De draachbere kit kin wurde reparearre mei UV-geneesbere glêstried / vinylester of koalstoffaser / epoksy prepreg opslein by keamertemperatuer en batterij-oandreaune curing apparatuer. #insidemanufacturing #ynfrastruktuer
UV-geneesbere prepreg patch-reparaasje Hoewol de koalstoffaser / epoksy-prepreg-reparaasje ûntwikkele troch Custom Technologies LLC foar de ynfield gearstalde brêge blykte ienfâldich en fluch te wêzen, hat it gebrûk fan glêsfezelfersterke UV-geneesbere vinylesterhars Prepreg in handiger systeem ûntwikkele . Ofbylding boarne: Custom Technologies LLC
Modulêre ynsetbere brêgen binne krityske aktiva foar militêre taktyske operaasjes en logistyk, lykas ek de restauraasje fan ferfierynfrastruktuer by natuerrampen. Gearstalde struktueren wurde studearre om it gewicht fan sokke brêgen te ferminderjen, en dêrmei de lêst op ferfierauto's en meganismen foar lansearring-herstel te ferminderjen. Yn ferliking mei metalen brêgen hawwe gearstalde materialen ek it potinsjeel 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 koalstoffaserfersterke epoksylaminaten (figuer 1). ) Untwerp en bou). De mooglikheid om sokke struktueren yn it fjild te reparearjen hat lykwols in probleem west dat de oanname fan gearstalde materialen hinderet.
Figure 1 Composite brêge, kaai infield asset Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) waard ûntwurpen en oanlein troch Seemann Composites LLC en Materials Sciences LLC mei help fan koalstof fibre fersterke epoksy hars composites. Ofbyldingboarne: Seeman Composites LLC (links) en it Amerikaanske leger (rjochts).
Yn 2016 krige Custom Technologies LLC (Millersville, MD, FS) in faze 1 subsydzje foar Small Business Innovation Research (SBIR) finansierd troch it Amerikaanske leger om in reparaasjemetoade te ûntwikkeljen dy't mei súkses op it plak kin wurde útfierd troch soldaten. Op grûn fan dizze oanpak waard de twadde faze fan 'e SBIR-subsydzje takend yn 2018 om nije materialen en batterij-oandreaune apparatuer te werjaan, sels as de patch wurdt útfierd troch in novice sûnder foarôfgeande training, kin 90% of mear fan' e struktuer Raw wurde hersteld sterkte. De helberens fan 'e technology wurdt bepaald troch it útfieren fan in searje analyse, materiaalseleksje, eksimplaarproduksje en meganyske testtaken, lykas lytsskalige en folsleine reparaasjes.
De haadûndersiker yn 'e twa SBIR-fazen is Michael Bergen, de oprjochter en presidint fan Custom Technologies LLC. Bergen gie mei pensjoen út Carderock fan it Naval Surface Warfare Center (NSWC) en tsjinne 27 jier yn 'e ôfdieling Structures and Materials, wêr't hy de ûntwikkeling en tapassing fan gearstalde technologyen yn' e float fan 'e Amerikaanske marine behearde. Dr Roger Crane kaam by Custom Technologies yn 2015 nei't er yn 2011 mei pensjoen gie fan 'e Amerikaanske marine en hat tsjinne foar 32 jier. Syn ekspertize fan gearstalde materialen omfettet technyske publikaasjes en oktroaien, dy't ûnderwerpen behannelje lykas nije gearstalde materialen, prototypefabryk, ferbiningsmetoaden, multyfunksjonele gearstalde materialen, strukturele sûnensmonitoring, en restauraasje fan gearstalde materiaal.
