Портативний набір можна відремонтувати за допомогою скловолокна/вінілового ефіру або препрегу з вуглецевого волокна/епоксиду, які зберігаються при кімнатній температурі, і обладнання для затвердіння, що живиться від батареї. #insidemanufacturing #інфраструктура
Ремонт препрегів, що відверджуються ультрафіолетовим випромінюванням. Незважаючи на те, що ремонт препрегів із вуглецевого волокна/епоксидної смоли, розроблений компанією Custom Technologies LLC для внутрішнього композитного мосту, виявився простим і швидким, використання препрегу з вінілової ефірної смоли, армованого скловолокном, що отверджується під дією ультрафіолетових променів, створило більш зручну систему. Джерело зображення: Custom Technologies LLC
Модульні розгорнуті мости є критично важливими активами для військово-тактичних операцій і матеріально-технічного забезпечення, а також відновлення транспортної інфраструктури під час стихійних лих. Вивчаються композитні конструкції, щоб зменшити вагу таких мостів, тим самим зменшивши навантаження на транспортні засоби та пусково-підйомні механізми. Порівняно з металевими мостами, композитні матеріали також можуть збільшити несучу здатність і подовжити термін служби.
Прикладом є Advanced Modular Composite Bridge (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, US) і Materials Sciences LLC (Horsham, PA, US) використовують епоксидні ламінати, армовані вуглецевим волокном (рис. 1). ) Проектування та будівництво). Однак здатність ремонтувати такі конструкції в польових умовах була проблемою, яка перешкоджала прийняттю композитних матеріалів.
Малюнок 1 Композитний міст, ключовий внутрішній актив. Удосконалений модульний композитний міст (AMCB) був розроблений і побудований компаніями Seemann Composites LLC і Materials Sciences LLC з використанням композитів з епоксидної смоли, армованих вуглецевим волокном. Джерело зображення: Seeman Composites LLC (ліворуч) і армія США (праворуч).
У 2016 році компанія Custom Technologies LLC (Міллерсвілл, штат Меріленд, США) отримала фінансований армією США грант Фази 1 Інноваційного дослідження малого бізнесу (SBIR) для розробки методу ремонту, який солдати можуть успішно виконувати на місці. На основі цього підходу в 2018 році було присуджено другу фазу гранту SBIR, щоб продемонструвати нові матеріали та обладнання, що працює від акумуляторів. Навіть якщо латку виконує новачок без попереднього навчання, 90% або більше конструкції можна відновити. Здійсненність технології визначається виконанням серії аналізів, відбору матеріалів, виготовлення зразків і механічних випробувань, а також дрібномасштабних і повномасштабних ремонтів.
Головним дослідником у двох фазах SBIR є Майкл Берген, засновник і президент Custom Technologies LLC. Берген пішов у відставку з Кардерока Морського надводного бойового центру (NSWC) і 27 років прослужив у відділі конструкцій і матеріалів, де керував розробкою та застосуванням композитних технологій у флоті ВМС США. Доктор Роджер Крейн приєднався до Custom Technologies у 2015 році після звільнення з ВМС США у 2011 році та прослужив 32 роки. Його досвід роботи з композиційними матеріалами включає технічні публікації та патенти, що охоплюють такі теми, як нові композитні матеріали, виготовлення прототипів, методи з’єднання, багатофункціональні композитні матеріали, структурний моніторинг здоров’я та відновлення композитних матеріалів.
Два експерти розробили унікальний процес, який використовує композитні матеріали для ремонту тріщин в алюмінієвій надбудові керованого ракетного крейсера 5456 класу Ticonderoga CG-47. «Цей процес був розроблений, щоб зменшити зростання тріщин і служити економічною альтернативою заміні борту платформи вартістю від 2 до 4 мільйонів доларів», - сказав Берген. "Тож ми довели, що знаємо, як виконувати ремонт поза лабораторією та в реальному сервісному середовищі. Але проблема полягає в тому, що поточні методи військового майна не дуже успішні. Варіантом є зв’язаний дуплексний ремонт [в основному на пошкоджених ділянках, приклейте дошку до верху] або вилучіть актив з експлуатації для ремонту на складському рівні (рівень D). Оскільки потрібен ремонт на рівні D, багато активів відкладаються".
