O kit portátil pódese reparar con fibra de vidro/éster de vinilo curable UV ou fibra de carbono/prepreg epoxi almacenado a temperatura ambiente e equipos de curación con batería. #insIdemArture #inFrastructure
Reparación de parches prepreg curable a UV Aínda que a reparación prepreg de fibra de carbono/epoxi desenvolvida por Custom Technologies LLC para a ponte composta de infield resultou ser sinxela e rápida, o uso de resina de vinilo reforzado con fibra de vidro ultravioleta . Fonte da imaxe: Custom Technologies LLC
As pontes modulares despregables son activos críticos para operacións e loxística tácticas militares, así como a restauración da infraestrutura de transporte durante desastres naturais. Estanse estudando estruturas compostas para reducir o peso de tales pontes, reducindo así a carga dos vehículos de transporte e os mecanismos de recuperación do lanzamento. En comparación coas pontes metálicas, os materiais compostos tamén teñen o potencial de aumentar a capacidade de carga e ampliar a vida útil.
A ponte composta modular avanzada (AMCB) é un exemplo. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, EUA) e Materials Sciences LLC (Horsham, PA, EE. UU.) Usan laminados epoxi reforzados con fibra de carbono (figura 1). ) Deseño e construción). Non obstante, a capacidade de reparar tales estruturas no campo foi un problema que dificulta a adopción de materiais compostos.
Figura 1 Ponte composta, ponte composta modular avanzada de activos de Key Infield (AMCB) foi deseñada e construída por Seemann Composites LLC e Materials Sciences LLC usando compostos de resina epoxi reforzados con fibra de carbono. Fonte da imaxe: Seeman Composites LLC (esquerda) e o exército dos Estados Unidos (dereita).
En 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, EUA) recibiu unha subvención de Fase 1 de Fase 1 de Investigación de pequenas empresas financiadas polo exército dos Estados Unidos (SBIR) para desenvolver un método de reparación que pode ser realizado con éxito no lugar por soldados. Con base neste enfoque, a segunda fase da subvención SBIR foi concedida en 2018 para amosar novos materiais e equipos de batería, aínda que o parche sexa realizado por un novato sen adestramento previo, o 90% ou máis da estrutura pode ser restaurado en bruto forza. A viabilidade da tecnoloxía está determinada realizando unha serie de análises, selección de materiais, tarefas de fabricación de exemplares e probas mecánicas, así como reparacións a pequena escala e a escala completa.
O principal investigador das dúas fases SBIR é Michael Bergen, o fundador e presidente de Custom Technologies LLC. Bergen retirouse de Carterock do Centro de guerra de superficie naval (NSWC) e serviu no departamento de estruturas e materiais durante 27 anos, onde xestionou o desenvolvemento e aplicación de tecnoloxías compostas na flota da Mariña dos Estados Unidos. Roger Crane uniuse a Technologies Custom en 2015 despois de retirarse da Mariña dos Estados Unidos en 2011 e serviu durante 32 anos. O seu coñecemento de materiais compostos inclúe publicacións e patentes técnicas, tratando temas como novos materiais compostos, fabricación de prototipos, métodos de conexión, materiais compostos multifuncionais, control de saúde estrutural e restauración de materiais compostos.
