El kit portàtil es pot reparar amb fibra de vidre/vinil èster curable amb UV o fibra de carboni/preimpregnat epoxi emmagatzemat a temperatura ambient i equips de curat alimentats amb bateria. #insidemanufacturing #infraestructura
Reparació de pegats preimpregnats curables amb UV Tot i que la reparació preimpregnada de fibra de carboni/epoxi desenvolupada per Custom Technologies LLC per al pont compost interior va demostrar ser senzilla i ràpida, l'ús de resina d'èster de vinil curable amb UV reforçada amb fibra de vidre Prepreg ha desenvolupat un sistema més còmode . Font de la imatge: Custom Technologies LLC
Els ponts desplegables modulars són actius crítics per a operacions tàctiques i logístiques militars, així com per a 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 dels mecanismes de llançament-recuperació. En comparació amb els ponts metàl·lics, els materials compostos també tenen el potencial d'augmentar la capacitat de càrrega i allargar la vida útil.
El pont compost avançat modular (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). Tanmateix, la capacitat de reparar aquestes estructures al camp ha estat un problema que dificulta l'adopció de materials compostos.
Figura 1 Pont compost, actiu clau dins del camp Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) va ser dissenyat i construït per Seemann Composites LLC i Materials Sciences LLC mitjançant compostos de resina epoxi reforçats amb fibra de carboni. Font de la imatge: Seeman Composites LLC (esquerra) i l'exèrcit dels EUA (dreta).
El 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, EUA) va rebre una subvenció de la Fase 1 de Small Business Innovation Research (SBIR) finançada per l'exèrcit dels EUA per desenvolupar un mètode de reparació que els soldats puguin realitzar amb èxit in situ. A partir d'aquest enfocament, l'any 2018 es va concedir la segona fase de la subvenció SBIR per mostrar nous materials i equips alimentats amb bateries, encara que el pegat sigui realitzat per un principiant sense formació prèvia, el 90% o més de l'estructura es pot restaurar en brut. força. La viabilitat de la tecnologia es determina mitjançant la realització d'una sèrie de tasques d'anàlisi, selecció de materials, fabricació d'exemplars i proves mecàniques, així com reparacions a petita i gran escala.
L'investigador principal de les dues fases SBIR és Michael Bergen, 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 EUA. El Dr. Roger Crane es va incorporar a Custom Technologies el 2015 després de retirar-se de la Marina dels EUA el 2011 i ha servit durant 32 anys. La seva experiència en materials compostos inclou publicacions tècniques i patents, que cobreixen temes com ara nous materials compostos, fabricació de prototips, mètodes de connexió, materials compostos multifuncionals, monitorització de la salut estructural 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 creuer de míssils guiats de la classe Ticonderoga CG-47 5456. “El procés es va desenvolupar per reduir el creixement de les esquerdes i servir com una alternativa econòmica. a la substitució d'un tauler de plataforma de 2 a 4 milions de dòlars", va dir Bergen. “Així vam demostrar que sabem fer reparacions fora del laboratori i en un entorn de servei real. Però el repte és que els mètodes actuals d'actius militars no tenen gaire èxit. L'opció és la reparació dúplex adherida [bàsicament a les zones danyades Enganxar un tauler a la part superior] o treure l'actiu del servei per a reparacions a nivell de magatzem (nivell D). Com que calen reparacions de nivell D, es deixen de banda molts actius".
Va continuar dient que el que cal és un mètode que puguin ser realitzats per soldats sense experiència en materials compostos, utilitzant només kits i manuals de manteniment. El nostre objectiu és simplificar el procés: llegir el manual, avaluar els danys i fer reparacions. No volem barrejar resines líquides, ja que això requereix una mesura precisa per garantir la curació completa. També necessitem un sistema sense residus perillosos un cop finalitzades les reparacions. I s'ha d'empaquetar com un kit que pugui ser desplegat per la xarxa existent. ”
Una solució que Custom Technologies va demostrar 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 representa una coberta AMCB de 3 polzades de gruix. El material compost té un nucli de fusta de balsa de 3 polzades de gruix (15 lliures per densitat de peu cúbic) i dues capes de teixit de costura biaxial de fibra de carboni C -LT 1100 Vectorply (Phoenix, Arizona, EUA) 0°/90°, una 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 pegats prefabricats en un laminat quasi isotròpic similar a un multi-eix, de manera que la direcció del teixit no serà un problema", va dir Crane.
