Преносливиот комплет може да се поправи со UV-стврднувачки фиберглас/винил естер или јаглеродни влакна/епоксидна препрега што се чува на собна температура и опрема за стврднување на батерии. #insideproduction #infrastructure
Поправка на препрег-крпеница што се стврднува со UV зрачење Иако поправката на препрег-крпеница од јаглеродни влакна/епоксидни влакна, развиена од Custom Technologies LLC за композитниот мост во внатрешноста на теренот, се покажа како едноставна и брза, употребата на винил естерска смола Prepreg зајакната со стаклени влакна, што се стврднува со UV зрачење, разви попрактичен систем. Извор на слика: Custom Technologies LLC
Модуларните распоредливи мостови се критични средства за воени тактички операции и логистика, како и за обновување на транспортната инфраструктура за време на природни катастрофи. Композитните конструкции се изучуваат за да се намали тежината на ваквите мостови, со што се намалува оптоварувањето на транспортните возила и механизмите за лансирање и враќање. Во споредба со металните мостови, композитните материјали имаат и потенцијал да ја зголемат носивоста и да го продолжат работниот век.
Напредниот модуларен композитен мост (AMCB) е пример. Seemann Composites LLC (Галфпорт, Мисисипи, САД) и Materials Sciences LLC (Хоршам, Пенсилванија, САД) користат епоксидни ламинати зајакнати со јаглеродни влакна (Слика 1). ) Дизајн и конструкција). Сепак, можноста за поправка на вакви конструкции на терен е проблем што го попречува усвојувањето на композитните материјали.
Слика 1 Композитен мост, клучен имот во полето. Напредниот модуларен композитен мост (AMCB) е дизајниран и изграден од Seemann Composites LLC и Materials Sciences LLC со употреба на композити од епоксидна смола зајакнати со јаглеродни влакна. Извор на сликата: Seeman Composites LLC (лево) и Армијата на САД (десно).
Во 2016 година, „Кастом Технолоџис ДОО“ (Милерсвил, Мериленд, САД) доби грант од Фаза 1 за истражување на иновации во мали бизниси (SBIR) финансиран од американската армија за развој на метод за поправка што војниците можат успешно да го извршат на лице место. Врз основа на овој пристап, втората фаза од грантот SBIR беше доделена во 2018 година за да се претстават нови материјали и опрема на батерии, дури и ако крпеницата ја извршува почетник без претходна обука, 90% или повеќе од структурата може да се врати во сурова цврстина. Изводливоста на технологијата се одредува со извршување на серија анализи, избор на материјали, производство на примероци и задачи за механичко тестирање, како и поправки од мал и целосен обем.
Главен истражувач во двете фази на SBIR е Мајкл Берген, основач и претседател на Custom Technologies LLC. Берген се пензионираше од Кардерок во Центарот за поморско површинско војување (NSWC) и служеше во Одделот за конструкции и материјали 27 години, каде што управуваше со развојот и примената на композитни технологии во флотата на американската морнарица. Д-р Роџер Крејн се приклучи на Custom Technologies во 2015 година откако се пензионираше од американската морнарица во 2011 година и служеше 32 години. Неговата експертиза за композитни материјали вклучува технички публикации и патенти, кои опфаќаат теми како што се нови композитни материјали, производство на прототипови, методи на поврзување, мултифункционални композитни материјали, следење на здравјето на конструкциите и реставрација на композитни материјали.
Двајцата експерти развија уникатен процес кој користи композитни материјали за поправка на пукнатините во алуминиумската надградба на крстосувачот со водени ракети од класата Ticonderoga CG-47 5456. „Процесот е развиен за да се намали растот на пукнатините и да послужи како економична алтернатива на замената на платформата од 2 до 4 милиони долари“, рече Берген. „Така докажавме дека знаеме како да извршуваме поправки надвор од лабораторијата и во реална сервисна средина. Но, предизвикот е што сегашните методи на воени средства не се многу успешни. Опцијата е поправка со дуплекс лепење [во основа во оштетените области - лепење на плочка на врвот] или отстранување на средството од употреба за поправки на ниво на магацин (ниво D). Бидејќи се потребни поправки на ниво D, многу средства се ставаат настрана.“
Тој продолжи велејќи дека е потребен метод што може да го извршат војници без искуство со композитни материјали, користејќи само комплети и прирачници за одржување. Нашата цел е да го направиме процесот едноставен: прочитајте го упатството, проценете ја штетата и извршете поправки. Не сакаме да мешаме течни смоли, бидејќи тоа бара прецизно мерење за да се обезбеди целосно лекување. Исто така, ни е потребен систем без опасен отпад откако ќе се завршат поправките. И тој мора да биде спакуван како комплет што може да се распореди преку постојната мрежа.
