De draachbere kit kin reparearre wurde mei UV-úthardbere glêstried/vinylester of koalstoffiber/epoxy prepreg dy't op keamertemperatuer opslein wurdt en batterij-oandreaune úthardingsapparatuer. #insidemanufacturing #infrastructure
UV-genêsbere prepreg-patchreparaasje Hoewol't de koalstoffiber/epoxy-prepreg-reparaasje ûntwikkele troch Custom Technologies LLC foar de ynfjildkompositbrêge ienfâldich en rap bliek te wêzen, hat it gebrûk fan glêstriedfersterke UV-genêsbere vinylesterhars Prepreg in handiger systeem ûntwikkele. Ofbyldingsboarne: Custom Technologies LLC
Modulêre útwreidbere brêgen binne krúsjale aktiva foar militêre taktyske operaasjes en logistyk, lykas it herstel fan ferfierynfrastruktuer by natuerrampen. Komposite struktueren wurde bestudearre om it gewicht fan sokke brêgen te ferminderjen, wêrtroch't de lêst op transportmiddelen en lansearring- en herstelmeganismen wurdt fermindere. Yn ferliking mei metalen brêgen hawwe kompositmaterialen ek de potinsje om de draachkapasiteit te fergrutsjen en de libbensdoer te ferlingjen.
De Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) is in foarbyld. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, FS) en Materials Sciences LLC (Horsham, PA, FS) brûke koalstoffiberfersterke epoxylaminaten (Ofbylding 1). ) Untwerp en konstruksje). De mooglikheid om sokke struktueren yn it fjild te reparearjen is lykwols in probleem west dat de oannimmen fan kompositmaterialen hinderet.
Figuer 1 Kompositbrêge, wichtige asset yn it fjild De Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) is ûntworpen en boud troch Seemann Composites LLC en Materials Sciences LLC mei gebrûk fan koalstofvezelfersterke epoxyharskompositen. Ofbyldingsboarne: Seeman Composites LLC (lofts) en it Amerikaanske leger (rjochts).
Yn 2016 krige Custom Technologies LLC (Millersville, MD, FS) in troch it Amerikaanske leger finansierde Small Business Innovation Research (SBIR) Fase 1-subsydzje om in reparaasjemetoade te ûntwikkeljen dy't mei súkses op lokaasje troch soldaten útfierd wurde kin. Op basis fan dizze oanpak waard yn 2018 de twadde faze fan 'e SBIR-subsydzje takend om nije materialen en batterij-oandreaune apparatuer te sjen litten, sels as de reparaasje wurdt útfierd troch in begjinner sûnder foarôfgeande training, kin 90% of mear fan 'e struktuer weromset wurde op rûge sterkte. De helberens fan 'e technology wurdt bepaald troch it útfieren fan in searje analyses, materiaalseleksje, specimenproduksje en meganyske testtaken, lykas lytsskalige en folsleine reparaasjes.
De wichtichste ûndersiker yn 'e twa SBIR-fazen is Michael Bergen, de oprjochter en presidint fan Custom Technologies LLC. Bergen gie mei pensjoen fan Carderock fan it Naval Surface Warfare Center (NSWC) en tsjinne 27 jier yn 'e ôfdieling Structures and Materials, dêr't hy de ûntwikkeling en tapassing fan komposittechnologyen yn 'e float fan 'e Amerikaanske Marine behearde. Dr. Roger Crane kaam yn 2015 by Custom Technologies nei't er yn 2011 mei pensjoen gie by de Amerikaanske Marine en dêr 32 jier tsjinne hat. Syn ekspertize op it mêd fan kompositmaterialen omfettet technyske publikaasjes en patinten, dy't ûnderwerpen behannelje lykas nije kompositmaterialen, prototypeproduksje, ferbiningsmetoaden, multifunksjonele kompositmaterialen, strukturele sûnensmonitoring en restauraasje fan kompositmaterialen.
