Pārnēsājamo komplektu var salabot ar UV starojuma izturīgu stikla šķiedru/vinilesteri vai oglekļa šķiedras/epoksīda prepregu, kas tiek uzglabāts istabas temperatūrā, un ar akumulatoru darbināmu cietināšanas aprīkojumu.#iekšāražošana #infrastruktūra
UV cietējamā prepreg plākstera remonts Lai gan Custom Technologies LLC izstrādātais oglekļa šķiedras/epoksīda prepreg remonts iekšpuses kompozītmateriāla tiltam izrādījās vienkāršs un ātrs, stikla šķiedras pastiprināta UV cietināto vinila estera sveķu izmantošana Prepreg ir izstrādājusi ērtāku sistēmu. .Attēla avots: Custom Technologies LLC
Moduļu izvietojamie tilti ir būtisks militāro taktisko operāciju un loģistikas līdzeklis, kā arī transporta infrastruktūras atjaunošana dabas katastrofu laikā.Tiek pētītas kompozītmateriālu konstrukcijas, lai samazinātu šādu tiltu svaru, tādējādi samazinot slogu transporta līdzekļiem un palaišanas-atgūšanas mehānismiem.Salīdzinot ar metāla tiltiem, kompozītmateriāliem ir arī potenciāls palielināt nestspēju un pagarināt kalpošanas laiku.
Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) ir piemērs.Seemann Composites LLC (Gulfport, Misisipi, ASV) un Materials Sciences LLC (Horsham, PA, ASV) izmanto ar oglekļa šķiedru pastiprinātus epoksīda laminātus (1. attēls).) Projektēšana un būvniecība).Tomēr spēja salabot šādas konstrukcijas uz vietas ir bijusi problēma, kas kavē kompozītmateriālu pieņemšanu.
1. attēls Kompozītmateriālu tilts, galvenais iekšējais palīglīdzeklis Advanced Modular Composite Bridge (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 Custom Technologies LLC (Millersville, MD, ASV) saņēma ASV armijas finansētu Small Business Innovation Research (SBIR) 1. fāzes grantu, lai izstrādātu remonta metodi, ko karavīri var veiksmīgi veikt uz vietas.Pamatojoties uz šo pieeju, 2018. gadā tika piešķirts SBIR granta otrais posms, lai demonstrētu jaunus materiālus un ar akumulatoru darbināmu aprīkojumu, pat ja ielāpu veic iesācējs bez iepriekšējas apmācības, 90% vai vairāk struktūras var atjaunot neapstrādātā veidā. spēks.Tehnoloģijas iespējamību nosaka, veicot virkni analīžu, materiālu atlases, paraugu izgatavošanas un mehāniskās pārbaudes darbu, kā arī neliela apjoma un pilna apjoma remontdarbus.
Galvenais pētnieks abās SBIR fāzēs ir Maikls Bergens, Custom Technologies LLC dibinātājs un prezidents.Bergens atvaļinājās no Karderokas no Naval Surface Warfare Center (NSWC) un 27 gadus strādāja Struktūru un materiālu departamentā, kur vadīja kompozītmateriālu tehnoloģiju izstrādi un pielietošanu ASV flotes flotē.Doktors Rodžers Kreins pievienojās uzņēmumam Custom Technologies 2015. gadā pēc aiziešanas no ASV jūras kara flotes 2011. gadā un nostrādājis 32 gadus.Viņa kompozītmateriālu pieredze ietver tehniskās publikācijas un patentus, kas aptver tādas tēmas kā jauni kompozītmateriāli, prototipu izgatavošana, savienojuma metodes, daudzfunkcionāli kompozītmateriāli, konstrukciju veselības uzraudzība un kompozītmateriālu atjaunošana.
