mencampurkan resin cecair, tampalan akan menggunakan prepreg."Walau bagaimanapun, cabaran ini adalah penyimpanan, " jelas Bergen.Untuk membangunkan penyelesaian tampalan yang boleh disimpan, Custom Technologies telah bekerjasama dengan Sunrez Corp. (El Cajon, California, Amerika Syarikat) untuk membangunkan prapreg gentian kaca/vinil ester yang boleh menggunakan cahaya ultraungu (UV) dalam masa enam minit Pengawetan cahaya.Ia juga bekerjasama dengan Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, Amerika Syarikat), yang mencadangkan penggunaan filem epoksi fleksibel baharu.
Kajian awal telah menunjukkan bahawa resin epoksi adalah resin yang paling sesuai untuk ester vinil prepregs-UV-sembuh gentian karbon dan gentian kaca lut sinar berfungsi dengan baik, tetapi tidak menyembuhkan di bawah gentian karbon yang menghalang cahaya.Berdasarkan filem baharu Gougeon Brothers, prepreg epoksi akhir diawetkan selama 1 jam pada 210°F/99°C dan mempunyai jangka hayat yang panjang pada suhu bilik-tidak memerlukan penyimpanan suhu rendah.Bergen berkata jika suhu peralihan kaca (Tg) yang lebih tinggi diperlukan, resin juga akan diawetkan pada suhu yang lebih tinggi, seperti 350°F/177°C.Kedua-dua prepreg disediakan dalam kit pembaikan mudah alih sebagai timbunan tampalan prepreg yang dimeterai dalam sampul filem plastik.
Memandangkan kit pembaikan mungkin disimpan untuk masa yang lama, Teknologi Tersuai diperlukan untuk menjalankan kajian jangka hayat."Kami membeli empat kandang plastik keras-jenis ketenteraan tipikal yang digunakan dalam peralatan pengangkutan-dan meletakkan sampel pelekat epoksi dan prepreg ester vinil ke dalam setiap kandang," kata Bergen.Kotak itu kemudiannya diletakkan di empat lokasi berbeza untuk ujian: bumbung kilang Gougeon Brothers di Michigan, bumbung lapangan terbang Maryland, kemudahan luar di Lembah Yucca (gurun California), dan makmal ujian kakisan luar di selatan Florida.Semua kes mempunyai pembalak data, kata Bergen, "Kami mengambil sampel data dan bahan untuk penilaian setiap tiga bulan.Suhu maksimum yang direkodkan dalam kotak di Florida dan California ialah 140°F, yang baik untuk kebanyakan resin pemulihan.Ia satu cabaran sebenar.”Di samping itu, Gougeon Brothers menguji secara dalaman resin epoksi tulen yang baru dibangunkan."Sampel yang telah diletakkan di dalam ketuhar pada 120°F selama beberapa bulan mula mempolimerkan," kata Bergen."Walau bagaimanapun, untuk sampel yang sepadan disimpan pada 110 ° F, kimia resin hanya bertambah baik dengan jumlah yang kecil."
Pembaikan telah disahkan pada papan ujian dan model skala AMCB ini, 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 yang mewakili mesti dibuat, rosak dan dibaiki."Dalam fasa pertama projek, kami pada mulanya menggunakan rasuk 4 x 48 inci berskala kecil dan ujian lenturan empat mata untuk menilai kebolehlaksanaan proses pembaikan kami," kata Klein.“Kemudian, kami beralih kepada panel 12 x 48 inci dalam fasa kedua projek, menggunakan beban untuk menjana keadaan tegasan dwipaksi untuk menyebabkan kegagalan, dan kemudian menilai prestasi pembaikan.Dalam fasa kedua, kami turut melengkapkan model AMCB yang kami bina Penyelenggaraan.”
Bergen berkata bahawa panel ujian yang digunakan untuk membuktikan prestasi pembaikan dihasilkan menggunakan garis keturunan lamina dan bahan teras yang sama seperti AMCB yang dikeluarkan oleh Komposit Seemann, "tetapi kami mengurangkan ketebalan panel daripada 0.375 inci kepada 0.175 inci, berdasarkan teorem paksi selari .Inilah kesnya.Kaedah tersebut, bersama-sama dengan elemen tambahan teori rasuk dan teori lamina klasik [CLT], digunakan untuk menghubungkan momen inersia dan kekukuhan berkesan AMCB skala penuh dengan produk demo bersaiz lebih kecil yang lebih mudah dikendalikan dan lebih banyak lagi. kos efektif.Kemudian, kami Model analisis unsur terhingga [FEA] yang dibangunkan oleh XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, Amerika Syarikat) digunakan untuk menambah baik reka bentuk pembaikan struktur.”Fabrik gentian karbon yang digunakan untuk panel ujian dan model AMCB telah dibeli daripada Vectorply, 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 ditanda di tengah dan membaiki lilitan.Sumber foto untuk semua langkah: Custom Technologies LLC.
