Pārnēsājamo komplektu var salabot ar UV starojumā cietējošu stikla šķiedru/vinila esteru vai oglekļa šķiedru/epoksīda prepregu, kas tiek glabāts istabas temperatūrā, un ar akumulatora darbināmu cietēšanas aprīkojumu. #ražošanasinterjerā #infrastruktūra
UV starojumā cietējoša preprega ielāpu remonts Lai gan Custom Technologies LLC izstrādātais oglekļa šķiedras/epoksīda preprega remonts iekšzemes kompozītmateriāla tiltam izrādījās vienkāršs un ātrs, ar stikla šķiedru pastiprinātas UV starojumā cietējošas vinilestera sveķu preprega izmantošana ir ļāvusi izveidot ērtāku sistēmu. Attēla avots: Custom Technologies LLC
Modulāri izvēršamie tilti ir kritiski svarīgi resursi militārajām taktiskajām operācijām un loģistikai, kā arī transporta infrastruktūras atjaunošanai dabas katastrofu laikā. Tiek pētītas kompozītmateriālu konstrukcijas, lai samazinātu šādu tiltu svaru, tādējādi samazinot slodzi uz transportlīdzekļiem un palaišanas un atgūšanas mehānismiem. Salīdzinot ar metāla tiltiem, kompozītmateriāliem ir arī potenciāls palielināt nestspēju un pagarināt kalpošanas laiku.
Piemērs ir uzlabotais modulārais kompozītmateriālu tilts (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfporta, Misisipi, ASV) un Materials Sciences LLC (Horsham, Pensilvānija, ASV) izmanto ar oglekļa šķiedru pastiprinātus epoksīda laminātus (1. attēls). ) Projektēšana un konstrukcija). Tomēr šādu konstrukciju remonta iespējas uz vietas ir bijusi problēma, kas kavē kompozītmateriālu ieviešanu.
1. attēls. Kompozītmateriālu tilts, galvenais iekšējās teritorijas objekts. Uzlaboto modulāro kompozītmateriālu tiltu (AMCB) projektēja un uzbūvēja Seemann Composites LLC un Materials Sciences LLC, izmantojot ar oglekļa šķiedru pastiprinātus epoksīdsveķu kompozītmateriālus. Attēla avots: Seeman Composites LLC (pa kreisi) un ASV armija (pa labi).
2016. gadā uzņēmums Custom Technologies LLC (Millersvila, Merilenda, ASV) saņēma ASV armijas finansētu Mazo uzņēmumu inovāciju pētījumu (SBIR) 1. fāzes grantu, lai izstrādātu remonta metodi, ko karavīri varētu veiksmīgi veikt uz vietas. Pamatojoties uz šo pieeju, 2018. gadā tika piešķirta SBIR granta otrā fāze, lai demonstrētu jaunus materiālus un ar akumulatoru darbināmu aprīkojumu, pat ja ielāpu veic iesācējs bez iepriekšējas apmācības, 90 % vai vairāk konstrukcijas var atjaunot neapstrādātu izturību. Tehnoloģijas iespējamība tiek noteikta, veicot virkni analīžu, materiālu atlases, paraugu izgatavošanas un mehāniskās testēšanas uzdevumu, kā arī maza un pilna mēroga remontdarbus.
Galvenais pētnieks abos SBIR posmos ir Maikls Bergens, uzņēmuma Custom Technologies LLC dibinātājs un prezidents. Bergens aizgāja pensijā no Kārderokas Jūras virszemes karadarbības centra (NSWC) un 27 gadus strādāja Konstrukciju un materiālu departamentā, kur viņš vadīja kompozītmateriālu tehnoloģiju izstrādi un pielietošanu ASV Jūras spēku flotē. Dr. Rodžers Kreins pievienojās Custom Technologies 2015. gadā pēc aiziešanas pensijā no ASV Jūras spēkiem 2011. gadā un ir nostrādājis 32 gadus. Viņa kompozītmateriālu kompetence ietver tehniskās publikācijas un patentus, aptverot tādas tēmas kā jauni kompozītmateriāli, prototipu izgatavošana, savienošanas metodes, daudzfunkcionāli kompozītmateriāli, konstrukciju stāvokļa uzraudzība un kompozītmateriālu atjaunošana.
