O kit portátil pódese reparar con preimpregnado de fibra de vidro/éster de vinilo ou fibra de carbono/epoxi curable por UV almacenado a temperatura ambiente e con equipos de curado alimentados por batería. #insidemanufacturing #infraestrutura
Reparación de parches de prepreg curable por UV Aínda que a reparación de prepreg de fibra de carbono/epoxi desenvolvida por Custom Technologies LLC para a ponte composta de campo interior demostrou ser sinxela e rápida, o uso de resina de éster de vinilo curable por UV reforzada con fibra de vidro Prepreg desenvolveu un sistema máis cómodo. Fonte da imaxe: Custom Technologies LLC
As pontes modulares despregables son activos fundamentais para as operacións tácticas militares e a loxística, así como para a restauración da infraestrutura de transporte durante os desastres naturais. Estanse a estudar estruturas compostas para reducir o peso destas pontes, o que reducirá a carga sobre os vehículos de transporte e os mecanismos de lanzamento e recuperación. En comparación coas pontes metálicas, os materiais compostos tamén teñen o potencial de aumentar a capacidade de carga e prolongar a vida útil.
A ponte composta modular avanzada (AMCB) é un exemplo. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, EUA) e Materials Sciences LLC (Horsham, PA, EUA) empregan laminados epóxicos 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, activo clave no campo A Ponte Composta Modular Avanzada (AMCB) foi deseñada e construída por Seemann Composites LLC e Materials Sciences LLC utilizando compostos de resina epoxi reforzados con fibra de carbono. Fonte da imaxe: Seeman Composites LLC (esquerda) e Exército dos Estados Unidos (dereita).
En 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, EUA) recibiu unha subvención de Fase 1 do programa de Investigación para a Innovación en Pequenas Empresas (SBIR) financiada polo exército dos Estados Unidos para desenvolver un método de reparación que os soldados puidesen realizar con éxito in situ. Baseándose neste enfoque, a segunda fase da subvención SBIR concedeuse en 2018 para mostrar novos materiais e equipos alimentados por baterías; mesmo se o parche o realiza un novato sen formación previa, pódese restaurar o 90 % ou máis da estrutura. A viabilidade da tecnoloxía determínase mediante a realización dunha serie de análises, selección de materiais, fabricación de mostras e tarefas de probas mecánicas, así como reparacións a pequena e grande escala.
O investigador principal nas dúas fases do SBIR é Michael Bergen, fundador e presidente de Custom Technologies LLC. Bergen xubilouse de Carderock do Naval Surface Warfare Center (NSWC) e traballou no Departamento de Estruturas e Materiais durante 27 anos, onde xestionou o desenvolvemento e a aplicación de tecnoloxías compostas na frota da Armada dos Estados Unidos. O Dr. Roger Crane uniuse a Custom Technologies en 2015 despois de xubilarse da Armada dos Estados Unidos en 2011 e leva 32 anos traballando nel. A súa experiencia en materiais compostos inclúe publicacións técnicas e patentes, que abarcan temas como novos materiais compostos, fabricación de prototipos, métodos de conexión, materiais compostos multifuncionais, monitorización da saúde estrutural e restauración de materiais compostos.
Os dous expertos desenvolveron un proceso único que emprega materiais compostos para reparar as gretas na superestrutura de aluminio do cruceiro de mísiles guiados da clase Ticonderoga CG-47 5456. «O proceso foi desenvolvido para reducir o crecemento de gretas e servir como unha alternativa económica á substitución dunha placa 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 desafío é que os métodos actuais de activos militares non teñen moito éxito. A opción é a reparación dúplex adherida [basicamente en zonas danadas pegar unha placa na parte superior] ou retirar o activo do servizo para reparacións a nivel de almacén (nivel D). Debido a que se requiren reparacións a nivel D, moitos activos quedan á marxe».
