El kit portàtil es pot reparar amb preimpregnat de fibra de vidre/èster de vinil o fibra de carboni/epoxi curable amb UV emmagatzemat a temperatura ambient i amb equips de curat alimentats per bateria. #insidemanufacturing #infraestructura
Reparació de pegats de prepreg curable amb UV Tot i que la reparació de prepreg de fibra de carboni/epoxi desenvolupada per Custom Technologies LLC per al pont compost de camp interior va resultar ser senzilla i ràpida, l'ús de resina de vinil èster curable amb UV reforçada amb fibra de vidre Prepreg ha desenvolupat un sistema més convenient. Font de la imatge: Custom Technologies LLC
Els ponts modulars desplegables són actius crítics per a les operacions tàctiques militars i la logística, així com per a la restauració d'infraestructures de transport durant desastres naturals. S'estan estudiant estructures compostes per reduir el pes d'aquests ponts, disminuint així la càrrega sobre els vehicles de transport i els mecanismes de recuperació de llançaments. 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 modular avançat (AMCB) n'és un exemple. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississipí, EUA) i Materials Sciences LLC (Horsham, PA, EUA) utilitzen laminats d'epoxi reforçats amb fibra de carboni (Figura 1). ) Disseny i construcció). Tanmateix, la capacitat de reparar aquestes estructures sobre el terreny ha estat un problema que dificulta l'adopció de materials compostos.
Figura 1 Pont compost, actiu clau al camp interior El pont compost modular avançat (AMCB) va ser dissenyat i construït per Seemann Composites LLC i Materials Sciences LLC utilitzant 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 beca de la Fase 1 del programa Small Business Innovation Research (SBIR) finançada per l'exèrcit dels EUA per desenvolupar un mètode de reparació que els soldats poguessin realitzar amb èxit in situ. Basant-se en aquest enfocament, la segona fase de la beca SBIR es va atorgar el 2018 per mostrar nous materials i equips alimentats per bateries, fins i tot si el pegat el realitza un principiant sense formació prèvia, es pot restaurar el 90% o més de l'estructura. La viabilitat de la tecnologia es determina mitjançant la realització d'una sèrie d'anàlisis, selecció de materials, fabricació de mostres i tasques de proves mecàniques, així com reparacions a petita i a gran escala.
L'investigador principal en les dues fases del 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 Estats Units. El Dr. Roger Crane es va incorporar a Custom Technologies el 2015 després de retirar-se de la Marina dels Estats Units el 2011 i hi ha estat durant 32 anys. La seva experiència en materials compostos inclou publicacions tècniques i patents, que abasten 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 d'esquerdes i servir com a alternativa econòmica a la substitució d'una placa de plataforma de 2 a 4 milions de dòlars", va dir Bergen. "Així vam demostrar que sabem com realitzar 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 en zones danyades enganxar una placa a la part superior] o retirar l'actiu del servei per a reparacions a nivell de magatzem (nivell D). Com que es requereixen reparacions a nivell D, molts actius es posen de banda".
Va continuar dient que el que es necessita és un mètode que puguin dur a terme soldats 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 garantir un curat complet. També necessitem un sistema sense residus perillosos un cop finalitzades les reparacions. I ha d'estar empaquetat 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 30 cm quadrats). La demostració es va completar en un material compost que representa una plataforma AMCB de 7,6 cm de gruix. El material compost té un nucli de fusta de balsa de 7,6 cm de gruix (densitat de 7,5 kg per peu cúbic) i dues capes de teixit cosit biaxialment de fibra de carboni C-LT 1100 de 0°/90° Vectorply (Phoenix, Arizona, EUA), una capa de fibra de carboni C-TLX 1900 de 0°/+45°/-45° amb tres eixos i dues capes de C-LT 1100, un total de cinc capes. "Vam decidir que el kit utilitzaria pegats prefabricats en un laminat quasiisotròpic similar a un multieix, de manera que la direcció del teixit no seria un problema", va dir Crane.