De twa saakkundigen hawwe in unyk proses ûntwikkele dat gearstalde materialen brûkt om de skuorren yn 'e aluminium boppebou fan' e Ticonderoga CG-47-klasse raketkruiser 5456 te reparearjen. "It proses is ûntwikkele om de groei fan skuorren te ferminderjen en te tsjinjen as in ekonomysk alternatyf foar it ferfangen fan in platfoarmboerd fan 2 oant 4 miljoen dollar," sei Bergen. "Sa hawwe wy bewiisd dat wy witte hoe't wy reparaasjes bûten it laboratoarium en yn in echte tsjinstomjouwing útfiere kinne. Mar de útdaging is dat hjoeddeistige militêre aktiva-metoaden net heul suksesfol binne. De opsje is bonded duplex-reparaasje [yn prinsipe yn beskeadige gebieten in boerd oan 'e boppekant lijm] of it aktiva út tsjinst nimme foar reparaasjes op pakhúsnivo (D-nivo). Omdat reparaasjes op D-nivo nedich binne, wurde in protte aktiva oan 'e kant set."
Hy sei fierder dat wat nedich is in metoade is dy't útfierd wurde kin troch soldaten sûnder ûnderfining mei gearstalde materialen, mei allinich kits en ûnderhâldshandleidingen. Us doel is om it proses ienfâldich te meitsjen: lês de hantlieding, evaluearje de skea en fier reparaasjes út. Wy wolle gjin floeibere harsen mingje, om't dit krekte mjitting fereasket om folsleine útharding te garandearjen. Wy hawwe ek in systeem nedich sûnder gefaarlik ôffal nei't reparaasjes foltôge binne. En it moat ynpakt wurde as in kit dy't ynset wurde kin troch it besteande netwurk.
Ien oplossing dy't Custom Technologies mei súkses demonstrearre hat, is in draachbere kit dy't in ferhurde epoxylijm brûkt om de kleefkompositpatch oan te passen neffens de grutte fan 'e skea (oant 12 fjouwerkante inch). De demonstraasje waard foltôge op in kompositmateriaal dat in 3-inch dik AMCB-dek fertsjintwurdiget. It kompositmateriaal hat in 3-inch dikke balsahoutkearn (15 pûn per kubike foet tichtens) en twa lagen Vectorply (Phoenix, Arizona, FS) C-LT 1100 koalstofvezel 0°/90° biaxiaal gestikte stof, ien laach C-TLX 1900 koalstofvezel 0°/+45°/-45° trije assen en twa lagen C-LT 1100, in totaal fan fiif lagen. "Wy hawwe besletten dat de kit prefab patches sil brûke yn in quasi-isotropysk laminaat fergelykber mei in multi-assige, sadat de rjochting fan 'e stof gjin probleem sil wêze," sei Crane.
It folgjende probleem is de harsmatrix dy't brûkt wurdt foar laminaatreparaasje. Om mingjen fan floeibere hars te foarkommen, sil de patch prepreg brûke. "Dizze útdagings binne lykwols opslach," ferklearre Bergen. Om in opslaanbere patchoplossing te ûntwikkeljen, hat Custom Technologies gearwurke mei Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornje, Feriene Steaten) om in glêstried/vinylester prepreg te ûntwikkeljen dy't ultraviolet ljocht (UV) yn seis minuten ljochtútharding kin brûke. It wurke ek gear mei Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, Feriene Steaten), dy't it gebrûk fan in nije fleksibele epoxyfilm suggerearren.
Eardere stúdzjes hawwe oantoand dat epoksyhars de meast geskikte hars is foar koalstofvezel prepregs - UV-úthardbere vinylester en trochsichtige glêstried wurkje goed, mar útharde net ûnder ljochtblokkearjende koalstofvezel. Op basis fan 'e nije film fan Gougeon Brothers wurdt de definitive epoksy prepreg 1 oere útharde by 99 °C en hat in lange houdbaarheid by keamertemperatuer - gjin needsaak foar opslach by lege temperatuer. Bergen sei dat as in hegere glêsoergongstemperatuer (Tg) nedich is, de hars ek útharde wurdt by in hegere temperatuer, lykas 177 °C. Beide prepregs wurde levere yn in draachbere reparaasjeset as in stapel prepreg-patches fersegele yn in plestik filmomhulsel.
