O kit portátil pódese reparar con fibra de vidro/vinil éster curable con UV ou fibra de carbono/preimpregnado epoxi almacenado a temperatura ambiente e equipos de curado alimentados por batería.#insidemanufacturing #infraestruturas
Reparación de parches preimpregnados curables con UV Aínda que a reparación de preimpregnados de fibra de carbono/epoxi desenvolvida por Custom Technologies LLC para a ponte composta no campo demostrou ser sinxela e rápida, o uso de resina de éster de vinilo curable con UV reforzada con fibra de vidro Prepreg desenvolveu un sistema máis cómodo. .Fonte da imaxe: Custom Technologies LLC
As pontes despregables modulares son activos críticos para as operacións tácticas militares e a loxística, así como para a restauración da infraestrutura de transporte durante desastres naturais.Estase estudando estruturas compostas para reducir o peso destas pontes, reducindo así a carga dos vehículos de transporte e dos mecanismos de lanzamento-recuperación.En comparación coas pontes metálicas, os materiais compostos tamén teñen o potencial de aumentar a capacidade de carga e prolongar a vida útil.
O Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) é un exemplo.Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, EUA) e Materials Sciences LLC (Horsham, PA, EUA) 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, activo clave no campo Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) foi deseñada e construída por Seemann Composites LLC e Materials Sciences LLC usando compostos de resina epoxi reforzada 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, EE. UU.) recibiu unha subvención da Fase 1 de Small Business Innovation Research (SBIR) financiada polo exército dos Estados Unidos para desenvolver un método de reparación que os soldados poidan realizar con éxito no lugar.En base a este enfoque, a segunda fase da subvención SBIR concedeuse en 2018 para mostrar novos materiais e equipos alimentados con batería, aínda que o parche sexa realizado por un novato sen formación previa, o 90% ou máis da estrutura pódese restaurar. forza.A viabilidade da tecnoloxía determínase mediante a realización dunha serie de tarefas de análise, selección de materiais, fabricación de mostras e probas mecánicas, así como reparacións a pequena e completa escala.
O investigador principal nas dúas fases SBIR é Michael Bergen, o fundador e presidente de Custom Technologies LLC.Bergen retirouse de Carderock do Naval Surface Warfare Center (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.O doutor Roger Crane uniuse a Custom Technologies en 2015 despois de retirarse da Mariña dos Estados Unidos en 2011 e leva 32 anos de servizo.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, vixilancia da saúde estrutural e restauración de materiais compostos.
Os dous expertos desenvolveron un proceso único que utiliza materiais compostos para reparar as fendas da superestrutura de aluminio do cruceiro de mísiles guiados da clase Ticonderoga CG-47 5456. “O proceso desenvolveuse para reducir o crecemento das gretas e servir como alternativa económica. á substitución dun taboleiro de plataforma de 2 a 4 millóns de dólares", dixo Bergen.“Así demostramos que sabemos 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 áreas danadas. Pega un taboleiro na parte superior] ou retira o activo do servizo para reparacións a nivel de almacén (nivel D).Debido a que son necesarias reparacións de nivel D, moitos activos quedan de lado".
Continuou dicindo que o que se necesita é un método que poidan ser realizados por soldados sen experiencia en materiais compostos, utilizando só kits e manuais de mantemento.O noso obxectivo é simplificar o proceso: ler o manual, avaliar os danos e realizar reparacións.Non queremos mesturar resinas líquidas, xa que isto require unha medición precisa para garantir o curado completo.Tamén necesitamos un sistema sen residuos perigosos unha vez rematadas as reparacións.E debe ser 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 12 polgadas cadradas).A demostración completouse nun material composto que representa unha plataforma AMCB de 3 polgadas de espesor.O material composto ten un núcleo de madeira de balsa de 3 polgadas de espesor (15 libras por pé cúbico de densidade) e dúas capas de tecido de fibra de carbono Vectorply (Phoenix, Arizona, EE. UU.) C -LT 1100 0°/90° cosido biaxial, unha capa de 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 usará parches prefabricados nun laminado case isotrópico similar a un multieixo para que a dirección do tecido non sexa un problema", dixo Crane.