Abi eksperti ir izstrādājuši unikālu procesu, kurā tiek izmantoti kompozītmateriāli, lai salabotu plaisas Ticonderoga CG-47 klases vadāmo raķešu kreisera 5456 alumīnija virsbūvē. "Process tika izstrādāts, lai samazinātu plaisu pieaugumu un kalpotu kā ekonomiska alternatīva platformas dēļa nomaiņai 2 līdz 4 miljonu dolāru apmērā," sacīja Bergens. "Tātad mēs pierādījām, ka zinām, kā veikt remontu ārpus laboratorijas un reālā ekspluatācijas vidē. Taču izaicinājums ir tas, ka pašreizējās militāro līdzekļu metodes nav īpaši veiksmīgas. Iespēja ir divpusējs remonts [galvenokārt bojātajās vietās pielīmējot dēli augšpusē] vai izņemt līdzekli no ekspluatācijas noliktavas līmeņa (D līmeņa) remontam. Tā kā ir nepieciešams D līmeņa remonts, daudzi līdzekļi tiek atlikti malā."
Viņš turpināja, sakot, ka ir nepieciešama metode, ko var veikt karavīri bez pieredzes darbā ar kompozītmateriāliem, izmantojot tikai komplektus un apkopes rokasgrāmatas. Mūsu mērķis ir padarīt procesu vienkāršu: izlasīt rokasgrāmatu, novērtēt bojājumus un veikt remontu. Mēs nevēlamies jaukt šķidrus sveķus, jo tas prasa precīzus mērījumus, lai nodrošinātu pilnīgu sacietēšanu. Mums ir nepieciešama arī sistēma bez bīstamiem atkritumiem pēc remonta pabeigšanas. Un tai jābūt iepakotai kā komplektam, ko var izvietot esošajā tīklā.
Viens no risinājumiem, ko Custom Technologies veiksmīgi demonstrēja, ir pārnēsājams komplekts, kas izmanto rūdītu epoksīda līmi, lai pielāgotu līmējošo kompozītmateriāla ielāpu atbilstoši bojājuma lielumam (līdz 12 kvadrātcollām). Demonstrācija tika veikta uz kompozītmateriāla, kas attēlo 3 collu biezu AMCB klāju. Kompozītmateriālam ir 3 collu biezs balsas koka kodols (blīvums 15 mārciņas uz kubikpēdu) un divi Vectorply (Fīniksa, Arizona, ASV) C-LT 1100 oglekļa šķiedras 0°/90° divvirzienu šūta auduma slāņi, viens C-TLX 1900 oglekļa šķiedras 0°/+45°/-45° trīs vārpstas un divi C-LT 1100 slāņi, kopā pieci slāņi. "Mēs nolēmām, ka komplektā tiks izmantoti iepriekš izgatavoti ielāpi kvazizotropā laminātā, kas līdzīgs daudzasu laminātam, lai auduma virziens nebūtu problēma," sacīja Kreins.
Nākamā problēma ir sveķu matrica, ko izmanto lamināta remontam. Lai izvairītos no šķidru sveķu sajaukšanas, plāksterī tiks izmantots prepregs. "Tomēr šie izaicinājumi ir uzglabāšana," skaidroja Bergens. Lai izstrādātu uzglabājamu plākstera risinājumu, Custom Technologies ir sadarbojies ar Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornija, ASV), lai izstrādātu stikla šķiedras/vinila estera prepregu, kas sešu minūšu laikā var izmantot ultravioleto gaismu (UV), sacietējot gaismā. Tas sadarbojās arī ar Gougeon Brothers (Beisitija, Mičigana, ASV), kas ieteica izmantot jaunu elastīgu epoksīda plēvi.
Sākotnējie pētījumi liecina, ka epoksīdsveķi ir vispiemērotākie sveķi oglekļa šķiedras prepregiem — UV starojuma ietekmē cietējošais vinilesteris un caurspīdīgā stikla šķiedra darbojas labi, bet nesacietē zem gaismu bloķējošas oglekļa šķiedras. Balstoties uz Gougeon Brothers jauno plēvi, galīgais epoksīda prepregs tiek sacietēts 1 stundu 99°C temperatūrā un tam ir ilgs glabāšanas laiks istabas temperatūrā — nav nepieciešama uzglabāšana zemā temperatūrā. Bergens teica, ka, ja nepieciešama augstāka stiklošanās temperatūra (Tg), sveķi tiks sacietēti arī augstākā temperatūrā, piemēram, 177°C temperatūrā. Abi prepregi tiek piegādāti pārnēsājamā remonta komplektā kā prepregu ielāpu kaudze, kas ir noslēgta plastmasas plēves aploksnē.
