Prijenosni komplet može se popraviti UV-otvrdnjavajućim fiberglasom/vinil esterom ili prepregom od karbonskih vlakana/epoksida, koji se čuvaju na sobnoj temperaturi i uz pomoć opreme za otvrdnjavanje na baterije. #unutraproizvodnje #infrastruktura
Popravka prepregom koji se stvrdnjava UV zračenjem Iako se popravka prepregom od karbonskih vlakana/epoksida, koju je razvio Custom Technologies LLC za kompozitni most unutar polja, pokazala jednostavnom i brzom, upotreba preprega od vinil esterske smole ojačane staklenim vlaknima koja se stvrdnjava UV zračenjem, omogućila je razvoj praktičnijeg sistema. Izvor slike: Custom Technologies LLC
Modularni, pokretni mostovi su ključna sredstva za vojne taktičke operacije i logistiku, kao i za obnovu transportne infrastrukture tokom prirodnih katastrofa. Kompozitne konstrukcije se proučavaju kako bi se smanjila težina takvih mostova, čime se smanjuje opterećenje transportnih vozila i mehanizama za lansiranje i oporavak. U poređenju sa metalnim mostovima, kompozitni materijali takođe imaju potencijal da povećaju nosivost i produže vijek trajanja.
Napredni modularni kompozitni most (AMCB) je jedan primjer. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, SAD) i Materials Sciences LLC (Horsham, PA, SAD) koriste epoksidne laminate ojačane ugljičnim vlaknima (Slika 1). (Dizajn i konstrukcija). Međutim, mogućnost popravke takvih konstrukcija na terenu predstavlja problem koji ometa usvajanje kompozitnih materijala.
Slika 1 Kompozitni most, ključna imovina unutar terena Napredni modularni kompozitni most (AMCB) projektirali su i izgradili Seemann Composites LLC i Materials Sciences LLC koristeći kompozite od epoksidne smole ojačane ugljičnim vlaknima. Izvor slike: Seeman Composites LLC (lijevo) i američka vojska (desno).
Kompanija Custom Technologies LLC (Millersville, Maryland, SAD) je 2016. godine dobila grant za prvu fazu programa Istraživanje inovacija malih preduzeća (SBIR) koji finansira američka vojska, kako bi razvila metodu popravke koju vojnici mogu uspješno izvesti na licu mjesta. Na osnovu ovog pristupa, druga faza SBIR granta dodijeljena je 2018. godine kako bi se predstavili novi materijali i oprema na baterije. Čak i ako popravku izvrši početnik bez prethodne obuke, može se obnoviti 90% ili više strukture. Izvodljivost tehnologije određuje se provođenjem niza analiza, odabirom materijala, izradom uzoraka i mehaničkim ispitivanjem, kao i popravkama malog i punog obima.
Glavni istraživač u dvije SBIR faze je Michael Bergen, osnivač i predsjednik Custom Technologies LLC. Bergen se penzionisao iz Carderocka u Centru za površinsko ratovanje mornarice (NSWC) i služio je u Odjelu za strukture i materijale 27 godina, gdje je upravljao razvojem i primjenom kompozitnih tehnologija u floti američke mornarice. Dr. Roger Crane pridružio se Custom Technologiesu 2015. godine nakon što se penzionisao iz američke mornarice 2011. godine i služi 32 godine. Njegova stručnost u kompozitnim materijalima uključuje tehničke publikacije i patente, koji pokrivaju teme kao što su novi kompozitni materijali, proizvodnja prototipova, metode spajanja, multifunkcionalni kompozitni materijali, praćenje stanja konstrukcija i restauracija kompozitnih materijala.
Dva stručnjaka su razvila jedinstveni proces koji koristi kompozitne materijale za popravku pukotina u aluminijskoj nadgradnji raketne krstarice klase Ticonderoga CG-47 klase 5456. „Proces je razvijen kako bi se smanjio rast pukotina i poslužio kao ekonomična alternativa zamjeni daske platforme od 2 do 4 miliona dolara“, rekao je Bergen. „Tako smo dokazali da znamo kako izvršiti popravke izvan laboratorije i u stvarnom servisnom okruženju. Ali izazov je što trenutne metode za vojna sredstva nisu baš uspješne. Opcija je popravka dvostrukim lijepljenjem [u osnovi na oštećenim područjima lijepljenje daske na vrh] ili uklanjanje sredstva iz upotrebe za popravke na nivou skladišta (D-nivo). Budući da su potrebni popravci D-nivoa, mnoga sredstva se ostavljaju sa strane.“
Nadalje je rekao da je potrebna metoda koju mogu primijeniti vojnici bez iskustva s kompozitnim materijalima, koristeći samo setove i priručnike za održavanje. Naš cilj je da proces učinimo jednostavnim: pročitajte priručnik, procijenite štetu i izvršite popravke. Ne želimo miješati tekuće smole, jer to zahtijeva precizno mjerenje kako bi se osiguralo potpuno stvrdnjavanje. Također nam je potreban sistem bez opasnog otpada nakon što su popravke završene. I mora biti zapakiran kao set koji se može primijeniti putem postojeće mreže.