Continuou dicindo que o que se necesita é un método que poidan realizar soldados sen experiencia en materiais compostos, usando só kits e manuais de mantemento. O noso obxectivo é simplificar o proceso: ler o manual, avaliar os danos e realizar as reparacións. Non queremos mesturar resinas líquidas, xa que isto require unha medición precisa para garantir un curado completo. Tamén necesitamos un sistema sen residuos perigosos unha vez finalizadas as reparacións. E debe estar empaquetado como un kit que poida ser despregado pola rede existente.
Unha solución que Custom Technologies demostrou con éxito é un kit portátil que usa un adhesivo epoxi endurecido para personalizar o parche composto adhesivo segundo o tamaño do dano (ata 30 cm cadrados). A demostración realizouse nun material composto que representa unha plataforma AMCB de 7,6 cm de grosor. O material composto ten un núcleo de madeira de balsa de 7,6 cm de grosor (densidade de 7,2 kg por pé cúbico) e dúas capas de tecido cosido biaxialmente de fibra de carbono C-LT 1100 de Vectorply (Phoenix, Arizona, EUA) C-LT 1100 a 0°/90°, unha capa de fibra de carbono C-TLX 1900 a 0°/+45°/-45° con tres eixes e dúas capas de C-LT 1100, un total de cinco capas. «Decidimos que o kit usaría parches prefabricados nun laminado cuasiisotrópico similar a un eixe múltiple para que a dirección do tecido non sexa un problema», dixo Crane.
O seguinte problema é a matriz de resina utilizada para a reparación de laminados. Para evitar mesturar resina líquida, o parche usará prepreg. «Non obstante, estes desafíos 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 prepreg de fibra de vidro/éster de vinilo que pode usar luz ultravioleta (UV) en seis minutos de curado con luz. Tamén colaborou con Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, EUA), que suxeriu o uso dunha nova película epoxi flexible.
Os primeiros estudos demostraron que a resina epoxi é a resina máis axeitada para os preimpregnados de fibra de carbono: o éster de vinilo curable por UV e a fibra de vidro translúcida funcionan ben, pero non curan baixo fibra de carbono que bloquea a luz. Segundo a nova película de Gougeon Brothers, o preimpregnado epoxi final cúrase durante 1 hora a 99 °C e ten unha longa vida útil a temperatura ambiente, sen necesidade de almacenamento a baixa temperatura. Bergen afirmou que se se require unha temperatura de transición vítrea (Tg) máis alta, a resina tamén se curará a unha temperatura máis alta, como 177 °C. Ambos os preimpregnados ofrécense nun kit de reparación portátil como unha pila de parches de preimpregnado selados nunha envoltura de película plástica.
Dado que o kit de reparación pode almacenarse durante moito tempo, Custom Technologies ten que realizar un estudo de vida útil. «Compramos catro carcasas de plástico duro (un tipo militar típico que se usa en equipos de transporte) e puxemos mostras de adhesivo epoxi e prepreg de éster de vinilo en cada carcasa», dixo Bergen. Despois, as caixas colocáronse en catro lugares diferentes para as súas probas: o teito da fábrica de Gougeon Brothers en Michigan, o teito do aeroporto de Maryland, as instalacións exteriores en Yucca Valley (deserto de California) e o laboratorio exterior de probas de corrosión no sur de Florida. Todas as caixas teñen rexistradores de datos, sinala Bergen: «Tomamos mostras de datos e materiais para a súa avaliación cada tres meses. A temperatura máxima rexistrada nas caixas en Florida e California é de 60 °C, o que é bo para a maioría das resinas de restauración. É un verdadeiro desafío». Ademais, Gougeon Brothers probou internamente a resina epoxi pura recentemente desenvolvida. «As mostras que se colocaron nun forno a 50 °C durante varios meses comezan a polimerizar», dixo Bergen. "Non obstante, para as mostras correspondentes mantidas a 43 °C, a composición química da resina só mellorou lixeiramente."