Abi eksperti ir izstrādājuši unikālu procesu, kurā tiek izmantoti kompozītmateriāli, lai labotu plaisas Ticonderoga CG-47 klases vadāmo raķešu kreisera 5456 alumīnija virsbūvē. “Process tika izstrādāts, lai samazinātu plaisu veidošanos un kalpotu kā ekonomiska alternatīva. platformas dēļa nomaiņai 2 līdz 4 miljonu dolāru apmērā,” sacīja Bergena.“Tā mēs pierādījām, ka protam veikt remontdarbus ārpus laboratorijas un reālā servisa vidē.Taču izaicinājums ir tāds, ka pašreizējās militāro līdzekļu metodes nav pārāk veiksmīgas.Opcija ir savienotā dupleksā remonts [pamatā bojātās vietās Līmējiet plāksni augšpusē] vai izņemiet līdzekli no ekspluatācijas noliktavas līmeņa (D līmeņa) remontam.Tā kā ir nepieciešams D līmeņa remonts, daudzi aktīvi tiek atstāti malā.
Viņš turpināja, ka ir vajadzīga metode, ko var veikt karavīri bez pieredzes kompozītmateriālu jomā, izmantojot tikai komplektus un apkopes rokasgrāmatas.Mūsu mērķis ir padarīt procesu vienkāršu: izlasiet rokasgrāmatu, novērtējiet bojājumus un veiciet remontdarbus.Mēs nevēlamies jaukt šķidros sveķus, jo tas prasa precīzu mērījumu, lai nodrošinātu pilnīgu sacietēšanu.Mums ir nepieciešama arī sistēma, kurā pēc remontdarbiem nav bīstamu atkritumu.Un tas ir jāiepako kā komplekts, ko var izvietot esošais tīkls.”
Viens no risinājumiem, ko Custom Technologies veiksmīgi demonstrēja, ir pārnēsājams komplekts, kurā tiek izmantota rūdīta epoksīda līme, lai pielāgotu līmējošo kompozītmateriālu plāksteri atbilstoši bojājuma lielumam (līdz 12 kvadrātcollām).Demonstrācija tika pabeigta uz kompozītmateriāla, kas attēlo 3 collu biezu AMCB klāju.Kompozītmateriālam ir 3 collu bieza balsa koka serde (15 mārciņas uz kubikpēdas blīvumu) un divi slāņi Vectorply (Fīniksa, Arizona, ASV) C -LT 1100 oglekļa šķiedras 0°/90° divpusējais šūts audums, viens slānis C-TLX 1900 oglekļa šķiedra 0°/+45°/-45° trīs vārpstas un divi slāņi C-LT 1100, kopā pieci slāņi."Mēs nolēmām, ka komplektā tiks izmantoti saliekami plāksteri kvazizotropā laminātā, kas ir līdzīgs vairāku asij, lai auduma virziens nebūtu problēma," sacīja Crane.
Nākamā problēma ir sveķu matrica, ko izmanto lamināta remontam.Lai izvairītos no šķidru sveķu sajaukšanas, plāksteris izmantos prepreg."Tomēr šie izaicinājumi ir uzglabāšana," paskaidroja Bergens.Lai izstrādātu uzglabājamu plākstera risinājumu, uzņēmums Custom Technologies sadarbojas ar Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornija, ASV), lai izstrādātu stikla šķiedras/vinilestera prepregu, kas sešās minūtēs var izmantot ultravioleto gaismu (UV).Tā arī sadarbojās ar Gougeon Brothers (Beisitija, Mičigana, ASV), kas ierosināja izmantot jaunu elastīgu epoksīda plēvi.
Sākotnējie pētījumi ir parādījuši, ka epoksīdsveķi ir vispiemērotākie sveķi oglekļa šķiedru priekšapstrādei — UV cietes vinila esteris un caurspīdīga stikla šķiedra darbojas labi, bet nesacietē zem gaismu bloķējošas oglekļa šķiedras.Pamatojoties uz Gougeon Brothers jauno plēvi, galīgais epoksīda prepreg tiek cietināts 1 stundu 210 °F/99 °C temperatūrā, un tam ir ilgs glabāšanas laiks istabas temperatūrā — nav nepieciešama uzglabāšana zemā temperatūrā.Bergens teica, ka, ja ir nepieciešama augstāka stiklošanās temperatūra (Tg), sveķi tiks sacietēti arī augstākā temperatūrā, piemēram, 350 ° F/177 ° C.Abi prepregi tiek nodrošināti pārnēsājamā remonta komplektā kā iepriekš sagatavotu plāksteru kaudze, kas ir aizzīmogota plastmasas plēves aploksnē.