Едно решение што „Кастом Технолоџис“ успешно го демонстрираше е пренослив комплет кој користи зајакнат епоксиден лепак за прилагодување на лепливата композитна лепенка според големината на оштетувањето (до 12 квадратни инчи). Демонстрацијата беше завршена на композитен материјал што претставува AMCB палуба со дебелина од 3 инчи. Композитниот материјал има јадро од балса дрво со дебелина од 3 инчи (густина од 15 фунти на кубен метар) и два слоја од карбонски влакна C-LT 1100 со биаксијален шев 0°/90° од Vectorply (Феникс, Аризона, САД), еден слој од карбонски влакна C-TLX 1900 со три вратила 0°/+45°/-45° и два слоја од C-LT 1100, вкупно пет слоја. „Одлучивме дека комплетот ќе користи префабрикувани лепенки во квази-изотропен ламинат сличен на повеќеосен, така што насоката на ткаенината нема да биде проблем“, рече Крејн.
Следното прашање е смолестата матрица што се користи за поправка на ламинат. За да се избегне мешање на течна смола, лепенката ќе користи препрег. „Сепак, овие предизвици се складирањето“, објасни Берген. За да развие решение за лепенка што може да се складира, Custom Technologies соработуваше со Sunrez Corp. (Ел Кахон, Калифорнија, САД) за да развие препрег од стаклени влакна/винил естер што може да користи ултравиолетова светлина (UV) за шест минути со светлосно стврднување. Исто така, соработуваше со Gougeon Brothers (Беј Сити, Мичиген, САД), кои предложија употреба на нов флексибилен епоксиден филм.
Раните студии покажаа дека епоксидната смола е најсоодветната смола за препрег од јаглеродни влакна - винил естерот што се стврднува на UV зраци и проѕирните стаклени влакна добро функционираат, но не се стврднуваат под јаглеродни влакна што блокираат светлина. Врз основа на новиот филм на Gougeon Brothers, конечниот епоксиден препрег се стврднува 1 час на 210°F/99°C и има долг рок на траење на собна температура - нема потреба од складирање на ниска температура. Берген рече дека доколку е потребна повисока температура на стаклен премин (Tg), смолата ќе се стврдне и на повисока температура, како што е 350°F/177°C. И двата препрег се обезбедени во преносен комплет за поправка како куп препрег крпеници запечатени во пластична фолија.
Бидејќи комплетот за поправка може да се чува долго време, од „Кастом Технолоџис“ се бара да спроведе студија за рокот на траење. „Купивме четири куќишта од тврда пластика - типичен воен тип што се користи во транспортната опрема - и ставивме примероци од епоксидно лепило и препрег од винил естер во секое куќиште“, рече Берген. Кутиите потоа беа поставени на четири различни локации за тестирање: покривот на фабриката „Гуџон Брадерс“ во Мичиген, покривот на аеродромот во Мериленд, надворешниот објект во долината Јука (калифорниска пустина) и надворешната лабораторија за тестирање на корозија во јужна Флорида. Сите кутии имаат логери на податоци, истакнува Берген. „Земаме примероци од податоци и материјал за евалуација на секои три месеци. Максималната температура регистрирана во кутиите во Флорида и Калифорнија е 140°F, што е добро за повеќето смоли за реставрација. Тоа е вистински предизвик.“ Покрај тоа, „Гуџон Брадерс“ интерно ја тестираа новоразвиената чиста епоксидна смола. „Примероци што се ставени во рерна на 120°F неколку месеци почнуваат да се полимеризираат“, рече Берген. „Сепак, за соодветните примероци чувани на 110°F, хемијата на смолата се подобри само за мала количина.“
Поправката беше потврдена на тест таблата и на овој модел во големина на AMCB, кој го користеше истиот ламинат и материјал за јадро како и оригиналниот мост изграден од Seemann Composites. Извор на сликата: Custom Technologies LLC
За да се демонстрира техниката на поправка, мора да се произведе, оштети и поправи репрезентативен ламинат. „Во првата фаза од проектот, првично користевме мали греди од 4 x 48 инчи и тестови за свиткување во четири точки за да ја процениме изводливоста на нашиот процес на поправка“, рече Клајн. „Потоа, преминавме на панели од 12 x 48 инчи во втората фаза од проектот, применивме оптоварувања за да генерираме состојба на биаксијален стрес што ќе предизвика дефект, а потоа ги оценивме перформансите на поправката. Во втората фаза, го завршивме и моделот AMCB што го изградивме за одржување.“