Jedno rješenje koje je Custom Technologies uspješno demonstrirao je prenosivi komplet koji koristi ojačano epoksidno ljepilo za prilagođavanje kompozitne zakrpe prema veličini oštećenja (do 12 kvadratnih inča). Demonstracija je završena na kompozitnom materijalu koji predstavlja AMCB palubu debljine 3 inča. Kompozitni materijal ima jezgru od balsa drveta debljine 3 inča (gustoća 15 funti po kubnoj stopi) i dva sloja tkanine od karbonskih vlakana C-LT 1100 marke Vectorply (Phoenix, Arizona, SAD) s dvoosnim šivanjem 0°/90°, jedan sloj tkanine od karbonskih vlakana C-TLX 1900 s tri osovine 0°/+45°/-45° i dva sloja C-LT 1100, ukupno pet slojeva. „Odlučili smo da će komplet koristiti prefabrikovane zakrpe u kvazi-izotropnom laminatu sličnom višeosnom laminatu tako da smjer tkanine neće biti problem“, rekao je Crane.
Sljedeće pitanje je matrica smole koja se koristi za popravak laminata. Kako bi se izbjeglo miješanje tekuće smole, zakrpa će koristiti prepreg. „Međutim, ti izazovi su skladištenje“, objasnio je Bergen. Kako bi razvili rješenje za zakrpu koje se može skladištiti, Custom Technologies je sklopio partnerstvo sa Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornija, SAD) kako bi razvili prepreg od staklenih vlakana/vinil estera koji može koristiti ultraljubičasto svjetlo (UV) za šest minuta svjetlosnog stvrdnjavanja. Također je surađivao s Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, SAD), koji su predložili upotrebu novog fleksibilnog epoksidnog filma.
Rane studije su pokazale da je epoksidna smola najpogodnija smola za preprege od karbonskih vlakana - vinil ester koji se stvrdnjava pod UV zračenjem i prozirna staklena vlakna dobro funkcionišu, ali se ne stvrdnjavaju pod utjecajem karbonskih vlakana koja blokiraju svjetlost. Na osnovu novog filma Gougeon Brothers, konačni epoksidni prepreg se stvrdnjava 1 sat na 99°C i ima dug rok trajanja na sobnoj temperaturi - nema potrebe za skladištenjem na niskim temperaturama. Bergen je rekao da ako je potrebna viša temperatura staklastog prijelaza (Tg), smola će se također stvrdnjavati na višoj temperaturi, kao što je 177°C. Oba preprega se isporučuju u prenosivom kompletu za popravak kao snop prepreg zakrpa zatvorenih u plastičnoj omotnici od folije.
Budući da se komplet za popravku može skladištiti dugo vremena, Custom Technologies je dužan provesti studiju o roku trajanja. „Kupili smo četiri kućišta od tvrde plastike - tipičan vojni tip koji se koristi u transportnoj opremi - i u svako kućište stavili uzorke epoksidnog ljepila i vinil esterskog preprega“, rekao je Bergen. Kutije su zatim postavljene na četiri različite lokacije radi testiranja: krov fabrike Gougeon Brothers u Michiganu, krov aerodroma u Marylandu, vanjski objekt u Yucca Valleyju (kalifornijska pustinja) i vanjski laboratorij za ispitivanje korozije na jugu Floride. Svi ormari imaju uređaje za logere podataka, ističe Bergen, „Uzimamo uzorke podataka i materijala za procjenu svaka tri mjeseca. Maksimalna temperatura zabilježena u kutijama na Floridi i u Kaliforniji je 140°F, što je dobro za većinu smola za restauraciju. To je pravi izazov.“ Osim toga, Gougeon Brothers je interno testirao novo razvijenu čistu epoksidnu smolu. „Uzorci koji su nekoliko mjeseci stavljeni u peć na 120°F počinju se polimerizirati“, rekao je Bergen. „Međutim, za odgovarajuće uzorke čuvane na temperaturi od 43°C, hemijski sastav smole se poboljšao samo neznatno.“
Popravka je potvrđena na testnoj ploči i ovom maketi AMCB-a u mjerilu, koji je koristio isti laminat i materijal jezgre kao i originalni most koji je izgradila kompanija Seemann Composites. Izvor slike: Custom Technologies LLC
Da bi se demonstrirala tehnika popravke, mora se proizvesti, oštetiti i popraviti reprezentativni laminat. „U prvoj fazi projekta, u početku smo koristili grede malog obima dimenzija 4 x 48 inča i testove savijanja u četiri tačke kako bismo procijenili izvodljivost našeg procesa popravke“, rekao je Klein. „Zatim smo u drugoj fazi projekta prešli na panele dimenzija 12 x 48 inča, primijenili opterećenja kako bismo generirali dvoosno naponsko stanje koje uzrokuje lom, a zatim procijenili performanse popravke. U drugoj fazi smo također završili AMCB model održavanja koji smo izgradili.“
