El kit portàtil es pot reparar amb fibra de vidre/vinil de fibra de vinil o fibra de carboni/epoxi pre-pre-prepreg emmagatzemat a temperatura ambient i equips de curació alimentats per bateries. #Insideman Fabracing #Infrastructure
Reparació de pegats prepreg sobre la UV, tot i que la reparació de fibra de carboni/epoxi prepreg desenvolupada per Custom Technologies LLC per al pont compost de l’infiel . Font de la imatge: Custom Technologies LLC
Els ponts desplegables modulars són actius crítics per a les operacions tàctiques militars i la logística, així com la restauració de la infraestructura de transport durant els desastres naturals. S’estan estudiant estructures compostes per reduir el pes d’aquests ponts, reduint així la càrrega dels vehicles de transport i els mecanismes de recuperació de llançament. En comparació amb els ponts metàl·lics, els materials compostos també tenen el potencial d’augmentar la capacitat de càrrega i ampliar la vida útil.
El pont compost modular avançat (AMCB) n’és un exemple. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, EUA) i Materials Sciences LLC (Horsham, PA, EUA) utilitzen laminats epoxi reforçats amb fibra de carboni (Figura 1). ) Disseny i construcció). No obstant això, la capacitat de reparar aquestes estructures en el camp ha estat un problema que dificulta l'adopció de materials compostos.
Figura 1 Pont compost, Key Infield Asset Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) va ser dissenyat i construït per Seemann Composites LLC i Materials Sciences LLC mitjançant composites de resina epoxi reforçada per fibra de carboni. Font de la imatge: Seeman Composites LLC (esquerra) i l'exèrcit dels Estats Units (dreta).
El 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, EUA) va rebre una subvenció de la Fase 1 Innovation Innovation (SBIR) finançada per l'exèrcit dels Estats Units per desenvolupar un mètode de reparació que els soldats poden realitzar amb èxit al lloc. A partir d’aquest enfocament, la segona fase de la subvenció SBIR es va atorgar el 2018 per mostrar nous materials i equips amb bateries, fins i tot si el pegat el realitza un novell sense formació prèvia, el 90% o més de l’estructura es pot restaurar RAW força. La viabilitat de la tecnologia es determina realitzant una sèrie d’anàlisi, selecció de materials, tasques de fabricació d’exemplars i proves mecàniques, així com reparacions a petita escala i a escala completa.
L’investigador principal de les dues fases de SBIR és Michael Bergen, el fundador i president de Custom Technologies LLC. Bergen es va retirar de Carderock del Naval Surface Warfare Center (NSWC) i va servir al departament d’estructures i materials durant 27 anys, on va gestionar el desenvolupament i l’aplicació de tecnologies compostes a la flota de la Marina dels Estats Units. El doctor Roger Crane es va incorporar a les tecnologies Custom el 2015 després de retirar -se de la Marina dels Estats Units el 2011 i va exercir durant 32 anys. La seva experiència de materials compostos inclou publicacions i patents tècniques, que abasten temes com ara nous materials compostos, fabricació de prototips, mètodes de connexió, materials compostos multifuncionals, control estructural de salut i restauració de materials compostos.
Els dos experts han desenvolupat un procés únic que utilitza materials compostos per reparar les esquerdes de la superestructura d'alumini del Ticonderoga CG-47 Classe Missile Cruiser 5456. "El procés es va desenvolupar per reduir el creixement de les esquerdes i servir com a alternativa econòmica a la substitució d'un tauler de plataformes de 2 a 4 milions de dòlars ", va dir Bergen. “Així que vam demostrar que sabem realitzar reparacions fora del laboratori i en un entorn de servei real. Però el repte és que els mètodes d’actius militars actuals no tenen gaire èxit. L’opció és una reparació de dúplex lligada [bàsicament a les zones danyades enganxeu un tauler a la part superior] o traieu l’actiu del servei per a les reparacions de nivell de magatzem (nivell D). Com que es requereixen reparacions a nivell de D, es deixen de banda molts actius. "
Va continuar dient que el que es necessita és un mètode que els soldats poden realitzar sense experiència en materials compostos, utilitzant només kits i manuals de manteniment. El nostre objectiu és fer que el procés sigui senzill: llegir el manual, avaluar els danys i realitzar reparacions. No volem barrejar resines líquides, ja que això requereix una mesura precisa per assegurar una cura completa. També necessitem un sistema sense residus perillosos un cop finalitzades les reparacions. I ha de ser empaquejat com un kit que pot ser desplegat per la xarxa existent. ,
Una de les solucions que les tecnologies personalitzades demostren amb èxit és un kit portàtil que utilitza un adhesiu epoxi endurit per personalitzar el pegat compost adhesiu segons la mida del dany (fins a 12 polzades quadrades). La demostració es va completar en un material compost que representava una coberta AMCB de 3 polzades de gruix. El material compost té un nucli de fusta balsa de 3 polzades de gruix (15 lliures per densitat de peu cúbic) i dues capes de vectorply (Phoenix, Arizona, EUA) C -LT 1100 Fibra de carboni 0 °/90 ° Fabrica biaxial, una capa de capa de C-TLX 1900 Fibra de carboni 0 °/+45 °/-45 ° tres eixos i dues capes de C-LT 1100, un total de cinc capes. "Vam decidir que el kit utilitzarà pedaços prefabricats en un laminat quasi isotròpic similar a un multies eix de manera que la direcció del teixit no serà un problema", va dir Crane.