El següent problema és la matriu de resina utilitzada per a la reparació de laminats. Per evitar barrejar resina líquida, el pegat utilitzarà prepreg. "Tanmateix, 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 prepreg de fibra de vidre/èster de vinil que pot utilitzar llum ultraviolada (UV) en sis minuts de fotopolimerització. També ha col·laborat amb Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, EUA), que ha suggerit l'ús d'una nova pel·lícula epoxi flexible.
Els primers estudis han demostrat que la resina epoxi és la resina més adequada per als preimpregnats de fibra de carboni: l'èster de vinil curable amb UV i la fibra de vidre translúcida funcionen bé, però no es curen sota fibra de carboni que bloqueja la llum. Segons la nova pel·lícula de Gougeon Brothers, el preimpregnat epoxi final es cura durant 1 hora a 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 vítria (Tg) més alta, la resina també es curarà a una temperatura més alta, com ara 177 °C. Tots dos preimpregnats es proporcionen en un kit de reparació portàtil com una pila de pegats de preimpregnat 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 dur a terme un estudi de vida útil. "Vam comprar quatre carcasses de plàstic dur —un tipus militar típic que s'utilitza en equips de transport— i vam posar mostres d'adhesiu epoxi i prepreg d'èster de vinil a cada carcassa", va dir Bergen. A continuació, es van col·locar les caixes en quatre llocs diferents per fer-les proves: el sostre de la fàbrica de 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 exterior al sud de Florida. Totes les caixes tenen registradors de dades, assenyala Bergen, "Prenem mostres de dades i materials per avaluar-les cada tres mesos. La temperatura màxima registrada a les caixes a Florida i Califòrnia és de 60 °C, cosa que és bona per a la majoria de resines de restauració. És un veritable 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 50 °C durant diversos mesos comencen a polimeritzar", va dir Bergen. "No obstant això, per a les mostres corresponents mantingudes a 43 °C, la química de la resina només va millorar lleugerament."
La reparació es va verificar a la placa de prova i en aquesta maqueta a escala d'AMCB, que utilitzava el mateix material laminat i central que el pont original construït per Seemann Composites. Font de la imatge: Custom Technologies LLC
Per demostrar la tècnica de reparació, cal 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 causar una fallada i, a continuació, vam avaluar el rendiment de la reparació. A la segona fase, també vam completar el model AMCB que vam construir per a Maintenance".
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 centrals que l'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 dels eixos paral·lels. Aquest és el cas. El mètode, juntament amb els elements addicionals de la teoria de bigues i la teoria clàssica de laminats [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, vam utilitzar el model d'anàlisi d'elements finits [FEA] desenvolupat per XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, EUA) per millorar el disseny de les 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 amb bateria per eliminar el material danyat i tanqueu el pegat de reparació amb una conicitat de 12:1.
«Volem simular un grau de dany més alt a la placa de prova que el que es podria veure a la plataforma del pont sobre el terreny», va explicar Bergen. «Per tant, el nostre mètode és utilitzar una serra de corona per fer un forat de 3 polzades de diàmetre. Després, traiem el tap del material danyat i utilitzem una esmoladora pneumàtica manual per processar una bufanda 12:1».
Crane va explicar que per a la reparació de fibra de carboni/epoxi, un cop s'ha tret el material del panell "danyat" i s'ha aplicat una capa adequada, el prepreg es tallarà a l'amplada i la longitud per coincidir amb la conicitat de la zona danyada. "Per al nostre panell de prova, això requereix quatre capes de prepreg per mantenir el material de reparació consistent amb la part superior del panell de carboni original no danyat. Després d'això, les tres capes de cobertura de prepreg de carboni/epoxi es concentren en aquesta part reparada. Cada capa successiva s'estén 2,5 cm per tots els costats de la capa inferior, cosa que proporciona una transferència gradual de càrrega del material circumdant "bo" a la zona reparada". El temps total per realitzar aquesta reparació, inclosa la preparació de la zona de reparació, el tall i la col·locació del material de restauració i l'aplicació del procediment de curat, és d'aproximadament 2,5 hores.