Omdat de reparaasjeset lang opslein wurde kin, is Custom Technologies ferplichte om in houdbaarheidsstúdzje út te fieren. "Wy hawwe fjouwer hurde plestik behuizingen kocht - in typysk militêr type dat brûkt wurdt yn ferfiermiddels - en hawwe samples fan epoxylijm en vinylester-prepreg yn elke behuizing dien," sei Bergen. De doazen waarden doe op fjouwer ferskillende lokaasjes pleatst foar testen: it dak fan 'e Gougeon Brothers-fabryk yn Michigan, it dak fan it fleanfjild fan Maryland, de bûtenfoarsjenning yn Yucca Valley (woastyn fan Kalifornje), en it laboratoarium foar korrosjetesten bûten yn súdlik Florida. Alle gefallen hawwe dataloggers, wiist Bergen derop: "Wy nimme elke trije moannen gegevens- en materiaalmonsters foar evaluaasje. De maksimale temperatuer dy't yn 'e doazen yn Florida en Kalifornje registrearre wurdt, is 140 °F, wat goed is foar de measte restauraasjeharsen. It is in echte útdaging." Derneist hat Gougeon Brothers de nij ûntwikkele suvere epoxyhars yntern testen. "Samples dy't ferskate moannen yn in oven op 120 °F pleatst binne, begjinne te polymerisearjen," sei Bergen. "Foar de oerienkommende samples dy't by 110 °F hâlden waarden, ferbettere de harskemy lykwols mar in bytsje."
De reparaasje waard ferifiearre op it testboerd en dit skaalmodel fan AMCB, dat itselde laminaat en kearnmateriaal brûkte as de orizjinele brêge boud troch Seemann Composites. Ofbyldingsboarne: Custom Technologies LLC
Om de reparaasjetechnyk te demonstrearjen, moat in represintatyf laminaat makke, beskeadige en reparearre wurde. "Yn 'e earste faze fan it projekt hawwe wy yn earste ynstânsje lytsskalige 4 x 48-inch balken en fjouwerpuntsbûgingstesten brûkt om de mooglikheid fan ús reparaasjeproses te evaluearjen," sei Klein. "Doe binne wy yn 'e twadde faze fan it projekt oergien nei 12 x 48 inch panielen, hawwe wy lesten tapast om in biaxiale spanningssteat te generearjen om falen te feroarsaakjen, en hawwe wy doe de reparaasjeprestaasjes evaluearre. Yn 'e twadde faze hawwe wy ek it AMCB-model foltôge dat wy foar ûnderhâld boud hawwe."
Bergen sei dat it testpaniel dat brûkt waard om de reparaasjeprestaasjes te bewizen, produsearre waard mei deselde line fan laminaten en kearnmaterialen as AMCB produsearre troch Seemann Composites, "mar wy hawwe de panieldikte fermindere fan 0,375 inch nei 0,175 inch, basearre op 'e parallelle-as-stelling. Dit is it gefal. De metoade, tegearre mei de ekstra eleminten fan balkteory en klassike laminaatteory [CLT], waard brûkt om it traachheidsmomint en de effektive styfheid fan 'e folsleine AMCB te keppele oan in demoprodukt fan lytsere grutte dat makliker te behanneljen en kosteneffektiver is. Doe hawwe wy It eindige elemintenanalysemodel [FEA] ûntwikkele troch XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, FS) waard brûkt om it ûntwerp fan strukturele reparaasjes te ferbetterjen." De koalstofvezelstof dy't brûkt waard foar de testpanielen en it AMCB-model waard kocht fan Vectorply, en de balsakearn waard makke troch Core Composites (Bristol, RI, FS) levere.
Stap 1. Dit testpaniel toant in gat mei in diameter fan 7,5 sm om skea te simulearjen dy't yn it sintrum markearre is en de omtrek te reparearjen. Fotoboarne foar alle stappen: Custom Technologies LLC.
Stap 2. Brûk in batterij-oandreaune hânmjittige slypmasine om it beskeadige materiaal te ferwiderjen en de reparaasjepleats ôf te sluten mei in 12:1-talige slypferhâlding.