El següent número és la matriu de resina que s’utilitza per a la reparació de laminat. Per tal d’evitar barrejar resina líquida, el pegat utilitzarà Pre -Preg. "Tot i això, aquests reptes són emmagatzematge", va explicar Bergen. Per desenvolupar una solució de pegats emmagatzemable, Custom Technologies s’ha associat amb Sunrez Corp. (El Cajon, Califòrnia, EUA) per desenvolupar una prepreg de fibra de vidre/èster de vinil que pot utilitzar la llum ultraviolada (UV) en un curat de llum de sis minuts. També va col·laborar amb Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, EUA), que va suggerir l’ús d’una nova pel·lícula epoxi flexible.
Els primers estudis han demostrat que la resina epoxi és la resina més adequada per a la fibra de carboni Pregs-UV Vinil èster i fibra de vidre translúcid que funcionen bé, però no es curen sota fibra de carboni bloquejador. Basat en la nova pel·lícula de Gougeon Brothers, el prepreg epoxi final es cura durant 1 hora a 210 ° F/99 ° C i té una vida útil de la temperatura ambient, sense necessitat d’emmagatzematge a baixa temperatura. Bergen va dir que si es requereix una temperatura de transició de vidre més elevada (TG), la resina també es curarà a una temperatura més alta, com ara 350 ° F/177 ° C. Els dos previs es proporcionen en un kit de reparació portàtil com a pila de pegats pre -preg segellats en un sobre de pel·lícula de plàstic.
Com que el kit de reparació es pot guardar durant molt de temps, cal fer tecnologies personalitzades per realitzar un estudi de vida útil. "Hem comprat quatre tancaments de plàstic dur, un tipus militar típic utilitzat en equips de transport, i vam posar mostres d'adhesiu epoxi i pre -prepreg d'èster de vinil a cada recinte", va dir Bergen. A continuació, es van col·locar les caixes en quatre llocs diferents per fer proves: el sostre de la fàbrica Gougeon Brothers de Michigan, el terrat de l'aeroport de Maryland, la instal·lació a l'aire lliure a la vall de Yucca (desert de Califòrnia) i el Laboratori de proves de corrosió a l'aire lliure del sud de Florida. Tots els casos tenen registradors de dades, assenyala Bergen: “Prenem mostres de dades i materials per a l’avaluació cada tres mesos. La temperatura màxima registrada a les caixes de Florida i Califòrnia és de 140 ° F, cosa que és bona per a la majoria de resines de restauració. És un autèntic repte ”. A més, Gougeon Brothers va provar internament la recent desenvolupada resina epoxi pura. "Les mostres que s'han col·locat en un forn a 120 ° F durant diversos mesos comencen a polimeritzar -se", va dir Bergen. "No obstant això, per a les mostres corresponents mantingudes a 110 ° F, la química de la resina només va millorar per una petita quantitat."