Tā kā remonta komplektu var uzglabāt ilgu laiku, Custom Technologies ir jāveic glabāšanas laika izpēte."Mēs iegādājāmies četrus cietas plastmasas korpusus — tipisku militāro tipu, ko izmanto transportēšanas iekārtās — un katrā korpusā ievietojām epoksīda līmes un vinilestera prepreg paraugus," sacīja Bergens.Pēc tam kastes tika novietotas četrās dažādās vietās testēšanai: Gougeon Brothers rūpnīcas jumts Mičiganā, Merilendas lidostas jumts, āra objekts Jukas ielejā (Kalifornijas tuksnesī) un āra korozijas testēšanas laboratorija Floridas dienvidos.Visās lietās ir datu reģistrētāji, norāda Bergena: “Datu un materiālu paraugus izvērtēšanai ņemam reizi trijos mēnešos.Maksimālā temperatūra, kas reģistrēta kastēs Floridā un Kalifornijā, ir 140 ° F, kas ir piemērota lielākajai daļai atjaunošanas sveķu.Tas ir īsts izaicinājums.”Turklāt uzņēmums Gougeon Brothers iekšēji pārbaudīja jaunizveidotos tīros epoksīda sveķus."Paraugi, kas vairākus mēnešus ir ievietoti krāsnī 120 ° F temperatūrā, sāk polimerizēties," sacīja Bergens."Tomēr attiecīgajiem paraugiem, kas tika turēti 110 ° F temperatūrā, sveķu ķīmija uzlabojās tikai par nelielu daudzumu."
Remonts tika pārbaudīts uz testa paneļa un šī AMCB mēroga modeļa, kurā tika izmantots tas pats lamināts un serdes materiāls kā oriģinālajam Seemann Composites uzbūvētajam tiltam.Attēla avots: Custom Technologies LLC
Lai demonstrētu remonta tehniku, ir jāizgatavo reprezentatīvs lamināts, jāsabojā un jāremontē."Projekta pirmajā posmā mēs sākotnēji izmantojām neliela mēroga 4 x 48 collu sijas un četru punktu lieces testus, lai novērtētu mūsu remonta procesa iespējamību," sacīja Kleins.“Pēc tam projekta otrajā posmā mēs pārgājām uz 12 x 48 collu paneļiem, pielietojām slodzes, lai radītu biaksiālo sprieguma stāvokli, kas izraisīja atteici, un pēc tam novērtējām remonta veiktspēju.Otrajā posmā mēs pabeidzām arī AMCB modeli, ko izveidojām Maintenance.
Bergens sacīja, ka testa panelis, ko izmantoja, lai pierādītu remonta veiktspēju, tika ražots, izmantojot to pašu laminātu un serdes materiālu līniju, kā AMCB, ko ražo uzņēmums Seemann Composites, "bet mēs samazinājām paneļa biezumu no 0,375 collām līdz 0,175 collām, pamatojoties uz paralēlās ass teorēmu .Tā tas ir.Metode kopā ar papildu staru teorijas un klasiskās lamināta teorijas [CLT] elementiem tika izmantota, lai saistītu pilna mēroga AMCB inerces momentu un efektīvo stingrību ar mazāka izmēra demonstrācijas produktu, kas ir vieglāk apstrādājams un vairāk. rentabli.Pēc tam mēs Galīgo elementu analīzes [FEA] modelis, ko izstrādāja XCraft Inc. (Bostona, Masačūsetsa, ASV), tika izmantots, lai uzlabotu konstrukciju remontdarbu dizainu.Oglekļa šķiedras audums, ko izmantoja testa paneļiem un AMCB modelim, tika iegādāts no Vectorply, un balsas serdi izgatavoja Core Composites (Bristole, RI, ASV), kas tika nodrošināts.
1. darbība. Šis testa panelis parāda 3 collu cauruma diametru, lai modelētu centrā iezīmētos bojājumus un salabotu apkārtmēru.Fotoattēlu avots visām darbībām: Custom Technologies LLC.
2. darbība. Izmantojiet ar akumulatoru darbināmu manuālo slīpmašīnu, lai noņemtu bojāto materiālu un nostipriniet remonta plāksteri ar 12:1 konusu.