Далі він сказав, що потрібен метод, який могли б застосувати солдати без досвіду роботи з композитними матеріалами, використовуючи лише комплекти та посібники з обслуговування. Наша мета — зробити процес простим: прочитайте посібник, оцініть пошкодження та виконайте 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 він повинен бути упакований як комплект, який можна розгорнути в існуючій мережі. »
Одне з рішень, успішно продемонстроване компанією Custom Technologies, — це портативний набір, у якому використовується посилений епоксидний клей для налаштування клейової композитної латки відповідно до розміру пошкодження (до 12 квадратних дюймів). Демонстрація була завершена на композитному матеріалі, який представляв собою деку AMCB товщиною 3 дюйми. Композитний матеріал має серцевину з бальзової деревини товщиною 3 дюйми (щільність 15 фунтів на кубічний фут) і два шари вуглецевого волокна Vectorply (Фенікс, штат Арізона, США) C-LT 1100 з двовісного зшивання 0°/90°, один шар вуглецевого волокна C-TLX 1900 0°/+45°/-45°, три вали та два шари C-LT 1100, всього п'ять шарів. «Ми вирішили, що набір використовуватиме готові латки в квазіізотропному ламінаті, подібному до багатоосьового, тому напрям тканини не буде проблемою», — сказав Крейн.
Наступна проблема — смоляна матриця, яка використовується для ремонту ламінату. Щоб уникнути змішування рідкої смоли, пластир буде використовувати препрег. «Однак ці проблеми пов’язані зі зберіганням», – пояснив Берген. Щоб розробити патч-рішення, яке можна зберігати, Custom Technologies співпрацює з Sunrez Corp. (Ель-Кахон, Каліфорнія, США) для розробки препрегу скловолокна/вінілового ефіру, який може використовувати ультрафіолетове світло (УФ) за шість хвилин. Світлове затвердіння. Він також співпрацював з Gougeon Brothers (Бей-Сіті, штат Мічиган, США), який запропонував використовувати нову гнучку епоксидну плівку.
Ранні дослідження показали, що епоксидна смола є найбільш підходящою смолою для препрегів вуглецевого волокна. Вініловий ефір і напівпрозоре скловолокно, що відверджується УФ-випромінюванням, добре працюють, але не твердіють під світлоблокуючим вуглецевим волокном. Заснований на новій плівці Gougeon Brothers, остаточний епоксидний препрег твердне протягом 1 години при 210°F/99°C і має тривалий термін зберігання при кімнатній температурі – немає необхідності зберігати при низькій температурі. Берген сказав, що якщо потрібна вища температура склування (Tg), смола також буде затвердіти при вищій температурі, наприклад 350°F/177°C. Обидва препреги надаються в портативному ремонтному наборі у вигляді стопки препрегів, запечатаних у конверті з пластикової плівки.
Оскільки ремкомплект може зберігатися тривалий час, компанія Custom Technologies повинна провести дослідження терміну придатності. «Ми придбали чотири тверді пластикові корпуси — типовий військовий тип, який використовується в транспортному обладнанні — і помістили зразки епоксидного клею та препрегу вінілового ефіру в кожен корпус», — сказав Берген. Потім ящики розмістили в чотирьох різних місцях для тестування: на даху фабрики Gougeon Brothers у Мічигані, на даху аеропорту Меріленд, на відкритому повітрі в Юкка-Веллі (Каліфорнійська пустеля) і в відкритій лабораторії для тестування на корозію на півдні Флориди. У всіх випадках є реєстратори даних, Берген зазначає: "Ми беремо зразки даних і матеріалів для оцінки кожні три місяці. Максимальна температура, зареєстрована в боксах у Флориді та Каліфорнії, становить 140°F, що добре для більшості реставраційних смол. Це справжня проблема". Крім того, компанія Gougeon Brothers провела внутрішні випробування нещодавно розробленої чистої епоксидної смоли. «Зразки, які були поміщені в духовку при 120°F на кілька місяців, починають полімеризуватися», — сказав Берген. «Однак для відповідних зразків, які зберігалися при 110°F, хімічний склад смоли лише незначно покращився».
Ремонт було перевірено на тестовій дошці та цій масштабній моделі AMCB, у якій використовувався той самий ламінат і матеріал сердечника, що й оригінальний міст, побудований компанією Seemann Composites. Джерело зображення: Custom Technologies LLC
Щоб продемонструвати техніку ремонту, репрезентативний ламінат необхідно виготовити, пошкодити та відремонтувати. «На першому етапі проекту ми спочатку використовували невеликі балки розміром 4 x 48 дюймів і випробування на вигин у чотирьох точках, щоб оцінити доцільність нашого процесу ремонту», — сказав Кляйн. "Потім на другому етапі проекту ми перейшли до панелей розміром 12 x 48 дюймів, застосовували навантаження для створення двовісного напруженого стану, що спричинило збій, а потім оцінили ефективність ремонту. На другому етапі ми також завершили модель AMCB, яку ми створили для технічного обслуговування".