"Wy wolle in hegere mjitte fan skea op it testboerd simulearje as miskien te sjen is op it brêgedek yn it fjild," ferklearre Bergen. "Dus ús metoade is om in gatseage te brûken om in gat mei in diameter fan 3 inch te meitsjen. Dan lûke wy de plug út it beskeadige materiaal en brûke wy in hânmjittige pneumatyske slypmasine om in 12:1 sjaal te ferwurkjen."
Crane ferklearre dat foar reparaasje fan koalstofvezel/epoxy, as it "beskeadige" panielmateriaal ienris fuorthelle is en in passende sjaal oanbrocht is, de prepreg op breedte en lingte snien wurdt om oerien te kommen mei de tapsheid fan it beskeadige gebiet. "Foar ús testpaniel binne hjir fjouwer lagen prepreg nedich om it reparaasjemateriaal konsekwint te hâlden mei de boppekant fan it orizjinele net-beskeadige koalstofpaniel. Dêrnei wurde de trije dekkende lagen fan koalstof/epoxy prepreg konsintrearre op it reparearre diel. Elke opienfolgjende laach strekt him 1 inch út oan alle kanten fan 'e ûnderste laach, wat soarget foar in stadige ladingoerdracht fan it "goede" omlizzende materiaal nei it reparearre gebiet." De totale tiid om dizze reparaasje út te fieren - ynklusyf de tarieding fan it reparaasjegebiet, it snijen en pleatsen fan it restauraasjemateriaal en it tapasse fan 'e úthardingsproseduere - duorret sawat 2,5 oeren.
Foar koalstoffiber/epoxy prepreg wurdt it reparaasjegebiet fakuümferpakt en ien oere lang úthard by 210 °F/99 °C mei in batterij-oandreaune termyske bonder.
Hoewol't koalstof/epoxy-reparaasje ienfâldich en fluch is, erkende it team de needsaak foar in handiger oplossing om prestaasjes te herstellen. Dit late ta it ûndersykjen fan ultraviolet (UV) úthardende prepregs. "De belangstelling foar Sunrez vinylesterharsen is basearre op eardere marine-ûnderfining mei de oprjochter fan it bedriuw, Mark Livesay," ferklearre Bergen. "Wy hawwe earst Sunrez in quasi-isotropyske glêstried levere, mei help fan har vinylester-prepreg, en de úthardingskromme ûnder ferskate omstannichheden evaluearre. Derneist, om't wy witte dat vinylesterhars net lykas epoxyhars is, leveret dat geskikte sekundêre adhesionprestaasjes, dus binne ekstra ynspanningen nedich om ferskate koppelingsmiddels foar de kleeflaach te evaluearjen en te bepalen hokker geskikt is foar de tapassing."
In oar probleem is dat glêsfezels net deselde meganyske eigenskippen kinne biede as koalstofvezels. "Yn ferliking mei in koalstof/epoxy-patch wurdt dit probleem oplost troch in ekstra laach glês/vinylester te brûken," sei Crane. "De reden wêrom't mar ien ekstra laach nedich is, is dat it glêsmateriaal in swierdere stof is." Dit produseart in gaadlike patch dy't binnen seis minuten oanbrocht en kombinearre wurde kin, sels by tige kâlde/friezende temperatueren yn it fjild. Útharding sûnder waarmte te leverjen. Crane wiisde derop dat dit reparaasjewurk binnen in oere foltôge wurde kin.
Beide patchsystemen binne demonstrearre en hifke. Foar elke reparaasje wurdt it te beskeadigjen gebiet markearre (stap 1), makke mei in gatseage, en dan fuorthelle mei in batterij-oandreaune hânmjittige slypmasine (stap 2). Snij dan it reparearre gebiet yn in 12:1-talige foarm. Meitsje it oerflak fan 'e sjaal skjin mei in alkoholpad (stap 3). Snij dan de reparaasjepatch op in bepaalde grutte, pleats it op it skjinmakke oerflak (stap 4) en konsolidearje it mei in roller om luchtbellen te ferwiderjen. Foar glêstried/UV-úthardende vinylester prepreg, pleats dan de ûntslutingslaach op it reparearre gebiet en úthard de patch mei in draadloze UV-lampe foar seis minuten (stap 5). Foar koalstoffiber/epoxy prepreg, brûk in foarprogrammearre, ien-knop, batterij-oandreaune termyske bonder om it reparearre gebiet te fakuümpakken en te útharden by 210°F/99°C foar ien oere.