El següent problema és la matriu de resina utilitzada per a la reparació del laminat. Per evitar la barreja de resina líquida, el pegat utilitzarà preimpregnat. "No obstant això, aquests reptes són l'emmagatzematge", va explicar Bergen. Per desenvolupar una solució de pegat emmagatzemable, Custom Technologies s'ha associat amb Sunrez Corp. (El Cajon, Califòrnia, EUA) per desenvolupar un preimpregnat de fibra de vidre/vinil èster que pugui utilitzar llum ultraviolada (UV) en 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 preimpregnats de fibra de carboni: l'èster de vinil curable amb UV i la fibra de vidre translúcida funcionen bé, però no es curen amb fibra de carboni que bloqueja la llum. Basat en la nova pel·lícula de Gougeon Brothers, el preimpregnat epoxi final es cura durant 1 hora a 210 °F/99 °C i té una llarga vida útil a temperatura ambient, sense necessitat d'emmagatzematge a baixa temperatura. Bergen va dir que si es requereix una temperatura de transició vítrea (Tg) més alta, la resina també es curarà a una temperatura més alta, com ara 350 ° F / 177 ° C. Tots dos preimpregnats es proporcionen en un kit de reparació portàtil com una pila de pegats preimpregnats segellats en un sobre de pel·lícula de plàstic.
Com que el kit de reparació es pot emmagatzemar durant molt de temps, Custom Technologies ha de realitzar un estudi de vida útil. "Vam comprar quatre tancaments de plàstic dur, un tipus militar típic utilitzat en equips de transport, i vam posar mostres d'adhesiu epoxi i preimpregnat d'ester vinílic a cada recinte", va dir Bergen. A continuació, les caixes es van col·locar en quatre llocs diferents per fer proves: el sostre de la fàbrica Gougeon Brothers a Michigan, el sostre de l'aeroport de Maryland, les instal·lacions exteriors de Yucca Valley (desert de Califòrnia) i el laboratori de proves de corrosió a l'aire lliure al sud de Florida. Tots els casos tenen registradors de dades, assenyala Bergen, "Prenem dades i mostres de materials per a l'avaluació cada tres mesos. La temperatura màxima registrada a les caixes a Florida i Califòrnia és de 140 °F, que és bona per a la majoria de resines de restauració. És un autèntic repte". A més, Gougeon Brothers va provar internament la resina epoxi pura recentment desenvolupada. "Les mostres que s'han col·locat en un forn a 120 ° F durant diversos mesos comencen a polimeritzar", va dir Bergen. "No obstant això, per a les mostres corresponents mantingudes a 110 ° F, la química de la resina només va millorar una petita quantitat".
La reparació es va verificar al tauler de prova i aquest model a escala d'AMCB, que utilitzava el mateix laminat i el mateix material de nucli que el pont original construït per Seemann Composites. Font de la imatge: Custom Technologies LLC
Per tal de demostrar la tècnica de reparació, s'ha de fabricar, fer malbé i reparar un laminat representatiu. "En la primera fase del projecte, vam utilitzar inicialment 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. "Llavors, vam passar a panells de 12 x 48 polzades a la segona fase del projecte, vam aplicar càrregues per generar un estat d'estrès biaxial per causar fallades i després vam avaluar el rendiment de la reparació. En la segona fase, també vam completar el model AMCB que vam construir Manteniment”.
Bergen va dir que el panell de prova utilitzat per demostrar el rendiment de la reparació es va fabricar utilitzant el mateix llinatge de laminats i materials bàsics que AMCB fabricat per Seemann Composites, "però vam reduir el gruix del panell de 0,375 polzades a 0,175 polzades, basant-nos 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 clàssica del laminat [CLT], es va utilitzar per vincular el moment d'inèrcia i la rigidesa efectiva de l'AMCB a escala real amb un producte de demostració de mida més petita que és més fàcil de manejar i més. rendible. A continuació, es va utilitzar el model d'anàlisi d'elements finits [FEA] desenvolupat per XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, EUA) 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 Core Composites (Bristol, RI, EUA).
Pas 1. Aquest panell de prova mostra un forat de 3 polzades de diàmetre per simular el dany marcat al centre i reparar la circumferència. Font de la foto per a tots els passos: Custom Technologies LLC.
Pas 2. Utilitzeu una esmoladora manual alimentada per bateries per treure el material danyat i tancar el pegat de reparació amb un cònic 12:1.
"Volem simular un grau més alt de dany a la placa de prova que el que es podria veure a la coberta del pont al camp", va explicar Bergen. "Així que el nostre mètode és utilitzar una serra de forat per fer un forat de 3 polzades de diàmetre. Aleshores, traiem l'endoll del material danyat i utilitzem una esmoladora pneumàtica de mà per processar una bufanda de 12:1".