Берген сказав, що тестова панель, яка використовується для підтвердження ефективності ремонту, була виготовлена з використанням тієї ж лінії ламінатів і основних матеріалів, що й AMCB виробництва Seemann Composites, "але ми зменшили товщину панелі з 0,375 дюйма до 0,175 дюйма на основі теореми паралельної осі. Це так. Цей метод разом із додатковими елементами теорії балок і класичної теорії ламінату [CLT], було використано, щоб зв’язати момент інерції та ефективну жорсткість повномасштабного AMCB з демонстраційним продуктом меншого розміру, який легший у використанні та є більш економічно ефективним. Потім ми використали модель кінцевого елементного аналізу [FEA], розроблену компанією XCraft Inc. (Бостон, штат Массачусетс, США), щоб покращити конструкцію структурного ремонту». Тканина з вуглецевого волокна, яка використовувалася для тестових панелей і моделі AMCB, була придбана у Vectorply, а серцевина з бальзи була виготовлена компанією Core Composites (Брістоль, Род-Айленд, США).
Крок 1. На цій тестовій панелі показано отвір діаметром 3 дюйми для імітації пошкодження, позначеного в центрі, і ремонту по колу. Джерело фото для всіх етапів: ТОВ «Комстон Технолоджис».
Крок 2. Використовуйте ручну шліфувальну машину з живленням від батареї, щоб видалити пошкоджений матеріал і закрити ремонтну латку конусом 12:1.
«Ми хочемо змоделювати вищий ступінь пошкодження на тестовій дошці, ніж можна побачити на настилі мосту в польових умовах», — пояснив Берген. "Тож наш метод полягає в тому, щоб використовувати дірочну пилку, щоб зробити отвір діаметром 3 дюйми. Потім ми витягуємо пробку з пошкодженого матеріалу та використовуємо ручну пневматичну шліфувальну машину, щоб обробити шарф 12:1".
Крейн пояснив, що для ремонту з вуглецевого волокна/епоксидної смоли після видалення «пошкодженого» матеріалу панелі та накладення відповідної косинки препрег буде розрізаний на ширину та довжину відповідно до конусності пошкодженої ділянки. "Для нашої випробувальної панелі це вимагає чотирьох шарів препрега, щоб підтримувати ремонтний матеріал у відповідності з верхньою частиною оригінальної непошкодженої карбонової панелі. Після цього три шари покриття з вуглецевого/епоксидного препрега зосереджуються на цій відремонтованій частині. Кожен наступний шар простягається на 1 дюйм з усіх боків нижнього шару, що забезпечує поступову передачу навантаження від "хорошого" навколишнього матеріалу до відремонтованої ділянки". Загальний час виконання цього ремонту, включаючи підготовку зони ремонту, вирізання та розміщення реставраційного матеріалу та застосування процедури затвердіння, становить приблизно 2,5 години.
Для препрегу з вуглецевого волокна/епоксидної смоли ділянку ремонту запаковують під вакуумом і затверджують при 210°F/99°C протягом однієї години за допомогою термосклеювача, що живиться від батареї.
Незважаючи на те, що ремонт вуглецевих/епоксидних смол простий і швидкий, команда визнала потребу в більш зручному рішенні для відновлення працездатності. Це призвело до дослідження ультрафіолетових (УФ) твердих препрегів. «Інтерес до вінілефірних смол Sunrez ґрунтується на попередньому військовому досвіді із засновником компанії Марком Лівсі», — пояснив Берген. "Спочатку ми забезпечили Sunrez квазіізотропною склотканиною, використовуючи їх препрег вінілового ефіру, і оцінили криву затвердіння за різних умов. Крім того, оскільки ми знаємо, що вінілефірна смола не схожа на епоксидну смолу, яка забезпечує належну вторинну адгезію, тому потрібні додаткові зусилля для оцінки різних зв’язуючих речовин для клейового шару та визначення того, який з них підходить для застосування".
Інша проблема полягає в тому, що скляні волокна не можуть забезпечити такі ж механічні властивості, як вуглецеві волокна. «Порівняно з вугільно-епоксидною латкою, ця проблема вирішується за допомогою додаткового шару скла/вінілового ефіру», — сказав Крейн. «Причина, чому потрібен лише один додатковий шар, полягає в тому, що скляний матеріал є важчою тканиною». Таким чином утворюється відповідний пластир, який можна нанести та з’єднати протягом шести хвилин навіть за дуже низьких/морозних температур на території. Затвердіння без надання тепла. Крайн зазначив, що ці ремонтні роботи можуть бути завершені протягом години.