Bergen je rekao da je testna ploča korištena za dokazivanje performansi popravke proizvedena korištenjem iste linije laminata i jezgrenih materijala kao i AMCB koji proizvodi Seemann Composites, „ali smo smanjili debljinu ploče sa 0,375 inča na 0,175 inča, na osnovu teorema o paralelnim osima. To je slučaj. Metoda, zajedno s dodatnim elementima teorije greda i klasične teorije laminata [CLT], korištena je za povezivanje momenta inercije i efektivne krutosti AMCB-a u punoj veličini s demo proizvodom manje veličine koji je lakši za rukovanje i isplativiji. Zatim smo... Model analize konačnih elemenata [FEA] koji je razvio XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, SAD) korišten je za poboljšanje dizajna strukturnih popravki.“ Tkanina od karbonskih vlakana korištena za testne ploče i AMCB model kupljena je od Vectorplyja, a balsa jezgro je proizveo Core Composites (Bristol, RI, SAD).
Korak 1. Ova testna ploča prikazuje rupu promjera 7,6 cm kako bi se simulirala oštećenja označena u sredini i popravio obim. Izvor fotografije za sve korake: Custom Technologies LLC.
Korak 2. Koristite ručnu brusilicu na baterije da uklonite oštećeni materijal i zatvorite mjesto popravke konusom 12:1.
„Želimo simulirati veći stepen oštećenja na testnoj ploči nego što bi se mogao vidjeti na mostovskoj konstrukciji na terenu“, objasnio je Bergen. „Dakle, naša metoda je da koristimo pilu za rupe kako bismo napravili rupu promjera 7,6 cm. Zatim izvučemo čep oštećenog materijala i koristimo ručnu pneumatsku brusilicu za obradu rupe u omjeru 12:1.“
Crane je objasnio da će se za popravku karbonskim vlaknima/epoksidom, nakon što se ukloni „oštećeni“ materijal panela i nanese odgovarajuća maramica, prepreg izrezati na širinu i dužinu kako bi odgovarao konusnom dijelu oštećenog područja. „Za našu testnu ploču, potrebna su četiri sloja preprega kako bi materijal za popravku bio u skladu s vrhom originalne neoštećene karbonske ploče. Nakon toga, tri pokrovna sloja karbonskog/epoksidnog preprega koncentriraju se na ovaj popravljeni dio. Svaki sljedeći sloj proteže se 2,5 cm sa svih strana donjeg sloja, što omogućava postepeni prijenos opterećenja s „dobrog“ okolnog materijala na popravljeno područje.“ Ukupno vrijeme potrebno za izvođenje ove popravke - uključujući pripremu područja za popravku, rezanje i postavljanje materijala za restauraciju i primjenu postupka sušenja - iznosi približno 2,5 sata.
Za prepreg od karbonskih vlakana/epoksida, područje popravke se vakuumski pakuje i suši na 99°C tokom jednog sata pomoću termičkog lijepioca na baterije.
Iako je popravka ugljikom/epoksidom jednostavna i brza, tim je prepoznao potrebu za praktičnijim rješenjem za vraćanje performansi. To je dovelo do istraživanja preprega koji se stvrdnjavaju ultraljubičastim (UV) zračenjem. „Interes za Sunrezove vinil esterske smole zasniva se na prethodnom iskustvu u pomorstvu s osnivačem kompanije, Markom Livesayem“, objasnio je Bergen. „Prvo smo Sunrezu obezbijedili kvazi-izotropnu staklenu tkaninu, koristeći njihov vinil esterski prepreg, i procijenili krivulju stvrdnjavanja pod različitim uslovima. Osim toga, budući da znamo da vinil esterska smola nije poput epoksidne smole koja pruža odgovarajuće performanse sekundarnog prianjanja, potrebni su dodatni napori za procjenu različitih sredstava za spajanje slojeva ljepila i određivanje koje je pogodno za primjenu.“
Drugi problem je što staklena vlakna ne mogu pružiti ista mehanička svojstva kao karbonska vlakna. „U poređenju sa karbonskim/epoksidnim flasterom, ovaj problem se rješava korištenjem dodatnog sloja stakla/vinil estera“, rekao je Crane. „Razlog zašto je potreban samo jedan dodatni sloj je taj što je stakleni materijal teža tkanina.“ Ovo proizvodi odgovarajući flaster koji se može nanijeti i kombinirati u roku od šest minuta čak i na vrlo niskim/niskim temperaturama unutar terena. Stvrdnjava se bez dovođenja toplote. Crane je istakao da se ovaj popravak može završiti u roku od sat vremena.