Crane va explicar que per a la reparació de fibra de carboni/epoxi, un cop s'ha retirat el material del panell "danyat" i s'ha aplicat una bufanda adequada, el preimpregnat es tallarà a l'amplada i la longitud per tal que coincideixi amb la conicitat de la zona danyada. "Per al nostre panell de prova, això requereix quatre capes de preimpregnat per mantenir el material de reparació coherent amb la part superior del panell de carboni original sense danys. Després d'això, les tres capes de cobertura de carboni/preimpregnat epoxi es concentren en aquesta part reparada. Cada capa successiva s'estén 1 polzada a tots els costats de la capa inferior, la qual cosa proporciona una transferència gradual de càrrega del "bon" material circumdant a l'àrea reparada". El temps total per realitzar aquesta reparació, inclosa la preparació de l'àrea de reparació, el tall i la col·locació del material de restauració i l'aplicació del procediment de curat, aproximadament 2,5 hores.
Per al preimpregnat de fibra de carboni/epoxi, l'àrea de reparació s'envasa al buit i es cura a 210 °F/99 °C durant una hora utilitzant una unió tèrmica alimentada per bateries.
Tot i que la reparació de carboni/epoxi és senzilla i ràpida, l'equip va reconèixer la necessitat d'una solució més còmoda per restaurar el rendiment. Això va conduir a l'exploració de preimpregnats de curació ultraviolada (UV). "L'interès per les resines de vinil èster 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 preimpregnat d'èster vinílic, i vam avaluar la corba de curat en diferents condicions. A més, com que sabem que la resina d'ester vinílic no és com la resina epoxi que proporciona un rendiment d'adhesió secundari adequat, per tant, cal esforços addicionals per avaluar diversos agents d'acoblament de la capa adhesiva i determinar quin és adequat per a l'aplicació.
Un altre problema és que les fibres de vidre no poden oferir les mateixes propietats mecàniques que les fibres de carboni. "En comparació amb el pegat de carboni / epoxi, aquest problema es resol utilitzant una capa addicional de vidre / èster vinílic", va dir Crane. "La raó per la 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 camp molt fredes/congelades. Curat sense aportar calor. Crane ha assenyalat que aquesta reparació es pot completar en una hora.
Tots dos sistemes de pegats s'han demostrat i provat. Per a cada reparació, es marca l'àrea a danyar (pas 1), es crea amb una serra de forat i després s'elimina amb una esmoladora manual que funciona amb bateria (pas 2). A continuació, talleu l'àrea reparada en una forma cónica 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, col·loqueu-lo a la superfície neta (pas 4) i consolideu-lo amb un corró per eliminar les bombolles d'aire. Per a la fibra de vidre/preimpregnat de vinil èster de curat UV, col·loqueu la capa d'alliberament a la zona reparada i cureu el pegat amb una làmpada UV sense fil durant sis minuts (pas 5). Per al preimpregnat de fibra de carboni/epoxi, utilitzeu un aglutinador tèrmic preprogramat, d'un botó, alimentat per bateria per envasar al buit i curar l'àrea reparada a 210 °F/99 °C durant una hora.
Pas 5. Després de col·locar la capa de peeling 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. “En 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 una flexió de quatre punts sobre un feix de nucli de fibra de carboni/resina epoxi de 4 x 48 polzades i balsa després de reparar el dany simulat. 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 resistència sota càrregues de tensió complexes. Vam complir tots aquests requisits i després vam fotografiar els mètodes de reparació al model AMCB. Com utilitzar la tecnologia i l'equip de camp 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 fer una demostració als nostres dos contactes tècnics de l'exèrcit: el doctor Bernard Sia i Ashley Genna. En la revisió final de la primera fase del projecte, vaig demanar cap reparació. L'experiència Ashley va realitzar la reparació. Amb 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'unió tèrmica de curat preprogramada i alimentada per bateries pot curar el pegat de reparació de fibra de carboni/epoxi amb només prémer un botó, sense necessitat de coneixements de reparació o programació del cicle de curat. Font de la imatge: Custom Technologies, LLC
Un altre desenvolupament clau és el sistema de curat alimentat per bateries (figura 2). "A través del manteniment al camp, només teniu bateria", va assenyalar Bergen. "Tot l'equip de procés del kit de reparació que hem desenvolupat és sense fil". Això inclou l'enllaç tèrmic alimentat per bateries desenvolupat conjuntament per Custom Technologies i la màquina del proveïdor de màquines d'enllaç tèrmic WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, EUA). "Aquest adhesiu tèrmic alimentat per bateries està preprogramat per completar el curat, de manera que els novells no necessiten programar el cicle de curat", va dir Crane. "Només han de prémer un botó per completar la rampa adequada i remullar-se". Les bateries que s'utilitzen actualment poden durar un any abans de recarregar-les.
Amb la finalització de la segona fase del projecte, Custom Technologies està preparant propostes de millora de seguiment i recopilant 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 el vell art darrere del primer reforç de fibra de la indústria i té una comprensió profunda de la nova ciència de la fibra i el desenvolupament futur.
Aviat i volant per primera vegada, el 787 es basa en les innovacions en materials i processos compostos per assolir els seus objectius
Hora de publicació: Set-02-2021