De twa saakkundigen hawwe ûntwikkele in unyk proses dat brûkt gearstalde materialen te reparearjen de skuorren yn de aluminium boppebou fan de Ticonderoga CG-47 klasse begelaat missile cruiser 5456. "It proses waard ûntwikkele om te ferminderjen de groei fan skuorren en te tsjinjen as in ekonomysk alternatyf oan it ferfangen fan in platfoarm board 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 kinne útfiere. Mar de útdaging is dat hjoeddeistige metoaden fan militêre asset net heul suksesfol binne. De opsje is bonded duplex reparaasje [yn prinsipe yn beskeadige gebieten Lijm in boerd oan de top] of fuortsmite de asset út tsjinst foar warehouse-nivo (D-nivo) reparaasjes. Om't reparaasjes op D-nivo nedich binne, wurde in protte aktiva oan 'e kant set."
Hy gie fierder te sizzen dat wat nedich is in metoade dy't kin wurde útfierd troch soldaten sûnder ûnderfining yn gearstalde materialen, mei allinich kits en ûnderhâldshânliedingen. Us doel is om it proses ienfâldich te meitsjen: lês de hantlieding, evaluearje de skea en fiere reparaasjes út. Wy wolle gjin floeibere harsen mingje, om't dit krekte mjitting fereasket om folsleine genêzing te garandearjen. Wy hawwe ek in systeem nedich sûnder gefaarlik ôffal neidat reparaasjes binne foltôge. En it moat wurde ferpakt as in kit dat kin wurde ynset troch it besteande netwurk. ”
Ien oplossing dy't Custom Technologies mei súkses demonstrearre is in draachbere kit dy't in ferhurde epoksy-lijm brûkt om de kleefkomposite-pleister oan te passen neffens de grutte fan 'e skea (oant 12 fjouwerkante inch). De demonstraasje waard foltôge op in gearstalde materiaal dat in 3-inch dikke AMCB-dek fertsjintwurdiget. It gearstalde materiaal hat in 3-inch dikke balsa hout kearn (15 pûn per kubike foet tichtens) en twa lagen Vectorply (Phoenix, Arizona, FS) C -LT 1100 koalstoffaser 0 ° / 90 ° biaxial stitched stof, ien laach fan C-TLX 1900 koalstoffaser 0 ° / + 45 ° / -45 ° trije shafts en twa lagen fan C-LT 1100, yn totaal fiif lagen. "Wy besletten dat it kit prefabrikeare patches sil brûke yn in quasi-isotropysk laminaat fergelykber mei in multi-as, sadat de stofrjochting gjin probleem sil wêze," sei Crane.
It folgjende probleem is de harsmatrix brûkt foar laminaatreparaasje. Om it mingjen fan floeibere hars te foarkommen, sil de patch prepreg brûke. "Dizze útdagings binne lykwols opslach," ferklearre Bergen. Foar it ûntwikkeljen fan in opslachbare patch-oplossing, hat Custom Technologies gearwurke mei Sunrez Corp. It wurke ek gear mei Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, FS), dy't suggerearre it brûken fan in nije fleksibele epoksyfilm.
Iere ûndersiken hawwe oantoand dat epoksyhars de meast geskikte hars is foar prepregs fan koalstoffaser-UV-geneesbere vinylester en trochsichtige glêstried wurkje goed, mar genêze net ûnder ljochtblokkearjende koalstoffaser. Op grûn fan 'e nije film fan Gougeon Brothers wurdt de lêste epoksy-prepreg 1 oere genêzen by 210 ° F / 99 ° C en hat in lange houdbaarheid by keamertemperatuer - gjin needsaak foar opslach by lege temperatuer. Bergen sei dat as in hegere glêstransysjetemperatuer (Tg) fereaske is, sil de hars ek genêzen wurde op in hegere temperatuer, lykas 350 ° F / 177 ° C. Beide prepregs wurde foarsjoen yn in draachbere reparaasje kit as in stapel prepreg patches fersegele yn in plestik film envelope.