Os dous expertos desenvolveron un proceso único que usa materiais compostos para reparar as fisuras na superestructura de aluminio da clase de mísiles guiados de clase CG-47 de Ticonderoga CG-47. para a substitución dunha plataforma de plataforma de 2 a 4 millóns de dólares ", dixo Bergen. "Así demostramos que sabemos como realizar reparacións fóra do laboratorio e nun ambiente de servizo real. Pero o reto é que os métodos actuais de activos militares non teñen moito éxito. A opción é a reparación dúplex unida [basicamente en áreas danadas pegase un taboleiro na parte superior] ou elimina o activo do servizo para as reparacións do nivel de almacén (nivel D). Debido a que se necesitan reparacións a nivel D, póñense de lado moitos activos. "
Continuou a dicir que o necesario é un método que os soldados poden realizar sen experiencia en materiais compostos, empregando só kits e manuais de mantemento. O noso obxectivo é facer o proceso sinxelo: lea o manual, avalía os danos e realice reparacións. Non queremos mesturar resinas líquidas, xa que isto require unha medición precisa para garantir a cura completa. Tamén necesitamos un sistema sen residuos perigosos despois de que se completen as reparacións. E debe ser envasado como un kit que pode ser implementado pola rede existente. ”
Unha das solucións que demostraron con éxito as tecnoloxías é un kit portátil que usa un adhesivo epoxi endurecido para personalizar o parche composto adhesivo segundo o tamaño do dano (ata 12 polgadas cadradas). A manifestación completouse nun material composto que representaba unha cuberta AMCB de 3 polgadas de grosor. O material composto ten un núcleo de madeira de balsa de 3 polgadas de grosor (15 libras por densidade cúbica do pé) e dúas capas de vectorplia (Phoenix, Arizona, EE. UU. C-TLX 1900 fibra de carbono 0 °/+45 °/-45 ° tres eixes e dúas capas de C-LT 1100, un total de cinco capas. "Decidimos que o kit empregará parches prefabricados nun laminado case isotrópico similar a un múltiples eixes para que a dirección do tecido non sexa un problema", dixo Crane.
O seguinte número é a matriz de resina usada para a reparación de laminados. Para evitar a mestura de resina líquida, o parche empregará o pre -prepreg. "Non obstante, estes retos son o almacenamento", explicou Bergen. Para desenvolver unha solución de parche almacenable, Custom Technologies asociouse con Sunrez Corp. (El Cajon, California, EUA) para desenvolver un pre -prepreg de éster de fibra de vidro/vinilo que pode usar a luz ultravioleta (UV) en seis minutos de curado lixeiro. Tamén colaborou con Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, EUA), o que suxeriu o uso dunha nova película epoxi flexible.
Os primeiros estudos demostraron que a resina epoxi é a resina máis adecuada para a fibra de carbono Prepregs-UV-VIV éster e a fibra de vidro translúcido funcionan ben, pero non curan baixo fibra de carbono que bloquea a luz. Baseado na nova película de Gougeon Brothers, o prepreg epoxi final cúrmase durante 1 hora a 210 ° F/99 ° C e ten unha longa vida útil a temperatura ambiente, sen necesidade de almacenamento de baixa temperatura. Bergen dixo que se é necesaria unha temperatura de transición de vidro maior (TG), a resina tamén se curará a unha temperatura máis alta, como 350 ° F/177 ° C. Ambos os pre -pre -pre -pregópanse nun kit de reparación portátil como unha pila de parches prepreg selados nun sobre de película de plástico.
Dado que o kit de reparación pode almacenarse durante moito tempo, é necesaria as tecnoloxías personalizadas para realizar un estudo de vida útil. "Compramos catro recintos de plástico duro, un tipo militar típico usado nos equipos de transporte e colocamos mostras de pre -pre -pre -pre -pre -pre -pre -pre -pre -pre -prepreg de éster en cada recinto", dixo Bergen. As caixas foron postas en catro lugares diferentes para facer probas: o tellado da fábrica de Gougeon Brothers en Michigan, o tellado do aeroporto de Maryland, a instalación ao aire libre no val de Yucca (deserto de California) e o laboratorio de proba de corrosión ao aire libre no sur de Florida. Bergen sinala que todos os casos teñen rexistradores de datos: "Tomamos datos e mostras de material para a súa avaliación cada tres meses. A temperatura máxima rexistrada nas caixas de Florida e California é de 140 ° F, o que é bo para a maioría das resinas de restauración. É un verdadeiro reto ". Ademais, Gougeon Brothers probou internamente a resina epoxi pura recentemente desenvolvida. "As mostras que se colocaron nun forno a 120 ° F comezan a polimerizarse", dixo Bergen. "Non obstante, para as mostras correspondentes a 110 ° F, a química da resina só mellorou unha pequena cantidade."