Tā kā remonta komplektu var uzglabāt ilgu laiku, uzņēmumam Custom Technologies ir jāveic glabāšanas laika pētījums. "Mēs iegādājāmies četrus cietus plastmasas korpusus — tipisku militāru tipu, ko izmanto transporta aprīkojumā — un katrā korpusā ievietojām epoksīda līmes un vinilestera preprega paraugus," sacīja Bergens. Pēc tam kastes tika novietotas četrās dažādās vietās testēšanai: Gougeon Brothers rūpnīcas jumtā Mičiganā, Merilendas lidostas jumtā, āra objektā Jukas ielejā (Kalifornijas tuksnesī) un āra korozijas testēšanas laboratorijā Floridas dienvidos. Visiem korpusiem ir datu reģistrētāji, norāda Bergens: "Mēs ņemam datu un materiālu paraugus novērtēšanai ik pēc trim mēnešiem. Maksimālā temperatūra, kas reģistrēta kastēs Floridā un Kalifornijā, ir 140°F, kas ir laba lielākajai daļai restaurācijas sveķu. Tas ir īsts izaicinājums." Turklāt Gougeon Brothers veica iekšēju testu jaunizstrādātajiem tīrajiem epoksīda sveķiem. "Paraugi, kas vairākus mēnešus ir ievietoti krāsnī 120°F temperatūrā, sāk polimerizēties," sacīja Bergens. "Tomēr atbilstošajiem paraugiem, kas tika turēti 110°F temperatūrā, sveķu ķīmiskais sastāvs uzlabojās tikai nedaudz."
Remonts tika pārbaudīts uz testa dēļa un šī AMCB mēroga modeļa, kurā tika izmantots tāds pats lamināts un serdes materiāls kā oriģinālajam tiltam, ko uzbūvēja Seemann Composites. Attēla avots: Custom Technologies LLC
Lai demonstrētu remonta tehniku, ir jāizgatavo, jābojā un jāremontē reprezentatīvs lamināts. “Projekta pirmajā fāzē mēs sākotnēji izmantojām maza mēroga 4 x 48 collu sijas un četru punktu lieces testus, lai novērtētu mūsu remonta procesa iespējamību,” sacīja Kleins. “Pēc tam projekta otrajā fāzē mēs pārgājām uz 12 x 48 collu paneļiem, pielietojām slodzes, lai radītu divvirzienu sprieguma stāvokli, kas izraisītu bojājumu, un pēc tam novērtējām remonta veiktspēju. Otrajā fāzē mēs arī pabeidzām AMCB modeli, ko izveidojām apkopes ietvaros.”
Bergens teica, ka testa panelis, ko izmantoja remonta veiktspējas pārbaudei, tika izgatavots, izmantojot to pašu laminātu un serdeņa materiālu līniju kā Seemann Composites ražotais AMCB, "bet mēs samazinājām paneļa biezumu no 0,375 collām līdz 0,175 collām, pamatojoties uz paralēlo asu teorēmu. Tā tas ir. Metode kopā ar papildu siju teorijas un klasiskās laminātu teorijas [CLT] elementiem tika izmantota, lai sasaistītu pilna mēroga AMCB inerces momentu un efektīvo stingrību ar mazāka izmēra demonstrācijas produktu, kas ir vieglāk apstrādājams un rentablāks. Pēc tam mēs izmantojām XCraft Inc. (Bostona, Masačūsetsa, ASV) izstrādāto galīgo elementu analīzes [FEA] modeli, lai uzlabotu konstrukciju remontu dizainu." Testa paneļiem un AMCB modelim izmantotais oglekļa šķiedras audums tika iegādāts no Vectorply, bet balsa serdi izgatavoja Core Composites (Bristole, Rodailenda, ASV).
1. darbība. Šajā testa panelī ir attēlots 3 collu cauruma diametrs, lai simulētu centrā atzīmētos bojājumus un salabotu apkārtmēru. Visu darbību fotoattēlu avots: Custom Technologies LLC.
2. darbība. Izmantojiet ar akumulatoru darbināmu manuālo slīpmašīnu, lai noņemtu bojāto materiālu, un aptiniet remonta vietu ar 12:1 konusveida nazi.