Sûnt de reparaasje kit kin wurde opslein foar in lange tiid, Custom Technologies is ferplichte te fieren in shelf libben stúdzje. "Wy kochten fjouwer hurde plestik kasten - in typysk militêr type dat brûkt wurdt yn ferfierapparatuer - en sette samples fan epoksy-kleefstof en vinylester prepreg yn elke kast," sei Bergen. De doazen waarden doe pleatst op fjouwer ferskillende lokaasjes foar testen: it dak fan 'e Gougeon Brothers fabryk yn Michigan, it dak fan' e Maryland fleanfjild, de iepenloft foarsjenning yn Yucca Valley (Kalifornje woastyn), en de iepenloft corrosie test laboratoarium yn súdlik Florida. Alle gefallen hawwe dataloggers, seit Bergen, "Wy nimme elke trije moannen gegevens en materiaalmonsters foar evaluaasje. De maksimale temperatuer opnommen yn 'e doazen yn Florida en Kalifornje is 140 ° F, dat is goed foar de measte restauraasjeharsen. It is in echte útdaging.” Derneist testen Gougeon Brothers yntern de nij ûntwikkele suvere epoksyhars. "Samplen dy't ferskate moannen yn in oven op 120 ° F binne pleatst begjinne te polymerisearjen," sei Bergen. "Foar de korrespondearjende samples hâlden op 110 ° F lykwols, ferbettere de harschemie mar in lyts bedrach."
De reparaasje waard ferifiearre op it testboerd en dit skaalmodel fan AMCB, dy't itselde laminaat en kearnmateriaal brûkte as de oarspronklike brêge boud troch Seemann Composites. Ofbylding boarne: Custom Technologies LLC
Om de reparaasjetechnyk te demonstrearjen, moat in represintatyf laminaat wurde produsearre, beskeadige en repareare. "Yn 'e earste faze fan it projekt brûkten wy yn earste ynstânsje lytsskalige 4 x 48-inch balken en fjouwer-punt bûgtests om de helberens fan ús reparaasjeproses te evaluearjen," sei Klein. "Dan binne wy oergien nei 12 x 48 inch panielen yn 'e twadde faze fan it projekt, tapasten loads om in biaxiale stressstatus te generearjen om mislearring te feroarsaakjen, en evalueare doe de reparaasjeprestaasjes. Yn 'e twadde faze hawwe wy ek it AMCB-model foltôge dat wy ûnderhâld hawwe boud.
Bergen sei dat it testpaniel dat brûkt waard om te bewizen dat de reparaasjeprestaasjes waard produsearre mei deselde lineage fan laminaten en kearnmaterialen as AMCB produsearre troch Seemann Composites, "mar wy fermindere de panieldikte fan 0,375 inch nei 0,175 inch, basearre op it stelling fan 'e parallelle as . Dit is it gefal. De metoade, tegearre mei de ekstra eleminten fan beamteory en klassike laminateteory [CLT], waard brûkt om it momint fan inertia en effektive stivens fan 'e folsleine AMCB te keppeljen mei in lytsere demo-produkt dat makliker te behanneljen is en mear kosten-effektyf. Dan, wy It einige elemint analyze [FEA] model ûntwikkele troch XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, FS) waard brûkt om te ferbetterjen it ûntwerp fan strukturele reparaasjes. De koalstoffaserstof brûkt foar de testpanielen en it AMCB-model waard kocht fan Vectorply, en de balsa-kearn waard makke troch Core Composites (Bristol, RI, US) foarsjoen.
Stap 1. Dit test paniel lit in 3 inch gat diameter te simulearjen skea markearre yn it sintrum en reparearje de omtrek. Foto boarne foar alle stappen: Custom Technologies LLC.
Stap 2. Brûk in batterij-oandreaune hânmjittich grinder te ferwiderjen de skansearre materiaal en enclose de reparaasje patch mei in 12: 1 taper.
