Портативний комплект можна відремонтувати за допомогою УФ-твердіючого скловолокна/вінілового естеру або вуглецевого волокна/епоксидного препрегу, що зберігається за кімнатної температури, та обладнання для затвердіння, що працює від батарейок. #виробництвовсередині #інфраструктура
Ремонт препрегом, що твердне під дією ультрафіолетового випромінювання. Хоча ремонт препрегом з вуглецевого волокна/епоксидної смоли, розроблений компанією Custom Technologies LLC для композитного мосту всередині поля, виявився простим і швидким, використання вінілефірної смоли Prepreg, армованої скловолокном і твердне під дією ультрафіолетового випромінювання, дозволило розробити більш зручну систему. Джерело зображення: Custom Technologies LLC
Модульні розгортальні мости є критично важливими ресурсами для військових тактичних операцій та логістики, а також для відновлення транспортної інфраструктури під час стихійних лих. Вивчаються композитні конструкції для зменшення ваги таких мостів, тим самим зменшуючи навантаження на транспортні засоби та механізми запуску та відновлення. Порівняно з металевими мостами, композитні матеріали також мають потенціал для збільшення несучої здатності та подовження терміну служби.
Прикладом є вдосконалений модульний композитний міст (AMCB). Seemann Composites LLC (Галфпорт, Міссісіпі, США) та Materials Sciences LLC (Хоршем, Пенсільванія, США) використовують епоксидні ламінати, армовані вуглецевим волокном (Рисунок 1). ) Проектування та будівництво). Однак можливість ремонту таких конструкцій у польових умовах була проблемою, яка перешкоджає впровадженню композитних матеріалів.
Рисунок 1. Композитний міст, ключовий актив внутрішньої галузі. Вдосконалений модульний композитний міст (AMCB) був спроектований та побудований компаніями Seemann Composites LLC та Materials Sciences LLC з використанням епоксидних смоляних композитів, армованих вуглецевим волокном. Джерело зображення: Seeman Composites LLC (ліворуч) та армія США (праворуч).
У 2016 році компанія Custom Technologies LLC (Міллерсвілл, штат Меріленд, США) отримала грант Фази 1 програми Small Business Innovation Research (SBIR), що фінансується армією США, на розробку методу ремонту, який солдати можуть успішно виконувати на місці. На основі цього підходу у 2018 році було надано другий етап гранту SBIR для демонстрації нових матеріалів та обладнання, що працює на батарейках. Навіть якщо латання виконується новачком без попередньої підготовки, можна відновити 90% або більше конструкції до повної міцності. Доцільність технології визначається шляхом проведення серії аналізів, вибору матеріалів, виготовлення зразків та механічних випробувань, а також дрібномасштабного та повномасштабного ремонту.
Головним дослідником у двох фазах SBIR є Майкл Берген, засновник і президент Custom Technologies LLC. Берген вийшов на пенсію з Кардерока в Центрі надводних бойових дій Військово-морських сил (NSWC) і прослужив у Департаменті конструкцій та матеріалів 27 років, де керував розробкою та застосуванням композитних технологій у флоті ВМС США. Доктор Роджер Крейн приєднався до Custom Technologies у 2015 році після виходу на пенсію з ВМС США у 2011 році та прослужив там 32 роки. Його експертиза в галузі композитних матеріалів включає технічні публікації та патенти, що охоплюють такі теми, як нові композитні матеріали, виготовлення прототипів, методи з'єднання, багатофункціональні композитні матеріали, моніторинг стану конструкцій та відновлення композитних матеріалів.
Два експерти розробили унікальний процес, який використовує композитні матеріали для ремонту тріщин в алюмінієвій надбудові ракетного крейсера класу CG-47 Ticonderoga 5456. «Цей процес був розроблений для зменшення зростання тріщин та як економічна альтернатива заміні платформної дошки вартістю від 2 до 4 мільйонів доларів», – сказав Берген. «Таким чином, ми довели, що знаємо, як виконувати ремонт поза лабораторією та в реальних умовах експлуатації. Але проблема полягає в тому, що сучасні методи ремонту військових активів не дуже успішні. Варіантом є дуплексний ремонт [в основному, в пошкоджених ділянках приклеювання дошки зверху] або виведення активу з експлуатації для ремонту на складському рівні (рівень D). Оскільки потрібен ремонт рівня D, багато активів відкладаються».
Далі він зазначив, що потрібен метод, який можуть виконувати солдати без досвіду роботи з композитними матеріалами, використовуючи лише комплекти та інструкції з обслуговування. Наша мета — зробити процес простим: прочитати інструкцію, оцінити пошкодження та виконати ремонт. Ми не хочемо змішувати рідкі смоли, оскільки це вимагає точного вимірювання для забезпечення повного затвердіння. Нам також потрібна система без небезпечних відходів після завершення ремонту. І вона повинна бути упакована у вигляді комплекту, який можна розгорнути існуючою мережею.