Обидві системи латок були продемонстровані та випробувані. Для кожного ремонту ділянка, яку потрібно пошкодити, позначається (крок 1), створюється за допомогою кільцевої пилки, а потім видаляється за допомогою ручної шліфувальної машини з живленням від акумулятора (крок 2). Потім виріжте відремонтовану ділянку на конус 12:1. Очистіть поверхню шарфа спиртовою серветкою (крок 3). Далі виріжте ремонтну латку певного розміру, помістіть її на очищену поверхню (крок 4) і закріпіть валиком, щоб видалити бульбашки повітря. Для препрегу скловолокна/вінілового ефіру, що затверджується ультрафіолетовим випромінюванням, потім помістіть знімний шар на відремонтовану ділянку та полімеризуйте латку за допомогою бездротової УФ-лампи протягом шести хвилин (крок 5). Для препрегу з вуглецевого волокна/епоксидної смоли скористайтеся попередньо запрограмованим термоз’єднувачем, який працює однією кнопкою та живиться від батареї, щоб запакувати у вакуум і затвердіти відремонтовану ділянку при 210°F/99°C протягом однієї години.
Крок 5. Після нанесення відшаровуваного шару на відремонтовану ділянку за допомогою бездротової УФ-лампи полімеризуйте пластир протягом 6 хвилин.
«Потім ми провели випробування, щоб оцінити клейкість пластиру та його здатність відновлювати несучу здатність конструкції», — сказав Берген. "На першому етапі ми повинні довести легкість нанесення та здатність відновити принаймні 75% міцності. Це робиться шляхом чотириточкового згинання на балці з вуглецевого волокна/епоксидної смоли та бальзи розміром 4 x 48 дюймів після ремонту імітованого пошкодження. Так. На другому етапі проекту використовувалась панель розміром 12 x 48 дюймів, і вона повинна демонструвати вимоги до міцності понад 90% при складних деформаційних навантаженнях. Ми виконали всі ці вимоги, а потім сфотографували методи ремонту на моделі AMCB.
Ключовий аспект проекту — довести, що новачки можуть легко виконати ремонт. З цієї причини у Бергена виникла ідея: "Я пообіцяв продемонструвати нашим двом технічним контактним особам в армії: доктору Бернарду Сіа та Ешлі Генна. Під час остаточного перегляду першої фази проекту я попросив не ремонтувати. Досвідчена Ешлі виконала ремонт. Використовуючи комплект і посібник, які ми надали, вона застосувала латку та завершила ремонт без жодних проблем".
Малюнок 2 Попередньо запрограмована термосклеювальна машина з живленням від батареї може затвердіти ремонтну латку з вуглецевого волокна/епоксидної смоли одним натисканням кнопки, без необхідності знати про ремонт або програмувати цикл затвердіння. Джерело зображення: Custom Technologies, LLC
Іншою ключовою розробкою є система затвердіння, що живиться від батареї (рис. 2). «Завдяки внутрішньому технічному обслуговуванню у вас є лише заряд акумулятора», — зазначив Берген. «Усе технологічне обладнання в ремонтному комплекті, який ми розробили, є бездротовим». Сюди входить система термічного склеювання з живленням від батареї, розроблена спільно компанією Custom Technologies і постачальником верстатів для термосклеювання WichiTech Industries Inc. (Рендалстаун, Меріленд, США). «Цей термобондер із живленням від батареї попередньо запрограмований на повне затвердіння, тому новачкам не потрібно програмувати цикл затвердіння», — сказав Крейн. «Їм просто потрібно натиснути кнопку, щоб завершити правильний нахил і замочити». Акумулятори, які зараз використовуються, можуть працювати протягом року, перш ніж їх потрібно буде заряджати.
Після завершення другої фази проекту Custom Technologies готує подальші пропозиції щодо вдосконалення та збирає листи про зацікавленість і підтримку. «Наша мета — розвинути цю технологію до TRL 8 і запровадити її в польових умовах», — сказав Берген. «Ми також бачимо потенціал для невійськових застосувань».
Пояснює старе мистецтво, що лежить в основі першого в галузі армування волокном, і має глибоке розуміння нової науки про волокна та майбутніх розробок.
Незабаром і вперше в польоті 787 покладається на інновації в композитних матеріалах і процесах для досягнення своїх цілей
Час публікації: 02 вересня 2021 р