“Mēs vēlamies simulēt testa plāksnē lielāku bojājumu pakāpi nekā varētu redzēt uz tilta klāja laukā,” skaidroja Bergens. “Tāpēc mūsu metode ir izmantot caurumzāģi, lai izveidotu 3 collu diametra caurumu. Pēc tam mēs izvelkam bojātā materiāla aizbāzni un ar rokas pneimatisko slīpmašīnu apstrādājam 12:1 šalli.”
Kreins paskaidroja, ka oglekļa šķiedras/epoksīda remontam, kad “bojātais” paneļa materiāls ir noņemts un uzlikts atbilstošs pārklājums, prepregs tiks sagriezts platumā un garumā, lai tas atbilstu bojātās vietas konusveida formai. “Mūsu testa panelim ir nepieciešami četri preprega slāņi, lai remonta materiāls atbilstu sākotnējā nebojātā oglekļa paneļa augšdaļai. Pēc tam trīs oglekļa/epoksīda preprega pārklājošie slāņi tiek koncentrēti uz šīs salabotās daļas. Katrs nākamais slānis sniedzas par 1 collu uz visām apakšējā slāņa pusēm, kas nodrošina pakāpenisku slodzes pārnesi no “labā” apkārtējā materiāla uz salaboto vietu.” Kopējais šī remonta veikšanas laiks, ieskaitot remonta vietas sagatavošanu, restaurācijas materiāla griešanu un uzklāšanu, kā arī sacietēšanas procedūras piemērošanu, ir aptuveni 2,5 stundas.
Oglekļa šķiedras/epoksīda preprega gadījumā remonta vieta tiek vakuumā iepakota un sacietēta 99°C temperatūrā vienu stundu, izmantojot ar akumulatoru darbināmu termisko līmētāju.
Lai gan oglekļa/epoksīdsveķu remonts ir vienkāršs un ātrs, komanda atzina nepieciešamību pēc ērtāka risinājuma veiktspējas atjaunošanai. Tas noveda pie ultravioletā (UV) starojuma sacietējošu prepregu izpētes. “Interese par Sunrez vinilestera sveķiem ir balstīta uz iepriekšējo pieredzi jūras kara flotē ar uzņēmuma dibinātāju Marku Laivsaju,” skaidroja Bergens. “Vispirms mēs piegādājām Sunrez kvaziizotropisku stikla audumu, izmantojot viņu vinilestera prepregu, un novērtējām sacietēšanas līkni dažādos apstākļos. Turklāt, tā kā mēs zinām, ka vinilestera sveķi nav līdzīgi epoksīdsveķiem, kas nodrošina atbilstošu sekundāro adhēziju, ir nepieciešami papildu centieni, lai novērtētu dažādus līmes slāņa savienošanas līdzekļus un noteiktu, kurš no tiem ir piemērots konkrētajam pielietojumam.”
Vēl viena problēma ir tā, ka stikla šķiedras nevar nodrošināt tādas pašas mehāniskās īpašības kā oglekļa šķiedras. "Salīdzinot ar oglekļa/epoksīda plāksteri, šī problēma tiek atrisināta, izmantojot papildu stikla/vinila estera slāni," sacīja Kreins. "Iemesls, kāpēc nepieciešams tikai viens papildu slānis, ir tāds, ka stikla materiāls ir smagāks audums." Tādējādi tiek iegūts piemērots plāksteris, ko var uzklāt un salīmēt sešu minūšu laikā pat ļoti aukstā/sasalšanas temperatūrā laukumā. Sacietēšana notiek bez siltuma nodrošināšanas. Kreins norādīja, ka šo remonta darbu var veikt stundas laikā.
Abas ielāpu sistēmas ir demonstrētas un pārbaudītas. Katram remontam bojātā vieta tiek iezīmēta (1. solis), izveidota ar caurumzāģi un pēc tam noņemta, izmantojot ar akumulatoru darbināmu manuālu slīpmašīnu (2. solis). Pēc tam salabotā vieta tiek sagriezta 12:1 konusveida gabalos. Notīriet šalles virsmu ar spirta spilventiņu (3. solis). Pēc tam sagrieziet remonta ielāpu noteiktā izmērā, novietojiet to uz notīrītās virsmas (4. solis) un nostipriniet ar rullīti, lai noņemtu gaisa burbuļus. Stikla šķiedras/UV starojuma cietējoša vinilestera preprega gadījumā uz salabotās vietas uzklājiet noņemšanas slāni un sešas minūtes sacietējiet ielāpu ar bezvadu UV lampu (5. solis). Oglekļa šķiedras/epoksīda preprega gadījumā izmantojiet iepriekš ieprogrammētu, vienas pogas, ar akumulatoru darbināmu termisko līmētāju, lai vakuumā iepakotu un sacietētu salaboto vietu 99 °C temperatūrā vienu stundu.