Берген рече дека тест-панелот што се користел за да се докаже ефикасноста на поправката бил произведен со користење на истата линија на ламинати и материјали за јадро како AMCB произведен од Seemann Composites, „но ја намаливме дебелината на панелот од 0,375 инчи на 0,175 инчи, врз основа на теоремата за паралелна оска. Таков е случајот. Методот, заедно со дополнителните елементи на теоријата на гредите и теоријата на класичните ламинати [CLT], беше користен за поврзување на моментот на инерција и ефективната цврстина на AMCB во полна големина со помал демо производ што е полесен за ракување и поекономичен. Потоа, ние го користевме моделот за анализа на конечни елементи [FEA] развиен од XCraft Inc. (Бостон, Масачусетс, САД) за подобрување на дизајнот на структурните поправки.“ Ткаенината од јаглеродни влакна што се користела за тест-панелите и моделот AMCB била купена од Vectorply, а јадрото од балса е направено од Core Composites (Бристол, РД, САД).
Чекор 1. Овој тест панел прикажува дупка со дијаметар од 3 инчи за да симулира оштетување означено во центарот и да го поправи обемот. Извор на фотографии за сите чекори: Custom Technologies LLC.
Чекор 2. Користете рачна брусилка на батерии за да го отстраните оштетениот материјал и да го затворите поправениот дел со конус 12:1.
„Сакаме да симулираме повисок степен на оштетување на тест таблата отколку што може да се види на палубата на мостот на терен“, објасни Берген. „Значи, нашиот метод е да користиме пила за дупки за да направиме дупка со дијаметар од 3 инчи. Потоа, го вадиме чепот од оштетениот материјал и користиме рачна пневматска брусилка за да обработиме шал 12:1.“
Крејн објасни дека за поправка на јаглеродни влакна/епоксидна смола, откако ќе се отстрани „оштетениот“ материјал на панелот и ќе се нанесе соодветна марама, препрегот ќе се исече на ширина и должина за да одговара на конусот на оштетената област. „За нашиот тест панел, потребни се четири слоја препрегот за да се одржи материјалот за поправка конзистентен со горниот дел од оригиналниот неоштетен јаглероден панел. После тоа, трите покривни слоја од јаглерод/епоксидна препрегот се концентрираат на овој на поправениот дел. Секој следен слој се протега 1 инч од сите страни на долниот слој, што овозможува постепен пренос на оптоварувањето од „добриот“ околн материјал до поправената област.“ Вкупното време за извршување на оваа поправка - вклучувајќи ја подготовката на областа за поправка, сечењето и поставувањето на материјалот за реставрација и нанесувањето на постапката за стврднување - е приближно 2,5 часа.
За препрег од јаглеродни влакна/епоксидни влакна, површината за поправка се вакуумира и се стврднува на 210°F/99°C во тек на еден час со помош на термичко лепило на батерии.
Иако поправката со јаглерод/епоксид е едноставна и брза, тимот ја препозна потребата од попогодно решение за враќање на перформансите. Ова доведе до истражување на препрег-материјали за стврднување со ултравиолетово (UV) зрачење. „Интересот за винил естерските смоли Sunrez се базира на претходното поморско искуство со основачот на компанијата, Марк Ливсеј“, објасни Берген. „Прво му обезбедивме на Sunrez квази-изотропна стаклена ткаенина, користејќи го нивниот винил естерски препрег, и ја проценивме кривата на стврднување под различни услови. Покрај тоа, бидејќи знаеме дека винил естерската смола не е како епоксидна смола што обезбедува соодветни перформанси на секундарна адхезија, потребни се дополнителни напори за да се евалуираат различните средства за спојување на лепливиот слој и да се утврди кој е погоден за апликацијата.“
Друг проблем е што стаклените влакна не можат да ги обезбедат истите механички својства како јаглеродните влакна. „Во споредба со јаглеродниот/епоксидниот фластер, овој проблем се решава со употреба на дополнителен слој стакло/винил естер“, рече Крејн. „Причината зошто е потребен само еден дополнителен слој е тоа што стаклениот материјал е потешка ткаенина.“ Ова произведува соодветен фластер што може да се нанесе и комбинира во рок од шест минути дури и на многу ниски/смрзнувачки температури на теренот. Стврднување без обезбедување топлина. Крејн истакна дека оваа поправка може да се заврши во рок од еден час.