La reparació es va verificar a la placa de prova i aquest model a escala d’AMCB, que utilitzava el mateix material laminat i el nucli que el pont original construït per compostos Seemann. Font de la imatge: Custom Technologies LLC
Per demostrar la tècnica de reparació, s’ha de fabricar, danyar i reparar un laminat representatiu. "A la primera fase del projecte, inicialment vam utilitzar bigues a petita escala de 4 x 48 polzades i proves de flexió de quatre punts per avaluar la viabilitat del nostre procés de reparació", va dir Klein. "Després, vam passar a panells de 12 x 48 polzades a la segona fase del projecte, vam aplicar càrregues per generar un estat de tensió biaxial per provocar fallades i, després, vam avaluar el rendiment de reparació. A la segona fase, també vam completar el model AMCB que hem creat el manteniment. "
Bergen va dir que el tauler de prova utilitzat per demostrar que el rendiment de reparació es fabricava amb el mateix llinatge de laminats i materials bàsics que AMCB fabricat per compostos Seemann, "però vam reduir el gruix del panell de 0,375 polzades a 0,175 polzades, basat en el teorema de l'eix paral·lel . Aquest és el cas. El mètode, juntament amb els elements addicionals de la teoria del feix i la teoria dels laminats clàssics [CLT], es va utilitzar per enllaçar el moment d’inèrcia i la rigidesa efectiva de l’AMCB a escala completa amb un producte de demostració de mida petita que és més fàcil de manejar i més rendible. A continuació, el model d'anàlisi d'elements finits [FEA] desenvolupat per Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, EUA) es va utilitzar per millorar el disseny de reparacions estructurals. " El teixit de fibra de carboni utilitzat per als panells de prova i el model AMCB es va comprar a Vectorply, i el nucli de Balsa va ser fabricat per compostos bàsics (Bristol, RI, EUA).
Pas 1. Aquest panell de prova mostra un diàmetre de 3 polzades per simular danys marcats al centre i reparar la circumferència. Font fotogràfica per a tots els passos: Tecnologies personalitzades LLC.
Pas 2. Utilitzeu un molinet manual alimentat per bateries per eliminar el material danyat i adjuntar el pegat de reparació amb una cònica de 12: 1.
"Volem simular un major grau de danys al tauler de proves del que es podia veure a la coberta del pont del camp", va explicar Bergen. "Així que el nostre mètode és utilitzar una serra forat per fer un forat de 3 polzades de diàmetre. A continuació, traiem el tap del material danyat i utilitzem un molinet pneumàtic de mà per processar un mocador de 12: 1. "
La grua va explicar que per a la reparació de fibra de carboni/epoxi, un cop eliminat el material del panell "danyat" i s'apliqui un mocador adequat, el pre -preg es tallarà a l'amplada i la longitud per combinar el cònic de la zona danyada. "Per al nostre tauler de proves, això requereix quatre capes de pre -Preg per mantenir el material de reparació coherent amb la part superior del tauler de carboni original no afectat. Després d'això, les tres capes de cobertura de carboni/epoxi prepreg es concentren a la part reparada. Cada capa successiva s’estén 1 polzada per tots els costats de la capa inferior, que proporciona una transferència gradual de càrrega des del material “bo” que l’envolta fins a la zona reparada ”. El temps total per realitzar aquesta preparació de reparació, tallant i col·locant el material de restauració i aplicant el procediment de curació aproximadament 2,5 hores.
Per a la fibra de carboni/epoxi prepreg, la zona de reparació està envasada i es cura a 210 ° F/99 ° C durant una hora amb un bestiar tèrmic amb bateria.
Tot i que la reparació de carboni/epoxi és senzilla i ràpida, l’equip va reconèixer la necessitat d’una solució més convenient per restaurar el rendiment. Això va comportar l'exploració de pre -pregs de curació ultraviolats (UV). "L'interès per les resines de vinil de Sunrez es basa en l'experiència naval anterior amb el fundador de la companyia Mark Livesay", va explicar Bergen. "Primer vam proporcionar a Sunrez un teixit de vidre quasi-isotròpic, utilitzant el seu prepreg d'èster de vinil, i vam avaluar la corba de curació en diferents condicions. A més, perquè sabem que la resina d’èster de vinil no és com la resina epoxi que proporciona un rendiment d’adhesió secundària adequat, de manera que es necessiten esforços addicionals per avaluar diversos agents d’acoblament de capa adhesiva i determinar quin és adequat per a l’aplicació. "
Un altre problema és que les fibres de vidre no poden proporcionar les mateixes propietats mecàniques que les fibres de carboni. "En comparació amb el pegat de carboni/epoxi, aquest problema es resol mitjançant una capa addicional d'èster de vidre/vinil", va dir Crane. "El motiu pel qual només es necessita una capa addicional és que el material de vidre és un teixit més pesat." Això produeix un pegat adequat que es pot aplicar i combinar en sis minuts, fins i tot a temperatures de gran fred/congelació. Curar sense proporcionar calor. Crane va assenyalar que aquest treball de reparació es pot completar en una hora.