Per al prepreg de fibra de carboni/epoxi, la zona de reparació s'envasa al buit i es cura a 99 °C durant una hora mitjançant una termoadhesió alimentada per 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 portar a l'exploració de preimpregnats de curat ultraviolat (UV). "L'interès per les resines d'èster de vinil de Sunrez es basa en l'experiència naval prèvia amb el fundador de l'empresa, Mark Livesay", va explicar Bergen. "Primer vam proporcionar a Sunrez un teixit de vidre quasiisotròpic, utilitzant el seu preimpregnat d'èster de vinil, i vam avaluar la corba de curat en diferents condicions. A més, com que sabem que la resina d'èster de vinil no és com la resina epoxi, això proporciona un rendiment d'adhesió secundària adequat, calen esforços addicionals per avaluar diversos agents d'acoblament de capes adhesives 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 de vidre/èster de vinil", 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 molt fredes/de congelació a l'interior del camp. Cura sense proporcionar calor. Crane va assenyalar que aquest treball de reparació es pot completar en una hora.
Tots dos sistemes de pegats han estat demostrats i provats. Per a cada reparació, es marca la zona que s'ha de danyar (pas 1), es crea amb una serra de corona i després es retira amb una esmoladora manual amb bateria (pas 2). A continuació, talleu la zona reparada en una conicitat de 12:1. Netegeu la superfície de la bufanda amb un cotó amb alcohol (pas 3). A continuació, talleu el pegat de reparació a una mida determinada, col·loqueu-lo sobre la superfície netejada (pas 4) i consolideu-lo amb un corró per eliminar les bombolles d'aire. Per a prepreg de fibra de vidre/èster de vinil de curat UV, col·loqueu la capa desmoldant a la zona reparada i cureu el pegat amb una làmpada UV sense fil durant sis minuts (pas 5). Per a prepreg de fibra de carboni/epoxi, utilitzeu una adhesiva tèrmica preprogramada, d'un sol botó i amb bateria, per envasar al buit i curar la zona reparada a 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 dur a terme proves per avaluar l'adhesió del pegat i la seva capacitat per restaurar la capacitat portant de l'estructura», va dir Bergen. «A la primera fase, hem de demostrar la facilitat d'aplicació i la capacitat de recuperar almenys el 75% de la resistència. Això es fa mitjançant la flexió de quatre punts en una biga de fibra de carboni/resina epoxi i nucli de balsa de 4 x 48 polzades 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 uns requisits de resistència de més del 90% 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'equipament de camp per proporcionar una referència visual.»
Un aspecte clau del projecte és demostrar que els novells poden completar la reparació fàcilment. Per aquest motiu, Bergen va tenir una idea: "He promès fer-ho una demostració als nostres dos contactes tècnics a l'exèrcit: el Dr. Bernard Sia i l'Ashley Genna. A la revisió final de la primera fase del projecte, no vaig demanar cap reparació. L'experimentada Ashley va realitzar la reparació. Utilitzant el kit i el manual que li vam proporcionar, va aplicar el pegat i va completar la reparació sense cap problema".
Figura 2 La màquina d'unió tèrmica preprogramada i alimentada per bateria pot curar el pegat de reparació de fibra de carboni/epoxi amb només prémer un botó, sense necessitat de coneixements de reparació ni de programació de cicles de curat. Font de la imatge: Custom Technologies, LLC
Un altre desenvolupament clau és el sistema de curat alimentat per bateria (Figura 2). "A través del manteniment in situ, només teniu energia de bateria", va assenyalar Bergen. "Tot l'equip de procés del kit de reparació que hem desenvolupat és sense fils". Això inclou la màquina d'unió tèrmica alimentada per bateria desenvolupada conjuntament per Custom Technologies i el proveïdor de màquines d'unió tèrmica WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, EUA). "Aquesta enllaçadora tèrmica alimentada per bateria està preprogramada per completar el curat, de manera que els novells no necessiten programar el cicle de curat", va dir Crane. "Només necessiten prémer un botó per completar la rampa i el remull adequats". 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 fins al TRL 8 i portar-la al camp", va dir Bergen. "També veiem el potencial per a aplicacions no militars".
Explica la tècnica antiga que hi ha darrere del primer reforç de fibra de la indústria i té un coneixement profund de la nova ciència de les fibres i el desenvolupament futur.
Properament i volarà per primera vegada, el 787 es basa en innovacions en materials i processos compostos per aconseguir els seus objectius.
Data de publicació: 02-09-2021