"Mēs vēlamies simulēt lielāku bojājumu pakāpi uz testa dēļa, nekā varētu redzēt uz tilta klāja laukā," paskaidroja Bergens.“Tāpēc mūsu metode ir izmantot caurumu zāģi, lai izveidotu 3 collu diametra caurumu.Pēc tam mēs izvelkam bojātā materiāla kontaktdakšu un ar rokas pneimatisko slīpmašīnu apstrādājam šalli 12:1.
Crane paskaidroja, ka oglekļa šķiedras/epoksīda remontam, kad “bojātais” paneļa materiāls ir noņemts un tiek uzklāts atbilstošs šalle, prepreg tiks sagriezts platumā un garumā, lai tas atbilstu bojātās vietas konusam.“Mūsu testa panelim ir nepieciešami četri iepriekš sagatavotā materiāla slāņi, lai remonta materiāls būtu saderīgs ar oriģinālā, nebojātā oglekļa paneļa augšdaļu.Pēc tam trīs pārklājošie oglekļa/epoksīda prepreg slāņi tiek koncentrēti uz šo Uz salabotās daļas.Katrs nākamais slānis stiepjas par 1 collu uz visām apakšējā slāņa pusēm, kas nodrošina pakāpenisku slodzes pārnešanu no “labā” apkārtējā materiāla uz laboto zonu.Kopējais šī remonta veikšanas laiks, ieskaitot remonta laukuma sagatavošanu, restaurācijas materiāla griešanu un novietošanu un sacietēšanas procedūru - aptuveni 2,5 stundas.
Oglekļa šķiedras/epoksīda prepreg remonta vieta tiek iepakota vakuumā un vienu stundu cietināta 210 °F/99 °C temperatūrā, izmantojot ar akumulatoru darbināmu termisko saiti.
Lai gan oglekļa/epoksīda remonts ir vienkāršs un ātrs, komanda atzina, ka ir nepieciešams ērtāks risinājums veiktspējas atjaunošanai.Tas noveda pie ultravioletā (UV) cietēšanas prepregu izpētes."Interese par Sunrez vinilestera sveķiem ir balstīta uz iepriekšējo jūras pieredzi ar uzņēmuma dibinātāju Marku Livesiju," skaidroja Bergens.“Mēs vispirms nodrošinājām Sunrez ar kvaziizotropu stikla audumu, izmantojot vinilestera prepregu, un novērtējām cietēšanas līkni dažādos apstākļos.Turklāt, tā kā mēs zinām, ka vinilestera sveķi nav līdzīgi epoksīda sveķiem, kas nodrošina piemērotu sekundāro adhēzijas veiktspēju, tāpēc ir jāpieliek papildu pūles, lai novērtētu dažādus līmes slāņa savienojošos līdzekļus un noteiktu, kurš no tiem ir piemērots 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 Crane."Iemesls, kāpēc nepieciešams tikai viens papildu slānis, ir tas, ka stikla materiāls ir smagāks audums."Tādējādi tiek iegūts piemērots plāksteris, ko var uzklāt un apvienot sešu minūšu laikā pat ļoti aukstā/sasaldošā iekšējā temperatūrā.Sacietēšana, nesniedzot siltumu.Krāns norādīja, ka šos remontdarbus var paveikt stundas laikā.
Abas ielāpu sistēmas ir demonstrētas un pārbaudītas.Katram remontam tiek atzīmēta bojātā vieta (1. darbība), izveidota ar caurumu zāģi un pēc tam noņemta, izmantojot ar akumulatoru darbināmu manuālo slīpmašīnu (2. darbība).Pēc tam sagrieziet salaboto laukumu 12:1 konusā.Notīriet šalles virsmu ar spirta salveti (3. darbība).Pēc tam nogrieziet labošanas plāksteri līdz noteiktam izmēram, novietojiet to uz notīrītās virsmas (4. darbība) un nostipriniet to ar rullīti, lai noņemtu gaisa burbuļus.Stikla šķiedras/UV cietēšanas vinila estera prepregam, pēc tam novietojiet atbrīvojošo slāni uz salabotās vietas un sešas minūtes nocietiniet plāksteri ar bezvadu UV lampu (5. darbība).Oglekļa šķiedras/epoksīda sagatavošanai izmantojiet iepriekš ieprogrammētu, vienas pogas, ar akumulatoru darbināmu termisko saiti, lai vakuumiepakotu un vienu stundu sacietētu salaboto zonu 210 °F/99 °C temperatūrā.