Одним із рішень, яке успішно продемонструвала компанія Custom Technologies, є портативний комплект, що використовує зміцнений епоксидний клей для налаштування клейкої композитної латки відповідно до розміру пошкодження (до 12 квадратних дюймів). Демонстрація була проведена на композитному матеріалі, що представляє собою 3-дюймову палубу AMCB. Композитний матеріал має 3-дюймовий товщиною серцевину з бальсової деревини (щільність 15 фунтів на кубічний фут) та два шари двоосьово прошитої тканини Vectorply (Фенікс, Аризона, США) C-LT 1100 з вуглецевого волокна 0°/90°, один шар вуглецевого волокна C-TLX 1900 з трьома валами 0°/+45°/-45° та два шари C-LT 1100, загалом п'ять шарів. «Ми вирішили, що комплект використовуватиме попередньо виготовлені латки в квазіізотропному ламінаті, подібному до багатоосьового, щоб напрямок тканини не був проблемою», – сказав Крейн.
Наступне питання — це смоляна матриця, яка використовується для ремонту ламінату. Щоб уникнути змішування рідкої смоли, для латки використовуватиметься препрег. «Однак ці проблеми пов’язані зі зберіганням», — пояснив Берген. Щоб розробити рішення для латки, яке можна зберігати, Custom Technologies у партнерстві з Sunrez Corp. (Ель-Кахон, Каліфорнія, США) розробила препрег зі скловолокна/вінілового естеру, який може використовувати ультрафіолетове світло (УФ) за шість хвилин і затвердівати світлом. Компанія також співпрацювала з Gougeon Brothers (Бей-Сіті, Мічиган, США), які запропонували використовувати нову гнучку епоксидну плівку.
Ранні дослідження показали, що епоксидна смола є найбільш підходящою смолою для препрегів з вуглецевого волокна: вініловий естер, що твердне під дією ультрафіолетового випромінювання, та напівпрозоре скловолокно добре працюють, але не тверднуть під світлоблокуючим вуглецевим волокном. Згідно з новою плівкою Gougeon Brothers, кінцевий епоксидний препрег твердне протягом 1 години при температурі 99°C та має тривалий термін зберігання при кімнатній температурі – немає потреби в зберіганні при низьких температурах. Берген сказав, що якщо потрібна вища температура склування (Tg), смола також буде тверднути при вищій температурі, наприклад, 177°C. Обидва препреги постачаються в портативному ремонтному комплекті у вигляді стопки латок препрегів, запечатаних у пластикову плівку.
Оскільки ремкомплект може зберігатися протягом тривалого часу, компанія Custom Technologies повинна провести дослідження терміну придатності. «Ми придбали чотири тверді пластикові корпуси — типовий військовий тип, що використовується в транспортному обладнанні — і помістили в кожен корпус зразки епоксидного клею та вінілестерного препрегу», — сказав Берген. Потім корпуси були розміщені в чотирьох різних місцях для випробувань: на даху заводу Gougeon Brothers у Мічигані, на даху аеропорту Меріленду, на відкритому повітрі в долині Юкка (пустеля Каліфорнії) та у відкритій лабораторії корозійних випробувань на півдні Флориди. Берген зазначає, що всі корпуси мають реєстратори даних. «Ми беремо дані та зразки матеріалів для оцінки кожні три місяці. Максимальна температура, зафіксована в корпусах у Флориді та Каліфорнії, становить 140°F, що добре для більшості реставраційних смол. Це справжній виклик». Крім того, Gougeon Brothers провели внутрішні випробування нещодавно розробленої чистої епоксидної смоли. «Зразки, які були поміщені в піч при температурі 120°F протягом кількох місяців, починають полімеризуватися», — сказав Берген. «Однак, для відповідних зразків, що зберігалися при температурі 110°F (43°C), хімічний склад смоли покращився лише незначно».
Ремонт було перевірено на тестовій дошці та цій масштабній моделі AMCB, в якій використовувався той самий ламінат та матеріал серцевини, що й в оригінальному мосту, побудованому Seemann Composites. Джерело зображення: Custom Technologies LLC
Щоб продемонструвати техніку ремонту, необхідно виготовити, пошкодити та відремонтувати репрезентативний ламінат. «На першому етапі проекту ми спочатку використовували невеликі балки розміром 4 x 48 дюймів та чотириточкові випробування на вигин, щоб оцінити доцільність нашого процесу ремонту», – сказав Кляйн. «Потім на другому етапі проекту ми перейшли до панелей розміром 12 x 48 дюймів, застосували навантаження для створення двовісного напруженого стану, що спричиняє руйнування, а потім оцінили ефективність ремонту. На другому етапі ми також завершили створену нами модель AMCB для обслуговування».