A reparación verificouse no taboleiro de proba e este modelo de escala de AMCB, que usou o mesmo material laminado e núcleo que a ponte orixinal construída por Composites Seemann. Fonte da imaxe: Custom Technologies LLC
Para demostrar a técnica de reparación, un laminado representativo debe ser fabricado, danado e reparado. "Na primeira fase do proxecto, inicialmente empregamos vigas a pequena escala de 4 x 48 polgadas e probas de flexión de catro puntos para avaliar a viabilidade do noso proceso de reparación", dixo Klein. "Entón, pasamos a paneis de 12 x 48 polgadas na segunda fase do proxecto, aplicamos cargas para xerar un estado de tensión biaxial para causar fallo e, a continuación, avaliamos o rendemento de reparación. Na segunda fase, tamén completamos o modelo AMCB que construímos o mantemento. "
Bergen dixo que o panel de proba usado para demostrar que o rendemento de reparación foi fabricado usando a mesma liña de laminados e materiais básicos que AMCB fabricada por Composites Seemann, "pero reducimos o grosor do panel de 0,375 polgadas a 0,175 polgadas, baseándose no teorema do eixe paralelo paralelo . Este é o caso. O método, xunto cos elementos adicionais da teoría do feixe e a teoría clásica dos laminados [CLT], utilizouse para ligar o momento de inercia e a rixidez efectiva do AMCB a escala completa cun produto de demostración de menor tamaño que é máis fácil de manexar e moito máis rendible. A continuación, nós, o modelo de elementos finitos [FEA] desenvolvido por Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, EUA) utilizouse para mellorar o deseño de reparacións estruturais. " O tecido de fibra de carbono usado para os paneis de proba e o modelo AMCB foi adquirido en Vectorply, e o núcleo de Balsa foi feito por compostos núcleos (Bristol, RI, EUA).
Paso 1. Este panel de proba mostra un diámetro do burato de 3 polgadas para simular danos marcados no centro e reparar a circunferencia. Fonte de foto para todos os pasos: Custom Technologies LLC.
Paso 2. Use un moedor manual de batería para eliminar o material danado e encerrar o parche de reparación cun cónico de 12: 1.
"Queremos simular un maior grao de danos no taboleiro de proba do que se pode ver na cuberta da ponte no campo", explicou Bergen. "Así que o noso método é usar unha serra de buraco para facer un burato de 3 polgadas de diámetro. A continuación, sacamos o enchufe do material danado e usamos unha moedor pneumática de man para procesar unha bufanda de 12: 1. "
Crane explicou que para a reparación de fibra de carbono/epoxi, unha vez que se elimina o material do panel "danado" e se aplica unha bufanda adecuada, o prepreg cortarase de ancho e lonxitude para que coincida co cónico da zona danada. "Para o noso panel de probas, isto require catro capas de prepreg para manter o material de reparación consistente na parte superior do panel de carbono orixinal indemne. Despois diso, as tres capas de cobertura de pre -prepreg de carbono/epoxi concéntranse nisto na parte reparada. Cada capa sucesiva esténdese 1 polgada por todos os lados da capa inferior, o que proporciona unha transferencia gradual de carga do material "bo" circundante á zona reparada ". O tempo total para realizar esta preparación da área de reparación, incluíndo a reparación, cortando e colocando o material de restauración e aplicando o procedemento de curado-aproximadamente 2,5 horas.
Para a fibra de carbono/prepreg de epoxi, a área de reparación está embalada ao baleiro e curada a 210 ° F/99 ° C durante unha hora usando un bonder térmico con batería.
Aínda que a reparación de carbono/epoxi é sinxela e rápida, o equipo recoñeceu a necesidade dunha solución máis cómoda para restaurar o rendemento. Isto levou á exploración de pre -pre -pre -pre -pre -pre -pre -pre -pre -pre -curación de ultravioleta (UV). "O interese polas resinas de éster de vinilo de Sunrez baséase na experiencia naval anterior co fundador da compañía Mark Livesay", explicou Bergen. "Primeiro proporcionamos a Sunrez un tecido de vidro case isotrópico, usando o seu pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-previo, e avaliamos a curva de curado en diferentes condicións. Ademais, porque sabemos que a resina de éster vinílico non é como a resina epoxi que proporcione un rendemento de adhesión secundaria adecuado, polo que se necesitan esforzos adicionais para avaliar varios axentes de acoplamiento de capas adhesivas e determinar cal é adecuado para a aplicación. "
Outro problema é que as fibras de vidro non poden proporcionar as mesmas propiedades mecánicas que as fibras de carbono. "En comparación co parche de carbono/epoxi, este problema resólvese empregando unha capa adicional de éster de vidro/vinilo", dixo Crane. "A razón pola que só se necesita unha capa adicional é que o material de vidro é un tecido máis pesado". Isto produce un parche adecuado que se pode aplicar e combinar dentro de seis minutos incluso a temperaturas moi frías/conxeladas. Curar sen proporcionar calor. Crane sinalou que este traballo de reparación pode completarse dentro dunha hora.