A reparación verificouse na placa de probas e nesta maqueta a escala de AMCB, que empregou o mesmo material laminado e central que a ponte orixinal construída por Seemann Composites. Fonte da imaxe: Custom Technologies LLC
Para demostrar a técnica de reparación, débese fabricar, danar e reparar un laminado representativo. «Na primeira fase do proxecto, inicialmente empregamos vigas de 4 x 48 polgadas a pequena escala e probas de flexión de catro puntos para avaliar a viabilidade do noso proceso de reparación», dixo Klein. «Despois, pasamos a paneis de 12 x 48 polgadas na segunda fase do proxecto, aplicamos cargas para xerar un estado de tensión biaxial que provocase a falla e, a continuación, avaliamos o rendemento da reparación. Na segunda fase, tamén completamos o modelo AMCB que construímos para Maintenance».
Bergen dixo que o panel de probas empregado para demostrar o rendemento da reparación se fabricou coa mesma liñaxe de laminados e materiais de núcleo que o AMCB fabricado por Seemann Composites, "pero reducimos o grosor do panel de 0,375 polgadas a 0,175 polgadas, baseándonos no teorema dos eixes paralelos. Este é o caso. O método, xunto cos elementos adicionais da teoría de vigas e a teoría clásica de laminados [CLT], utilizouse para vincular o momento de inercia e a rixidez efectiva do AMCB a escala real cun produto de demostración de menor tamaño que é máis fácil de manexar e máis rendible. Despois, o modelo de análise de elementos finitos [FEA] desenvolvido por XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, EUA) utilizouse para mellorar o deseño das reparacións estruturais". O tecido de fibra de carbono empregado para os paneis de probas e o modelo AMCB adquiriuse a Vectorply, e o núcleo de balsa foi fabricado por Core Composites (Bristol, RI, EUA).
Paso 1. Este panel de proba mostra un orificio de 3 polgadas de diámetro para simular o dano marcado no centro e reparar a circunferencia. Fonte da foto para todos os pasos: Custom Technologies LLC.
Paso 2. Empregue unha amoladora manual a batería para eliminar o material danado e peche o parche de reparación cun cono de 12:1.
«Queremos simular un maior grao de dano na placa de probas que o que se podería ver na plataforma da ponte no campo», explicou Bergen. «Así que o noso método consiste en usar unha serra de corona para facer un burato de 3 polgadas de diámetro. Despois, sacamos o tapón do material danado e usamos unha amoladora pneumática manual para procesar unha bufanda 12:1».
Crane explicou que para a reparación de fibra de carbono/epoxi, unha vez retirado o material do panel "danado" e aplicado un pano axeitado, o prepreg cortarase ao ancho e ao longo para que coincida coa conicidade da zona danada. "Para o noso panel de proba, isto require catro capas de prepreg para manter o material de reparación consistente coa parte superior do panel de carbono orixinal non danado. Despois diso, as tres capas de cobertura de prepreg de carbono/epoxi concéntranse nesta parte reparada. Cada capa sucesiva esténdese 2,5 cm por todos os lados da capa inferior, o que proporciona unha transferencia gradual da carga desde o material circundante "bo" á zona reparada". O tempo total para realizar esta reparación, incluíndo a preparación da zona de reparación, o corte e a colocación do material de restauración e a aplicación do procedemento de curado, é de aproximadamente 2,5 horas.
Para o prepreg de fibra de carbono/epoxi, a área de reparación énchase ao baleiro e cúrase a 99 °C durante unha hora usando unha termoadhesiva alimentada por 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 preimpregnados de curado ultravioleta (UV). «O interese polas resinas de éster de vinilo de Sunrez baséase na experiencia naval previa co fundador da empresa, Mark Livesay», explicou Bergen. «Primeiro proporcionamos a Sunrez un tecido de vidro cuasiisótropo, usando o seu preimpregnado de éster de vinilo, e avaliamos a curva de curado en diferentes condicións. Ademais, como sabemos que a resina de éster de vinilo non é como a resina epoxi, iso proporciona un rendemento de adhesión secundaria axeitado, requírense esforzos adicionais para avaliar varios axentes de acoplamento de capas adhesivas e determinar cal é o axeitado 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 usando unha capa adicional de vidro/éster de 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 axeitado que se pode aplicar e combinar en seis minutos mesmo a temperaturas moi frías/conxeladas no campo. Curado sen proporcionar calor. Crane sinalou que este traballo de reparación pódese completar nunha hora.