Берген сказав, що випробувальна панель, яка використовувалася для підтвердження ремонтних характеристик, була виготовлена з використанням тієї ж лінійки ламінатів та серцевинних матеріалів, що й AMCB, виготовлений Seemann Composites, «але ми зменшили товщину панелі з 0,375 дюйма до 0,175 дюйма, виходячи з теореми про паралельні осі. Це так. Метод, разом з додатковими елементами теорії балок та класичної теорії ламінату [CLT], був використаний для зв'язку моменту інерції та ефективної жорсткості повномасштабного AMCB з демонстраційним продуктом меншого розміру, який легший у використанні та більш економічно ефективний. Потім ми... Модель аналізу скінченних елементів [FEA], розроблена XCraft Inc. (Бостон, Массачусетс, США), була використана для покращення проекту ремонту конструкцій». Вуглецева тканина, яка використовувалася для випробувальних панелей та моделі AMCB, була придбана у Vectorply, а бальсовий сердечник був виготовлений Core Composites (Брістоль, Род-Айленд, США).
Крок 1. Ця тестова панель відображає отвір діаметром 3 дюйми для імітації пошкодження, позначеного в центрі, та ремонту по колу. Джерело фотографій для всіх кроків: Custom Technologies LLC.
Крок 2. Використовуйте ручну шліфувальну машину з акумуляторним живленням, щоб видалити пошкоджений матеріал, і закрийте латку ремонту конусністю 12:1.
«Ми хочемо змоделювати на тестовій дошці вищий ступінь пошкодження, ніж той, який можна побачити на мостовому настилі в польових умовах», – пояснив Берген. «Тому наш метод полягає у використанні кільцевої пилки для виготовлення отвору діаметром 3 дюйми. Потім ми витягуємо заглушку пошкодженого матеріалу та використовуємо ручну пневматичну шліфувальну машину для обробки шару 12:1».
Крейн пояснив, що для ремонту вуглецевого волокна/епоксидної смоли, після видалення «пошкодженого» матеріалу панелі та нанесення відповідного шару, препрег буде розрізаний по ширині та довжині, щоб відповідати конусу пошкодженої ділянки. «Для нашої тестової панелі це вимагає чотирьох шарів препрегу, щоб ремонтний матеріал залишався однаковим з верхньою частиною оригінальної непошкодженої вуглецевої панелі. Після цього три покривні шари вуглецевого/епоксидного препрегу концентруються на цій відремонтованій частині. Кожен наступний шар поширюється на 1 дюйм з усіх боків нижнього шару, що забезпечує поступове перенесення навантаження від «хорошого» навколишнього матеріалу до відремонтованої ділянки». Загальний час виконання цього ремонту, включаючи підготовку ділянки ремонту, різання та розміщення відновлювального матеріалу та нанесення процедури затвердіння, становить приблизно 2,5 години.
Для препрегу з вуглецевого волокна/епоксидної смоли ремонтна ділянка упаковується у вакуумну упаковку та затвердіває при температурі 99°C протягом однієї години за допомогою термосклеювального апарату з живленням від батареї.
Хоча ремонт вуглецем/епоксидною смолою є простим і швидким, команда усвідомила потребу в більш зручному рішенні для відновлення експлуатаційних характеристик. Це призвело до дослідження препрегів, що затвердівають ультрафіолетовим (УФ) випромінюванням. «Інтерес до вінілефірних смол Sunrez ґрунтується на попередньому досвіді роботи у ВМС із засновником компанії Марком Лівесеєм», – пояснив Берген. «Спочатку ми надали Sunrez квазіізотропну склотканину, використовуючи їхній вінілефірний препрег, і оцінили криву затвердіння за різних умов. Крім того, оскільки ми знаємо, що вінілефірна смола, не така як епоксидна смола, забезпечує відповідні вторинні адгезійні характеристики, потрібні додаткові зусилля для оцінки різних сполучних агентів адгезійного шару та визначення того, який з них підходить для конкретного застосування».
Ще одна проблема полягає в тому, що скловолокно не може забезпечити такі ж механічні властивості, як вуглецеві волокна. «Порівняно з вуглецево-епоксидною латкою, ця проблема вирішується використанням додаткового шару скло/вінілового естеру», – сказав Крейн. «Причина, чому потрібен лише один додатковий шар, полягає в тому, що скломатеріал є важчою тканиною». Це дозволяє отримати відповідну латку, яку можна нанести та поєднати протягом шести хвилин навіть за дуже низьких/морозних температур на внутрішньому полі. Вона твердне без нагрівання. Крейн зазначив, що ці ремонтні роботи можна виконати протягом години.