Langkah 2. Gunakan pengisar manual berkuasa bateri untuk mengeluarkan bahan yang rosak dan sertakan tampalan pembaikan dengan tirus 12:1.
"Kami mahu mensimulasikan tahap kerosakan yang lebih tinggi pada papan ujian daripada yang mungkin dilihat pada dek jambatan di lapangan," jelas Bergen.“Jadi kaedah kami ialah menggunakan gergaji lubang untuk membuat lubang berdiameter 3 inci.Kemudian, kami mencabut palam bahan yang rosak dan menggunakan pengisar pneumatik genggam untuk memproses selendang 12:1.”
Kren menjelaskan bahawa untuk pembaikan gentian karbon/epoksi, sebaik sahaja bahan panel "rosak" ditanggalkan dan selendang yang sesuai digunakan, prepreg akan dipotong mengikut lebar dan panjang untuk dipadankan dengan tirus kawasan yang rosak.“Untuk panel ujian kami, ini memerlukan empat lapisan prepreg untuk memastikan bahan pembaikan konsisten dengan bahagian atas panel karbon asal yang tidak rosak.Selepas itu, tiga lapisan penutup karbon/epoksi prepreg tertumpu pada ini Pada bahagian yang dibaiki.Setiap lapisan berturut-turut memanjang 1 inci pada semua sisi lapisan bawah, yang menyediakan pemindahan beban secara beransur-ansur dari bahan sekeliling yang "baik" ke kawasan yang dibaiki."Jumlah masa untuk melakukan pembaikan ini-termasuk penyediaan kawasan pembaikan, Memotong dan meletakkan bahan pemulihan dan menggunakan prosedur pengawetan-kira-kira 2.5 jam.
Untuk prepreg gentian karbon/epoksi, kawasan pembaikan dibungkus dengan vakum dan diawet pada 210°F/99°C selama satu jam menggunakan pengikat haba berkuasa bateri.
Walaupun pembaikan karbon/epoksi adalah mudah dan cepat, pasukan itu menyedari keperluan untuk penyelesaian yang lebih mudah untuk memulihkan prestasi.Ini membawa kepada penerokaan prapreg pengawetan ultraviolet (UV)."Minat terhadap resin ester vinil Sunrez adalah berdasarkan pengalaman tentera laut sebelum ini dengan pengasas syarikat Mark Livesay," jelas Bergen.“Kami mula-mula menyediakan Sunrez dengan fabrik kaca kuasi-isotropik, menggunakan prepreg ester vinil mereka, dan menilai lengkung pengawetan dalam keadaan berbeza.Di samping itu, kerana kami tahu bahawa resin ester vinil tidak seperti resin epoksi yang memberikan prestasi lekatan sekunder yang sesuai, jadi usaha tambahan diperlukan untuk menilai pelbagai agen gandingan lapisan pelekat dan menentukan yang mana satu sesuai untuk aplikasi itu.
Masalah lain ialah gentian kaca tidak dapat memberikan sifat mekanikal yang sama seperti gentian karbon."Berbanding dengan tampalan karbon/epoksi, masalah ini diselesaikan dengan menggunakan lapisan tambahan kaca/vinil ester," kata Crane."Sebab mengapa hanya satu lapisan tambahan diperlukan ialah bahan kaca adalah fabrik yang lebih berat."Ini menghasilkan tampalan yang sesuai yang boleh digunakan dan digabungkan dalam masa enam minit walaupun pada suhu dalam yang sangat sejuk/beku.Pengawetan tanpa memberikan haba.Crane menegaskan bahawa kerja pembaikan ini boleh disiapkan dalam masa sejam.