Oba sistema zakrpa su demonstrirana i testirana. Za svaku popravku, područje koje treba oštetiti se označava (korak 1), kreira se pilom za rupe, a zatim se uklanja pomoću ručne brusilice na baterije (korak 2). Zatim se popravljeno područje reže u omjeru konusa 12:1. Očistite površinu zakrpe alkoholnim jastučićem (korak 3). Zatim se zakrpa za popravku izreže na određenu veličinu, postavi na očišćenu površinu (korak 4) i učvrsti valjkom kako bi se uklonili mjehurići zraka. Za prepreg od staklenih vlakana/vinil estera koji se stvrdnjava UV zračenjem, stavite sloj za odvajanje na popravljeno područje i sušite zakrpu bežičnom UV lampom šest minuta (korak 5). Za prepreg od karbonskih vlakana/epoksida, koristite unaprijed programirani termalni lijepitelj s jednim dugmetom i napajanjem baterijama za vakuumsko pakiranje i sušenje popravljenog područja na 99°C tokom jednog sata.
Korak 5. Nakon što nanesete sloj za piling na popravljeno područje, koristite bežičnu UV lampu da osušite flaster 6 minuta.
„Zatim smo proveli testove kako bismo procijenili ljepljivost zakrpe i njenu sposobnost da obnovi nosivost konstrukcije“, rekao je Bergen. „U prvoj fazi moramo dokazati jednostavnost nanošenja i sposobnost oporavka najmanje 75% čvrstoće. To se postiže savijanjem u četiri tačke na gredi od karbonskih vlakana/epoksidne smole i balse dimenzija 4 x 48 inča nakon popravke simuliranog oštećenja. Da. U drugoj fazi projekta korištena je ploča dimenzija 12 x 48 inča i mora pokazati više od 90% zahtjeva za čvrstoću pod složenim opterećenjima naprezanja. Ispunili smo sve ove zahtjeve, a zatim fotografirali metode popravke na AMCB modelu. Kako koristiti tehnologiju i opremu na terenu kako bismo pružili vizualnu referencu.“
Ključni aspekt projekta je dokazati da početnici mogu lako izvršiti popravku. Iz tog razloga, Bergen je imao ideju: „Obećao sam da ću demonstrirati našim dvama tehničkim kontaktima u vojsci: dr. Bernardu Siji i Ashley Genni. U završnom pregledu prve faze projekta, tražio sam da se ne vrše popravke. Iskusna Ashley je izvršila popravku. Koristeći komplet i priručnik koji smo obezbijedili, nanijela je zakrpu i završila popravku bez ikakvih problema.“
Slika 2. Baterijski napajana, unaprijed programirana mašina za termičko lijepljenje može očvrsnuti zakrpu za popravku od karbonskih vlakana/epoksida pritiskom na dugme, bez potrebe za znanjem o popravci ili programiranjem ciklusa očvršćavanja. Izvor slike: Custom Technologies, LLC
Još jedan ključni razvoj je sistem za stvrdnjavanje na baterije (Slika 2). „Tokom održavanja na terenu, imate samo napajanje iz baterija“, istakao je Bergen. „Sva procesna oprema u kompletu za popravku koji smo razvili je bežična.“ To uključuje mašinu za termičko lijepljenje na baterije koju su zajednički razvili Custom Technologies i dobavljač mašina za termičko lijepljenje WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, SAD). „Ovaj uređaj za termičko lijepljenje na baterije je unaprijed programiran za završetak stvrdnjavanja, tako da početnici ne moraju programirati ciklus stvrdnjavanja“, rekao je Crane. „Samo trebaju pritisnuti dugme da bi dovršili odgovarajuće ubrzanje i namakanje.“ Baterije koje se trenutno koriste mogu trajati godinu dana prije nego što ih je potrebno ponovo napuniti.
Završetkom druge faze projekta, Custom Technologies priprema prijedloge za daljnja poboljšanja i prikuplja pisma interesa i podrške. „Naš cilj je da ovu tehnologiju dovedemo do TRL 8 i dovedemo je na teren“, rekao je Bergen. „Također vidimo potencijal za nevojne primjene.“
Objašnjava staru umjetnost koja stoji iza prvog ojačanja vlaknima u industriji i ima dubinsko razumijevanje nove nauke o vlaknima i budućeg razvoja.
Uskoro stiže i prvi put leti, 787 se oslanja na inovacije u kompozitnim materijalima i procesima kako bi postigao svoje ciljeve.
Vrijeme objave: 02.09.2021.