Stap 5. Nei it pleatsen fan 'e peelinglaach op it reparearre gebiet, brûk in draadloze UV-lampe om de patch 6 minuten te útharden.
"Doe hawwe wy testen útfierd om de kleefkracht fan 'e patch te evaluearjen en syn fermogen om it draachfermogen fan 'e struktuer te herstellen," sei Bergen. "Yn 'e earste faze moatte wy it gemak fan tapassing en it fermogen om teminsten 75% fan 'e sterkte te herstellen bewize. Dit wurdt dien troch fjouwerpuntsbûging op in 4 x 48 inch koalstoffaser/epoxyhars en balsakearnbalke nei it reparearjen fan 'e simulearre skea. Ja. De twadde faze fan it projekt brûkte in 12 x 48 inch paniel, en moat mear as 90% sterkte-easken ûnder komplekse spanningsbelastingen fertoane. Wy hawwe oan al dizze easken foldien, en doe de reparaasjemetoaden fotografearre op it AMCB-model. Hoe kinne jo technology en apparatuer yn it fjild brûke om in fisuele referinsje te jaan."
In wichtich aspekt fan it projekt is om te bewizen dat begjinners de reparaasje maklik útfiere kinne. Dêrom hie Bergen in idee: "Ik haw tasein om ús twa technyske kontakten yn it leger te demonstrearjen: Dr. Bernard Sia en Ashley Genna. Yn 'e lêste resinsje fan' e earste faze fan it projekt haw ik frege om gjin reparaasjes. De erfarne Ashley fierde de reparaasje út. Mei de kit en hantlieding dy't wy levere hawwe, hat se de patch oanbrocht en de reparaasje sûnder problemen foltôge."
Figuer 2 De batterij-oandreaune, foarprogrammearre, batterij-oandreaune termyske bondingmasine kin de reparaasjepatch fan koalstofvezel/epoxy mei in druk op de knop útharde, sûnder dat jo kennis fan reparaasje of it programmearjen fan in úthardingssyklus nedich binne. Ofbyldingsboarne: Custom Technologies, LLC
In oare wichtige ûntwikkeling is it batterij-oandreaune úthardingssysteem (figuer 2). "Troch ûnderhâld yn it fjild hawwe jo allinich batterijkrêft," wiisde Bergen derop. "Alle prosesapparatuer yn 'e reparaasjekit dy't wy ûntwikkele hawwe is draadloos." Dit omfettet batterij-oandreaune termyske bonding dy't mienskiplik ûntwikkele is troch Custom Technologies en leveransier fan termyske bondingmasines WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, Feriene Steaten). "Dizze batterij-oandreaune termyske bonder is foarprogrammearre om it útharden te foltôgjen, sadat begjinners de úthardingssyklus net hoege te programmearjen," sei Crane. "Se hoege allinich op in knop te drukken om de juste oprit en it weak te foltôgjen." De batterijen dy't op it stuit yn gebrûk binne, kinne in jier duorje foardat se opnij laden moatte wurde.
Mei de foltôging fan 'e twadde faze fan it projekt is Custom Technologies dwaande mei it tarieden fan ferbetteringsfoarstellen foar fierdere ûntwikkelingen en it sammeljen fan brieven fan belangstelling en stipe. "Us doel is om dizze technology te ûntwikkeljen ta TRL 8 en it nei it fjild te bringen," sei Bergen. "Wy sjogge ek it potinsjeel foar net-militêre tapassingen."
Ferklearret de âlde keunst efter de earste glêstriedfersterking yn 'e yndustry, en hat in djipgeand begryp fan nije glêstriedwittenskip en takomstige ûntwikkeling.
De 787 komt gau en fljocht foar it earst, en fertrout op ynnovaasjes yn kompositmaterialen en prosessen om syn doelen te berikken.
Pleatsingstiid: 2 septimber 2021