"Wy wolle in hegere graad fan skea simulearje op it testboerd dan kin sjoen wurde op it brêgedek yn it fjild," ferklearre Bergen. "Dat ús metoade is om in gatzaag te brûken om in gat fan 3-inch diameter te meitsjen. Dan lûke wy de plug fan it beskeadige materiaal út en brûke in pneumatyske grinder mei de hân om in 12: 1 sjaal te ferwurkjen.
Crane ferklearre dat foar reparaasje fan koalstoffaser / epoksy, ienris it "beskeadige" panielmateriaal is fuorthelle en in passende sjaal wurdt tapast, sil de prepreg yn 'e breedte en lingte ôfsnien wurde om de taper fan it skansearre gebiet te passen. "Foar ús testpaniel fereasket dit fjouwer lagen fan prepreg om it reparaasjemateriaal konsekwint te hâlden mei de top fan it orizjinele ûnbeskeadige koalstofpaniel. Dêrnei wurde de trije dekkende lagen fan koalstof / epoksy prepreg konsintrearre op dizze Op it reparearre diel. Elke opienfolgjende laach wreidet 1 inch út oan alle kanten fan 'e legere laach, dy't in graduele ladingsferfier leveret fan it "goede" omlizzende materiaal nei it repareare gebiet. De totale tiid te fieren dizze reparaasje-ynklusyf reparaasje gebiet tarieding, Cutting en pleatsen fan de restauraasje materiaal en it tapassen fan de curing proseduere-likernôch 2,5 oeren.
Foar prepreg fan koalstoffaser / epoksy wurdt it reparaasjegebiet fakuüm ynpakt en genêzen by 210 ° F / 99 ° C foar ien oere mei in batterij-oandreaune termyske bonder.
Hoewol't koalstof / epoksy-reparaasje ienfâldich en fluch is, erkende it team de needsaak foar in handiger oplossing om prestaasjes te herstellen. Dit late ta de ferkenning fan ultraviolet (UV) curing prepregs. "De belangstelling foar Sunrez vinylesterharsen is basearre op eardere marineûnderfining mei de oprjochter fan it bedriuw Mark Livesay," ferklearre Bergen. "Wy hawwe Sunrez earst in kwasi-isotropyske glêzen stof levere, mei har vinylester prepreg, en evaluearren de curve ûnder ferskate omstannichheden. Derneist, om't wy witte dat vinylesterhars net lykas epoksyhars is. Dat leveret geskikte sekundêre adhesionprestaasjes, dus ekstra ynspanningen binne nedich om ferskate adhesive laach-koppelingsmiddels te evaluearjen en te bepalen hokker geskikt is foar de applikaasje.
In oar probleem is dat glêsfezels net deselde meganyske eigenskippen kinne leverje as koalstoffezels. "Yn ferliking mei koalstof / epoksy patch, dit probleem wurdt oplost troch it brûken fan in ekstra laach fan glês / vinyl ester,"Sa Crane. "De reden wêrom't mar ien ekstra laach nedich is, is dat it glêzen materiaal in swierdere stof is." Dit produsearret in geskikte patch dy't kin wurde tapast en kombinearre binnen seis minuten sels by tige kâld / freezing infield temperatueren. Curing sûnder waarmte te leverjen. Crane wiisde derop dat dit reparaasjewurk binnen in oere klear wêze kin.
Beide patchsystemen binne oantoand en hifke. Foar elke reparaasje wurdt it te skansearjen gebiet markearre (stap 1), makke mei in gatseage, en dan fuortsmiten mei in batterij-oandreaune hânlieding (stap 2). Snij dan it reparearre gebiet yn in 12: 1 taper. Skjinmeitsje it oerflak fan 'e sjaal mei in alkohol pad (stap 3). Folgjende, snij de reparaasje patch nei in bepaalde grutte, plak it op it skjinmakke oerflak (stap 4) en konsolidearje it mei in roller te ferwiderje luchtbellen. Foar glêstried / UV-curing vinyl ester prepreg, dan pleatst de release laach op it reparearre gebiet en genêzen de patch mei in cordless UV lamp foar seis minuten (stap 5). Foar koalstoffaser / epoksy prepreg, brûk in foarprogrammearre, ien-knop, batterij-oandreaune termyske bonder te fakuüm pack en genêzen it reparearre gebiet op 210 ° F / 99 ° C foar ien oere.