5. darbība. Pēc lobāmā slāņa uzklāšanas uz salabotās vietas, izmantojiet bezvadu UV lampu, lai sacietētu plāksteri 6 minūtes.
“Pēc tam mēs veicām testus, lai novērtētu plākstera adhēziju un tā spēju atjaunot konstrukcijas nestspēju,” sacīja Bergens. “Pirmajā posmā mums jāpierāda uzklāšanas vienkāršība un spēja atgūt vismaz 75% no izturības. Tas tiek darīts, veicot četrpunktu locīšanu uz 4 x 48 collu oglekļa šķiedras/epoksīdsveķu un balsa serdes sijas pēc simulētā bojājuma labošanas. Jā. Projekta otrajā fāzē tika izmantots 12 x 48 collu panelis, un tam ir jāuzrāda vairāk nekā 90% izturības prasības sarežģītu deformācijas slodžu apstākļos. Mēs izpildījām visas šīs prasības un pēc tam nofotografējām remonta metodes AMCB modelī. Kā izmantot lauka tehnoloģijas un aprīkojumu, lai nodrošinātu vizuālu atsauci.”
Projekta galvenais aspekts ir pierādīt, ka iesācēji var viegli veikt remontu. Šī iemesla dēļ Bergenai radās ideja: “Esmu apsolījis to nodemonstrēt mūsu diviem tehniskajiem kontaktiem armijā: Dr. Bernardam Sia un Ešlijai Gennai. Projekta pirmās fāzes galīgajā pārskatā es lūdzu neveikt remontu. Remontu veica pieredzošā Ešlija. Izmantojot mūsu sniegto komplektu un rokasgrāmatu, viņa uzlika plāksteri un pabeidza remontu bez jebkādām problēmām.”
2. attēls. Ar akumulatoru darbināms, iepriekš ieprogrammēts, ar akumulatoru darbināms termiskās līmēšanas aparāts var sacietēt oglekļa šķiedras/epoksīda sveķu remonta ielāpu, nospiežot pogu, bez remonta zināšanām vai sacietēšanas cikla programmēšanas. Attēla avots: Custom Technologies, LLC.
Vēl viens svarīgs sasniegums ir ar akumulatoru darbināma sacietēšanas sistēma (2. attēls). "Veicot apkopi uz vietas, jums ir tikai akumulatora enerģija," norādīja Bergens. "Visas mūsu izstrādātajā remonta komplektā iekļautās procesa iekārtas ir bezvadu." Tas ietver ar akumulatoru darbināmu termisko līmēšanu, ko kopīgi izstrādājusi Custom Technologies un termiskās līmēšanas iekārtu piegādātāja WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, ASV) iekārta. "Šī ar akumulatoru darbināmā termiskā līmēšana ir iepriekš ieprogrammēta, lai pabeigtu sacietēšanu, tāpēc iesācējiem nav jāprogrammē sacietēšanas cikls," sacīja Kreins. "Viņiem tikai jānospiež poga, lai pabeigtu pareizu rampu un mērcēšanu." Pašlaik izmantotās baterijas var darboties gadu, pirms tās ir jāuzlādē.
Pēc projekta otrās fāzes pabeigšanas Custom Technologies gatavo turpmākos uzlabojumu priekšlikumus un apkopo ieinteresētās personas un atbalsta vēstules. “Mūsu mērķis ir nobriedināt šo tehnoloģiju līdz TRL 8 līmenim un ieviest to praksē,” sacīja Bergens. “Mēs saskatām arī potenciālu nemilitāriem pielietojumiem.”
Izskaidro nozares pirmās šķiedru stiegrošanas vēsturisko mākslu un padziļināti izprot jauno šķiedru zinātni un turpmāko attīstību.
Drīzumā iznāks un pirmo reizi lidos, 787 lidmašīna savu mērķu sasniegšanai paļaujas uz inovācijām kompozītmateriālos un procesos.
Publicēšanas laiks: 2021. gada 2. septembris