5. solis. Pēc nolobītā slāņa uzlikšanas uz salabotās vietas izmantojiet bezvadu UV lampu, lai plāksteri nocietinātu 6 minūtes.
"Pēc tam mēs veicām testus, lai novērtētu plākstera adhēziju un tā spēju atjaunot konstrukcijas nestspēju," sacīja Bergens.“Pirmajā posmā mums jāpierāda lietošanas vienkāršība un spēja atgūt vismaz 75% spēka.Tas tiek veikts, četros punktos liekot uz 4 x 48 collu oglekļa šķiedras/epoksīda sveķu un balsa serdes sijas pēc imitētā bojājuma novēršanas.Jā.Projekta otrajā posmā tika izmantots 12 x 48 collu panelis, un tam ir jāuzrāda vairāk nekā 90% izturības prasības sarežģītās deformācijas slodzēs.Mēs izpildījām visas šīs prasības un pēc tam nofotografējām remonta metodes uz AMCB modeļa.Kā izmantot lauka tehnoloģiju un aprīkojumu, lai nodrošinātu vizuālu atsauci.
Galvenais projekta aspekts ir pierādīt, ka iesācēji var viegli pabeigt remontu.Šī iemesla dēļ Bergenai radās ideja: “Es esmu apsolījis demonstrēt mūsu diviem tehniskajiem kontaktiem armijā: doktoram Bernardam Sijai un Ešlijai Gennai.Projekta pirmās kārtas galīgajā pārskatā es prasīju remontu neveikt.Remontu veica pieredzējusī Ešlija.Izmantojot mūsu nodrošināto komplektu un rokasgrāmatu, viņa uzlika plāksteri un bez problēmām pabeidza remontu.
2. attēls Ar akumulatoru darbināma konservēšanas iepriekš ieprogrammēta, ar akumulatoru darbināma termiskās savienošanas iekārta var izārstēt oglekļa šķiedras/epoksīda remonta plāksteri, nospiežot pogu, bez nepieciešamības iegūt zināšanas par remontu vai sacietēšanas cikla programmēšanu.Attēla avots: Custom Technologies, LLC
Vēl viena svarīga attīstība ir ar akumulatoru darbināma konservēšanas sistēma (2. attēls)."Izmantojot apkopi uz lauka, jums ir tikai akumulatora enerģija," norādīja Bergens."Visas mūsu izstrādātajā remonta komplektā esošās procesa iekārtas ir bezvadu."Tas ietver ar akumulatoru darbināmu termisko savienošanu, ko kopīgi izstrādājusi Custom Technologies un termiskās savienošanas iekārtu piegādātāja WichiTech Industries Inc. (Randallstauna, Merilenda, ASV) iekārta."Šī ar akumulatoru darbināma termiskā saistviela ir iepriekš ieprogrammēta, lai pabeigtu sacietēšanu, tāpēc iesācējiem nav jāprogrammē sacietēšanas cikls," sacīja Crane."Viņiem vienkārši jānospiež poga, lai pabeigtu pareizo rampu un uzsūktu."Pašlaik lietotās baterijas var darboties gadu, pirms tās ir jāuzlādē.
Pabeidzot projekta otro posmu, uzņēmums Custom Technologies gatavo turpmāko uzlabojumu priekšlikumus un apkopo intereses un atbalsta vēstules."Mūsu mērķis ir nogatavināt šo tehnoloģiju līdz TRL 8 un ieviest to laukā," sacīja Bergens."Mēs redzam arī nemilitāru lietojumu potenciālu."
Izskaidro veco mākslu aiz nozares pirmās šķiedras pastiprināšanas, un ir padziļināta izpratne par jauno šķiedru zinātni un turpmāko attīstību.
Drīzumā un pirmo reizi lidostā 787 paļaujas uz jauninājumiem kompozītmateriālos un procesos, lai sasniegtu savus mērķus.
Izlikšanas laiks: 2021. gada 2. septembris