И двата системи на лепенки се демонстрирани и тестирани. За секоја поправка, површината што треба да се оштети е обележана (чекор 1), креирана со дупчалка, а потоа отстранета со рачна брусилка на батерии (чекор 2). Потоа исечете ја поправената површина во конус 12:1. Исчистете ја површината на шалот со алкохолно крпеница (чекор 3). Потоа, исечете го поправениот лепенка на одредена големина, поставете ја на исчистената површина (чекор 4) и консолидирајте ја со валјак за да ги отстраните воздушните меурчиња. За винил естер препрег што се стврднува со стаклени влакна/UV, потоа поставете го слојот за одвојување на поправената површина и стврднете го лепенката со безжична UV ламба шест минути (чекор 5). За карбонски влакна/епоксиден препрег, користете претходно програмиран термички лепенка со едно копче на батерии за да вакуумирате и стврднете ја поправената површина на 210°F/99°C во текот на еден час.
Чекор 5. Откако ќе го нанесете слојот за лупење на поправената површина, користете безжична УВ ламба за да го стврднете фластерот 6 минути.
„Потоа спроведовме тестови за да ја процениме лепливоста на крпеницата и нејзината способност да ја врати носивоста на структурата“, рече Берген. „Во првата фаза, треба да ја докажеме леснотијата на нанесување и способноста да вратиме најмалку 75% од цврстината. Ова се прави со свиткување во четири точки на греда од јаглеродни влакна/епоксидна смола и балса јадро со димензии 4 x 48 инчи по поправка на симулираната штета. Да. Во втората фаза од проектот се користеше панел од 12 x 48 инчи и мора да се покажат барања за цврстина од повеќе од 90% под сложени оптоварувања на деформација. Ги исполнивме сите овие барања, а потоа ги фотографиравме методите за поправка на моделот AMCB. Како да се користи технологијата и опремата во полето за да се обезбеди визуелна референца.“
Клучен аспект на проектот е да се докаже дека почетниците можат лесно да ја завршат поправката. Поради оваа причина, Берген доби идеја: „Ветив дека ќе им демонстрирам на нашите двајца технички контакти во армијата: д-р Бернард Сиа и Ешли Џена. Во завршниот преглед на првата фаза од проектот, не побарав никакви поправки. Искусната Ешли ја изврши поправката. Користејќи го комплетот и упатството што ги обезбедивме, таа го нанесе крпењето и ја заврши поправката без никакви проблеми.“
Слика 2 Машината за термичко лепење на батерии, претходно програмирана и на батерии, може да го стврдне крпеницата за поправка од јаглеродни влакна/епоксидна смола со притискање на копче, без потреба од познавање на поправка или програмирање на циклусот на стврднување. Извор на слика: Custom Technologies, LLC
Друг клучен развој е системот за стврднување на батерии (Слика 2). „При одржување на терен, имате само енергија од батеријата“, истакна Берген. „Целата опрема за обработка во комплетот за поправка што го развивме е безжична.“ Ова вклучува термичко лепење на батерии, развиено заеднички од Custom Technologies и машината за добавувач на машини за термичко лепење WichiTech Industries Inc. (Рандалстаун, Мериленд, САД). „Овој термички лепак на батерии е претходно програмиран да го заврши стврднувањето, така што почетниците не треба да го програмираат циклусот на стврднување“, рече Крејн. „Тие само треба да притиснат копче за да ја завршат соодветната рампа и натопување.“ Батериите што се користат моментално можат да траат една година пред да треба да се полнат.
Со завршувањето на втората фаза од проектот, „Кастом Технолоџис“ подготвува предлози за подобрување на понатамошната работа и собира писма за интерес и поддршка. „Нашата цел е да ја созрееме оваа технологија до TRL 8 и да ја донесеме на терен“, рече Берген. „Исто така, гледаме потенцијал за невоени апликации“.
Објаснува старата уметност зад првото засилување со влакна во индустријата и има длабинско разбирање на науката за нови влакна и идниот развој.
Наскоро и со прв лет, 787 се потпира на иновации во композитните материјали и процеси за да ги постигне своите цели.
Време на објавување: 02.09.2021