Els dos sistemes de pegats s’han demostrat i provat. Per a cada reparació, l’àrea que s’ha de danyar està marcada (pas 1), creada amb una serra de forat i, després, s’elimina mitjançant un molinet manual alimentat per bateries (pas 2). A continuació, talleu la zona reparada en un cònic de 12: 1. Netegeu la superfície de la bufanda amb un coixinet d’alcohol (pas 3). A continuació, talleu el pegat de reparació a una mida determinada, poseu -lo a la superfície netejada (pas 4) i consolideu -lo amb un corró per eliminar les bombolles d’aire. Per a la fibra de vidre/èster de vinil que es recull UV, poseu la capa d’alliberament a la zona reparada i cureu el pegat amb una làmpada UV sense fil durant sis minuts (pas 5). Per a la fibra de carboni/epoxi prepreg, utilitzeu un paquet tèrmic preprogramat, d’un botó, amb bateria per al paquet i cureu l’àrea reparada a 210 ° F/99 ° C durant una hora.
Pas 5. Després de col·locar la capa peladora a la zona reparada, utilitzeu una làmpada UV sense fil per curar el pegat durant 6 minuts.
"Després vam realitzar proves per avaluar l'adhesivitat del pegat i la seva capacitat per restaurar la capacitat de càrrega de l'estructura", va dir Bergen. “A la primera etapa, hem de demostrar la facilitat d’aplicació i la capacitat de recuperar almenys el 75% de la força. Això es fa mitjançant la flexió de quatre punts en una fibra de carboni de 4 x 48 polzades/resina epoxi i un feix de nucli balsa després de reparar els danys simulats. Sí. La segona fase del projecte va utilitzar un panell de 12 x 48 polzades i ha de presentar més del 90% de requisits de força sota càrregues complexes de tensió. Vam complir tots aquests requisits i després vam fotografiar els mètodes de reparació del model AMCB. Com utilitzar la tecnologia i els equips Infield per proporcionar una referència visual. "
Un aspecte clau del projecte és demostrar que els novells poden completar fàcilment la reparació. Per aquest motiu, Bergen va tenir una idea: "He promès demostrar als nostres dos contactes tècnics a l'Exèrcit: el doctor Bernard Sia i Ashley Genna. A la revisió final de la primera fase del projecte, no vaig demanar reparacions. Ashley va experimentar la reparació. Utilitzant el kit i el manual que vam proporcionar, va aplicar el pegat i va completar la reparació sense cap problema. "
Figura 2 La màquina d’enllaç tèrmica que funciona pre-programada amb bateria, que es pot programar a la bateria, pot curar el pegat de reparació de fibra de carboni/epoxi a la pressió d’un botó, sense necessitat de reparar coneixements ni programació de cicles de curació. Font de la imatge: Custom Technologies, LLC
Un altre desenvolupament clau és el sistema de curació alimentat per bateries (figura 2). "Mitjançant el manteniment d'Infield, només teniu energia de la bateria", va assenyalar Bergen. "Tots els equips de procés del kit de reparació que hem desenvolupat són sense fils." Inclou un enllaç tèrmic amb bateria desenvolupat conjuntament per tecnologies personalitzades i proveïdor de màquines d’enllaç tèrmic Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, EUA). "Aquest bestiar tèrmic alimentat per bateries està preprogramat per completar la cura, de manera que els novells no necessiten programar el cicle de curació", va dir Crane. "Només necessiten prémer un botó per completar la rampa adequada i remullar -se." Les bateries que s’utilitzen actualment poden durar un any abans que s’hagin de recarregar.
Amb la finalització de la segona fase del projecte, Custom Technologies està preparant propostes de millora de seguiment i recollint cartes d’interès i suport. "El nostre objectiu és madurar aquesta tecnologia a TRL 8 i portar -la al camp", va dir Bergen. "També veiem el potencial d'aplicacions no militars".
Explica l’antic art que hi ha al darrere del primer reforç de fibra de la indústria i té una comprensió en profunditat de la nova ciència de fibres i el futur desenvolupament.
Aviat i volant per primera vegada, el 787 es basa en innovacions en materials i processos compostos per assolir els seus objectius
Posada de temps: 02-2021 de setembre