Kedua-dua sistem tampalan telah ditunjukkan dan diuji.Untuk setiap pembaikan, kawasan yang akan rosak ditanda (langkah 1), dibuat dengan gergaji lubang, dan kemudian dikeluarkan menggunakan pengisar manual berkuasa bateri (langkah 2).Kemudian potong kawasan yang dibaiki menjadi tirus 12:1.Bersihkan permukaan selendang dengan pad alkohol (langkah 3).Seterusnya, potong tampalan pembaikan kepada saiz tertentu, letakkan pada permukaan yang dibersihkan (langkah 4) dan satukan dengan roller untuk mengeluarkan gelembung udara.Untuk prepreg vinil ester gentian kaca/pengawetan UV, kemudian letakkan lapisan pelepas pada kawasan yang dibaiki dan sembuhkan tampalan dengan lampu UV tanpa wayar selama enam minit (langkah 5).Untuk prepreg gentian karbon/epoksi, gunakan pengikat haba berkuasa bateri yang telah diprogramkan, satu butang, untuk mengosongkan pek dan menyembuhkan kawasan yang dibaiki pada 210°F/99°C selama satu jam.
Langkah 5. Selepas meletakkan lapisan pengelupasan pada kawasan yang dibaiki, gunakan lampu UV tanpa wayar untuk menyembuhkan tampalan selama 6 minit.
"Kemudian kami menjalankan ujian untuk menilai kelekatan tampalan dan keupayaannya untuk memulihkan kapasiti galas beban struktur," kata Bergen.“Pada peringkat pertama, kami perlu membuktikan kemudahan penggunaan dan keupayaan untuk memulihkan sekurang-kurangnya 75% daripada kekuatan.Ini dilakukan dengan lenturan empat mata pada serat karbon/resin epoksi 4 x 48 inci dan rasuk 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 terikan yang kompleks.Kami memenuhi semua keperluan ini, dan kemudian mengambil gambar kaedah pembaikan pada model AMCB.Cara menggunakan teknologi dan peralatan dalam untuk menyediakan rujukan visual.”
Aspek utama projek adalah untuk membuktikan bahawa orang baru boleh menyelesaikan pembaikan dengan mudah.Atas sebab ini, Bergen mempunyai idea: "Saya telah berjanji untuk menunjukkan kepada dua kenalan teknikal kami dalam Tentera: Dr. Bernard Sia dan Ashley Genna.Dalam semakan akhir fasa pertama projek, saya meminta tiada pembaikan.Ashley yang berpengalaman melakukan pembaikan.Menggunakan kit dan manual yang kami sediakan, dia menggunakan tampalan dan menyelesaikan pembaikan tanpa sebarang masalah.”
Rajah 2 Mesin ikatan haba berkuasa bateri yang dipraprogramkan, dikuasakan bateri boleh menyembuhkan tampung pembaikan gentian karbon/epoksi dengan menekan butang, tanpa memerlukan pengetahuan pembaikan atau pengaturcaraan kitaran pengawetan.Sumber imej: Custom Technologies, LLC
Satu lagi pembangunan utama ialah sistem pengawetan berkuasa bateri (Rajah 2)."Melalui penyelenggaraan di dalam, anda hanya mempunyai kuasa bateri," kata Bergen."Semua peralatan proses dalam kit pembaikan yang kami bangunkan adalah tanpa wayar."Ini termasuk ikatan haba berkuasa bateri yang dibangunkan bersama oleh Custom Technologies dan pembekal mesin ikatan haba WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, Amerika Syarikat)."Pengikat terma berkuasa bateri ini dipraprogramkan untuk menyelesaikan pengawetan, jadi orang baru tidak perlu memprogramkan kitaran pengawetan," kata Crane."Mereka hanya perlu menekan butang untuk melengkapkan tanjakan yang betul dan berendam."Bateri yang sedang digunakan boleh bertahan selama setahun sebelum ia perlu dicas semula.
Dengan selesainya fasa kedua projek, Custom Technologies sedang menyediakan cadangan penambahbaikan susulan dan mengumpul surat minat dan sokongan."Matlamat kami adalah untuk mematangkan teknologi ini kepada TRL 8 dan membawanya ke lapangan," kata Bergen."Kami juga melihat potensi untuk aplikasi bukan ketenteraan."
Menjelaskan seni lama di sebalik peneguhan gentian pertama industri, dan mempunyai pemahaman mendalam tentang sains gentian baharu dan pembangunan masa depan.
Akan datang dan terbang buat pertama kali, 787 bergantung pada inovasi dalam bahan dan proses komposit untuk mencapai matlamatnya
Masa siaran: Sep-02-2021