O seguinte problema é a matriz de resina utilizada para a reparación do laminado.Para evitar mesturar resina líquida, o parche usará preimpregnado."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 preimpregnado de fibra de vidro/vinil éster que poida usar luz ultravioleta (UV) en seis minutos.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 adecuada para os preimpregnados de fibra de carbono: o éster de vinilo curable por UV e a fibra de vidro translúcida funcionan ben, pero non se curan baixo a fibra de carbono que bloquea a luz.Baseado na nova película de Gougeon Brothers, o preimpregnado epoxi final cura durante 1 hora a 210 °F/99 °C e ten unha longa vida útil a temperatura ambiente, sen necesidade de almacenamento a baixa temperatura.Bergen dixo que se se precisa unha temperatura de transición vítrea (Tg) máis alta, a resina tamén se curará a unha temperatura máis alta, como 350 °F/177 °C.Ambos preimpregnados preséntanse nun kit de reparación portátil como unha pila de parches preimpregnados selados nun sobre de película plástica.
Dado que o kit de reparación pode almacenarse durante moito tempo, é necesario que Custom Technologies realice un estudo de vida útil."Compramos catro recintos de plástico duro, un tipo militar típico usado en equipos de transporte, e colocamos mostras de adhesivo epoxi e preimpregnado de viniléster en cada recinto", dixo Bergen.A continuación, as caixas colocáronse en catro lugares diferentes para as probas: o tellado da fábrica de Gougeon Brothers en Michigan, o tellado do aeroporto de Maryland, as instalacións ao aire libre en Yucca Valley (deserto de California) e o laboratorio de probas de corrosión ao aire libre no sur de Florida.Todos os casos 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 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 foron colocadas nun forno a 120 ° F durante varios meses comezan a polimerizar", dixo Bergen."Non obstante, para as mostras correspondentes mantidas a 110 °F, a química da resina só mellorou nunha pequena cantidade".
A reparación comprobouse no taboleiro de proba e neste modelo a escala de AMCB, que utilizaba o mesmo material laminado e núcleo 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 utilizamos 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, realizamos a transición a paneis de 12 x 48 polgadas na segunda fase do proxecto, aplicamos cargas para xerar un estado de tensión biaxial para causar fallos e despois avaliamos o rendemento da reparación.Na segunda fase, tamén completamos o modelo AMCB que construímos Mantemento”.
Bergen dixo que o panel de proba usado para probar o rendemento da reparación foi fabricado usando a mesma liñaxe de laminados e materiais básicos que AMCB fabricado por Seemann Composites, "pero reducimos o grosor do panel de 0,375 polgadas a 0,175 polgadas, baseándonos no teorema do eixe paralelo. .Este é o caso.O método, xunto cos elementos adicionais da teoría do feixe e da teoría clásica do laminado [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, utilizouse o modelo de análise de elementos finitos [FEA] desenvolvido por XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, EUA) para mellorar o deseño das reparacións estruturais.O tecido de fibra de carbono utilizado para os paneis de proba e o modelo AMCB foi adquirido a Vectorply, e o núcleo de balsa foi feito por Core Composites (Bristol, RI, EUA) proporcionado.
Paso 1. Este panel de proba mostra un burato 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. Use un moedor manual alimentado por batería para eliminar o material danado e encerra o parche de reparación cun cónico 12:1.
"Queremos simular un maior grao de dano na placa de proba do que se pode ver na plataforma da ponte no campo", explicou Bergen."Entón, o noso método é usar unha serra de burato para facer un burato de 3 polgadas de diámetro.Despois, retiramos o tapón do material danado e usamos unha moedora pneumática manual para procesar unha bufanda 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 preimpregnado cortarase ao ancho e ao longo para que coincida co cono da zona danada."Para o noso panel de proba, isto require catro capas de preimpregnado para manter o material de reparación consistente coa parte superior do panel de carbono orixinal non danado.Despois diso, as tres capas de recubrimento de carbono/preimpregnado epoxi concéntranse nesta parte reparada.Cada capa sucesiva esténdese 1 polgada por todos os lados da capa inferior, o que proporciona unha transferencia gradual de carga desde o "bo" material circundante á área reparada.O tempo total para realizar esta reparación, incluída a preparación da zona de reparación, o corte e colocación do material de restauración e a aplicación do procedemento de curado, é de aproximadamente 2,5 horas.