Обидві системи латок були продемонстровані та протестовані. Для кожного ремонту ділянка, яка має бути пошкоджена, позначається (крок 1), створюється за допомогою кільцевої пилки, а потім видаляється за допомогою ручної шліфувальної машини з живленням від акумулятора (крок 2). Потім відремонтовану ділянку розрізають на конусність 12:1. Очистіть поверхню шару спиртовою серветкою (крок 3). Далі відріжте ремонтну латку певного розміру, помістіть її на очищену поверхню (крок 4) та закріпіть валиком, щоб видалити бульбашки повітря. Для препрегу зі скловолокна/вінілестеру, що затвердіває ультрафіолетовим випромінюванням, потім помістіть роздільний шар на відремонтовану ділянку та висушіть латку бездротовою ультрафіолетовою лампою протягом шести хвилин (крок 5). Для препрегу з вуглецевого волокна/епоксидного матеріалу використовуйте попередньо запрограмований термосклеювальний пристрій з однією кнопкою та живленням від акумулятора для вакуумного пакування та висушування відремонтованої ділянки при температурі 99°C протягом однієї години.
Крок 5. Після розміщення шару пілінгу на відремонтованій ділянці, використовуйте бездротову УФ-лампу для полімеризації латки протягом 6 хвилин.
«Потім ми провели випробування, щоб оцінити адгезійність латки та її здатність відновлювати несучу здатність конструкції», – сказав Берген. «На першому етапі нам потрібно довести легкість нанесення та здатність відновлювати щонайменше 75% міцності. Це робиться шляхом чотириточкового згинання балки з вуглецевого волокна/епоксидної смоли та бальсового сердечника розміром 4 x 48 дюймів після ремонту змодельованих пошкоджень. Так. На другому етапі проекту використовувалася панель розміром 12 x 48 дюймів, і вона повинна демонструвати понад 90% вимог до міцності при складних деформаційних навантаженнях. Ми виконали всі ці вимоги, а потім сфотографували методи ремонту на моделі AMCB. Як використовувати технології та обладнання для внутрішньопромислового використання для візуального огляду».
Ключовим аспектом проекту є доведення того, що новачки можуть легко виконати ремонт. З цієї причини в Бергена виникла ідея: «Я пообіцяв продемонструвати це нашим двом технічним контактам в армії: доктору Бернарду Сія та Ешлі Дженні. Під час заключного огляду першого етапу проекту я попросив не проводити ремонт. Досвідчена Ешлі виконала ремонт. Використовуючи наданий нами комплект та інструкцію, вона наклала латку та без жодних проблем завершила ремонт».
Рисунок 2. Попередньо запрограмована машина для термічного склеювання з живленням від батареї може затвердіти латку з вуглецевого волокна/епоксидної смоли одним натисканням кнопки, без необхідності знань про ремонт або програмування циклу затвердіння. Джерело зображення: Custom Technologies, LLC
Ще однією ключовою розробкою є система затвердіння з живленням від батареї (рис. 2). «Під час обслуговування в польових умовах у вас є живлення лише від батареї», – зазначив Берген. «Усе технологічне обладнання в розробленому нами ремонтному комплекті є бездротовим». Це включає машину для термічного з'єднання з живленням від батареї, розроблену спільно компанією Custom Technologies та постачальником машин для термічного з'єднання WichiTech Industries Inc. (Рандаллстаун, Меріленд, США). «Цей пристрій для термічного з'єднання з живленням від батареї попередньо запрограмований на завершення затвердіння, тому новачкам не потрібно програмувати цикл затвердіння», – сказав Крейн. «Їм просто потрібно натиснути кнопку, щоб завершити належне нарощування та витримку». Акумулятори, що використовуються зараз, можуть працювати рік, перш ніж їх потрібно буде заряджати.
Із завершенням другої фази проекту, Custom Technologies готує подальші пропозиції щодо вдосконалення та збирає листи зацікавленості та підтримки. «Наша мета — довести цю технологію до рівня TRL 8 та впровадити її в польові умови», — сказав Берген. «Ми також бачимо потенціал для невійськового застосування».
Пояснює старе мистецтво, що стоїть за першим у галузі армування волокнами, та має глибоке розуміння нової науки про волокна та їхнього майбутнього розвитку.
Незабаром, і вперше здійснивши політ, 787 спирається на інновації в композитних матеріалах і процесах для досягнення своїх цілей.
Час публікації: 02 вересня 2021 р.