Os dous sistemas de parche demostráronse e probáronse. Para cada reparación, a zona que se danará está marcada (paso 1), creada cunha serra de burato, e logo eliminada usando un moedor manual de batería (paso 2). A continuación, corta a área reparada nun cónico de 12: 1. Limpar a superficie da bufanda cunha almofada de alcol (paso 3). A continuación, corta o parche de reparación a un certo tamaño, colócao na superficie limpada (paso 4) e consolídeo cun rolo para eliminar as burbullas de aire. Para pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-prepreg de fibra de vidro/ultravioleta, logo coloque a capa de liberación na área reparada e cura o parche cunha lámpada UV sen fíos durante seis minutos (paso 5). Para a fibra de carbono/pre-pre-prepreg, use un preprogramado, un botón, unha batería térmica con batería para o paquete de baleiro e curar a área reparada a 210 ° F/99 ° C durante unha hora.
Paso 5. Despois de colocar a capa de pelado na área reparada, use unha lámpada UV sen fíos para curar o parche durante 6 minutos.
"Despois realizamos probas para avaliar a adhesividade do parche e a súa capacidade para restaurar a capacidade de carga da estrutura", dixo Bergen. "Na primeira etapa, necesitamos probar a facilidade de aplicación e a capacidade de recuperar polo menos o 75% da forza. Isto faise por flexión de catro puntos nunha fibra de carbono de 4 x 48 polgadas/resina epoxi e raio de núcleo de balsa despois de reparar o dano simulado. Si. A segunda fase do proxecto empregou un panel de 12 x 48 polgadas e debe presentar máis do 90% de requisitos de resistencia baixo cargas complexas de cepa. Atendemos todos estes requisitos e logo fotografamos os métodos de reparación do modelo AMCB. Como usar tecnoloxía e equipos infields para proporcionar unha referencia visual. "
Un aspecto clave do proxecto é demostrar que os novatos poden completar facilmente a reparación. Por este motivo, Bergen tivo unha idea: "Prometín demostrar aos nosos dous contactos técnicos no exército: o doutor Bernard Sia e Ashley Genna. Na revisión final da primeira fase do proxecto, pedín ningunha reparación. Ashley experimentada realizou a reparación. Usando o kit e o manual que proporcionamos, aplicou o parche e completou a reparación sen problemas. "
Figura 2 A máquina de unión térmica con batería de curado con batería, pode curar o parche de reparación de fibra de carbono/epoxi ao impulso dun botón, sen necesidade de coñecemento de reparación ou programación do ciclo de curación. Fonte da imaxe: Custom Technologies, LLC
Outro desenvolvemento clave é o sistema de curado con batería (figura 2). "A través do mantemento do infield, só tes enerxía da batería", sinalou Bergen. "Todo o equipo de proceso do kit de reparación que desenvolvemos é sen fíos." Isto inclúe a unión térmica con batería desenvolvida conxuntamente por tecnoloxías personalizadas e o provedor de máquinas de conexión térmica Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, EUA). "Este bonder térmico con batería está preprogramado para completar o curado, polo que os novatos non precisan programar o ciclo de curación", dixo Crane. "Só precisan premer un botón para completar a rampla e empaparse." As baterías actualmente en uso poden durar un ano antes de que sexan recargadas.
Coa finalización da segunda fase do proxecto, Custom Technologies está preparando propostas de mellora de seguimento e recollendo cartas de interese e apoio. "O noso obxectivo é madurar esta tecnoloxía a TRL 8 e levala ao campo", dixo Bergen. "Tamén vemos o potencial de aplicacións non militares."
Explica a antiga arte detrás do primeiro reforzo da fibra da industria e ten unha comprensión en profundidade da nova ciencia das fibras e do desenvolvemento futuro.
En breve e voando por primeira vez, o 787 depende de innovacións en materiais e procesos compostos para alcanzar os seus obxectivos
Tempo de publicación: setembro de 02-2021