Para o preimpregnado de fibra de carbono/epoxi, a área de reparación envasa ao baleiro e cura a 210 °F/99 °C durante unha hora usando unha unión térmica 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 viniléster Sunrez baséase na experiencia naval anterior co fundador da compañía, Mark Livesay", explicou Bergen."Primeiro proporcionamos a Sunrez un tecido de vidro case isotrópico, utilizando o seu preimpregnado de viniléster, 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 proporciona un rendemento de adhesión secundario axeitado, polo que son necesarios 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/vinil éster", 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 no campo moi frías/conxeladas.Curado sen aportar calor.Crane sinalou que estes traballos de reparación poden rematar nunha hora.
Ambos sistemas de parches foron demostrados e probados.Para cada reparación, márcase a zona a danar (paso 1), créase cunha serra de burato e, a continuación, elimínase mediante un moedor manual alimentado por batería (paso 2).A continuación, corte a zona reparada nun cónico de 12:1.Limpe a superficie da bufanda cunha almofada de alcohol (paso 3).A continuación, corta o parche de reparación a un tamaño determinado, colócao na superficie limpa (paso 4) e consolídao cun rolo para eliminar as burbullas de aire.Para o preimpregnado de fibra de vidro/viníster de curado UV, coloque a capa de liberación na zona reparada e cure o parche cunha lámpada UV sen fíos durante seis minutos (paso 5).Para o preimpregnado de fibra de carbono/epoxi, use un adhesivo térmico preprogramado, dun só botón, alimentado por batería para envasar ao baleiro e curar a área reparada a 210 °F/99 °C durante unha hora.
Paso 5. Despois de colocar a capa de pelado na zona reparada, use unha lámpada UV sen fíos para curar o parche durante 6 minutos.
"Entón realizamos probas para avaliar a adherencia do parche e a súa capacidade para restaurar a capacidade de carga da estrutura", dixo Bergen.“Na primeira etapa, temos que demostrar a facilidade de aplicación e a capacidade de recuperar polo menos o 75% da forza.Isto faise dobrando en catro puntos un feixe de fibra de carbono/resina epoxi de 4 x 48 polgadas e núcleo de balsa despois de reparar o dano simulado.Si.A segunda fase do proxecto utilizou un panel de 12 x 48 polgadas e debe presentar máis do 90% de requisitos de resistencia baixo cargas de tensión complexas.Cumprimos todos estes requisitos e despois fotografamos os métodos de reparación no modelo AMCB.Como usar a tecnoloxía e o equipamento no campo para proporcionar unha referencia visual".
Un aspecto clave do proxecto é demostrar que os novatos poden completar facilmente a reparación.Por iso, Bergen tivo unha idea: "Prometín demostrarlle 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 ningún problema.
Figura 2 A máquina de unión térmica de curado con batería preprogramada e alimentada por batería pode curar o parche de reparación de fibra de carbono/epoxi con só premer un botón, sen necesidade de coñecementos de reparación ou programación do ciclo de curado.Fonte da imaxe: Custom Technologies, LLC
Outro desenvolvemento clave é o sistema de curado alimentado por batería (Figura 2)."A través do mantemento no campo, 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 alimentada por batería desenvolvida conxuntamente por Custom Technologies e o provedor de máquinas de unión térmica WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, EUA)."Esta unión térmica alimentada por batería está preprogramada para completar o curado, polo que os novatos non necesitan programar o ciclo de curado", dixo Crane."Só precisan premer un botón para completar a rampla adecuada e remollo".As baterías que se usan actualmente poden durar un ano antes de ter que recargalas.
Coa finalización da segunda fase do proxecto, Custom Technologies está a preparar propostas de mellora de seguimento e recollendo cartas de interese e apoio."O noso obxectivo é madurar esta tecnoloxía ata TRL 8 e levala ao campo", dixo Bergen."Tamén vemos o potencial de aplicacións non militares".
Explica a vella arte detrás do primeiro reforzo de fibra da industria e ten un coñecemento profundo da nova ciencia da fibra e do desenvolvemento futuro.
Próximamente e voando por primeira vez, o 787 confía nas innovacións en materiais e procesos compostos para acadar os seus obxectivos
Hora de publicación: 02-09-2021