Ambos os sistemas de parches foron demostrados e probados. Para cada reparación, márcase a área que se vai danar (paso 1), créase cunha serra de corona e logo elimínase cunha amoladora manual a batería (paso 2). Despois, córtase a área reparada nun cono de 12:1. Limpe a superficie da bufanda cunha gasa con alcohol (paso 3). A continuación, córtase o parche de reparación a un determinado tamaño, colócao sobre a superficie limpa (paso 4) e consolídao cun rodillo para eliminar as burbullas de aire. Para prepreg de fibra de vidro/éster de vinilo de curado UV, colócase a capa de liberación na área reparada e cure o parche cunha lámpada UV sen fíos durante seis minutos (paso 5). Para prepreg de fibra de carbono/epoxi, use unha unión térmica preprogramada dun só botón e alimentada por batería para envasar ao baleiro e curar a área reparada a 99 °C durante unha hora.
Paso 5. Despois de colocar a capa despegable na zona 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 portante da estrutura», dixo Bergen. «Na primeira fase, necesitamos demostrar a facilidade de aplicación e a capacidade de recuperar polo menos o 75 % da resistencia. Isto faise mediante a flexión en catro puntos nunha viga de fibra de carbono/resina epoxi e núcleo de balsa de 4 x 48 polgadas despois de reparar o dano simulado. Si. A segunda fase do proxecto empregou un panel de 12 x 48 polgadas e debe presentar uns requisitos de resistencia de máis do 90 % baixo cargas de tensión complexas. Cumprimos todos estes requisitos e, a continuación, fotografamos os métodos de reparación no modelo AMCB. Como usar a tecnoloxía e o equipo de campo para proporcionar unha referencia visual».
Un aspecto clave do proxecto é demostrar que os novatos poden completar a reparación facilmente. Por este motivo, Bergen tivo unha idea: «Prometín facerlles unha demostración aos nosos dous contactos técnicos no Exército: o doutor Bernard Sia e Ashley Genna. Na revisión final da primeira fase do proxecto, non pedín ningunha reparación. A experimentada Ashley realizou a reparación. Usando o kit e o manual que lle proporcionamos, aplicou o parche e completou a reparación sen ningún problema».
Figura 2 A máquina de unión térmica preprogramada e alimentada por batería pode curar o parche de reparación de fibra de carbono/epoxi premendo un botón, sen necesidade de coñecementos de reparación nin programación de ciclos de curado. Fonte da imaxe: Custom Technologies, LLC
Outro desenvolvemento clave é o sistema de curado alimentado por baterías (Figura 2). «Co mantemento no campo, só se dispón de enerxía por batería», sinalou Bergen. «Todo o equipo de proceso do kit de reparación que desenvolvemos é inalámbrico». Isto inclúe a unión térmica alimentada por baterías desenvolvida conxuntamente por Custom Technologies e o provedor de máquinas de unión térmica WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, EUA). «Esta unión térmica alimentada por baterías está preprogramada para completar o curado, polo que os principiantes non precisan programar o ciclo de curado», dixo Crane. «Só precisan premer un botón para completar a rampa e o remollo axeitados». As baterías que se usan actualmente poden durar un ano antes de que sexa necesario recargalas.
Coa finalización da segunda fase do proxecto, Custom Technologies está a preparar propostas de mellora de seguimento e a recompilar cartas de interese e apoio. «O noso obxectivo é facer madurar esta tecnoloxía ata o TRL 8 e levala ao campo», dixo Bergen. «Tamén vemos o potencial para aplicacións non militares».
Explica a antiga arte que se agocha tras o primeiro reforzo de fibra da industria e ten un coñecemento profundo da nova ciencia das fibras e o desenvolvemento futuro.
Próximamente e voando por primeira vez, o 787 baséase en innovacións en materiais e procesos compostos para acadar os seus obxectivos
Data de publicación: 02-09-2021