Stap 5. Nei it pleatsen fan de peeling laach op it reparearre gebiet, brûk in cordless UV lampe te genêzen de patch foar 6 minuten.
"Dan hawwe wy tests útfierd om de adhesiveness fan 'e patch te evaluearjen en har fermogen om de load-bearing kapasiteit fan' e struktuer te restaurearjen," sei Bergen. "Yn 'e earste faze moatte wy it gemak fan tapassing en de mooglikheid bewize om op syn minst 75% fan' e sterkte te herstellen. Dit wurdt dien troch fjouwer-punt bûgen op in 4 x 48 inch koalstof fibre / epoksy hars en balsa kearn beam nei reparaasje fan de simulearre skea. Ja. De twadde faze fan it projekt brûkt in 12 x 48 inch paniel, en moat eksposearje mear as 90% sterkte easken ûnder komplekse strain loads. Wy moete al dizze easken, en dan fotografearre de reparaasje metoaden op de AMCB model. Hoe kinne jo infield technology en apparatuer brûke om in fisuele referinsje te leverjen. ”
In wichtich aspekt fan it projekt is om te bewizen dat begjinners de reparaasje maklik kinne foltôgje. Om dizze reden hie Bergen in idee: "Ik haw tasein om te demonstrearjen oan ús twa technyske kontakten yn it leger: Dr. Bernard Sia en Ashley Genna. Yn 'e definitive resinsje fan' e earste faze fan it projekt frege ik gjin reparaasjes. Erfarne Ashley hat de reparaasje útfierd. Mei it brûken fan de kit en hantlieding dy't wy levere, tapaste se de patch en foltôge de reparaasje sûnder problemen.
Figure 2 De batterij-oandreaune curing pre-programmearre, batterij-oandreaune termyske bonding masine kin genêze de koalstof fibre / epoksy reparaasje patch mei de druk op in knop, sûnder de needsaak foar reparaasje kennis of curing syklus programmearring. Ofbylding boarne: Custom Technologies, LLC
In oare wichtige ûntwikkeling is it batterij-oandreaune curing systeem (figuer 2). "Troch infield ûnderhâld, jo allinne batterij macht,"Bergen wiisde út. "Alle prosesapparatuer yn 'e reparaasjekit dy't wy hawwe ûntwikkele is draadloos." Dit omfettet batterij-oandreaune termyske bonding ûntwikkele mienskiplik troch Custom Technologies en termyske bonding masine leveransier WichiTech Industries Inc.. (Randallstown, Maryland, Feriene Steaten) machine. "Dizze batterij-oandreaune thermyske bonder is foarprogrammearre om it genêzen te foltôgjen, dus begjinners hoege de hurde-syklus net te programmearjen," sei Crane. "Se moatte gewoan op in knop drukke om de juste oprit te foltôgjen en te wekken." De batterijen dy't no yn gebrûk binne, kinne in jier duorje foardat se opladen wurde moatte.
Mei it foltôgjen fan 'e twadde faze fan it projekt, makket Custom Technologies opfolgjende ferbetteringsfoarstellen op en sammelt brieven fan belang en stipe. "Us doel is om dizze technology te reitsjen nei TRL 8 en it nei it fjild te bringen," sei Bergen. "Wy sjogge ek it potensjeel foar net-militêre applikaasjes."
Ferklearret de âlde keunst efter de earste fiber fersterking fan 'e yndustry, en hat in djipgeand begryp fan nije fiber wittenskip en takomstige ûntwikkeling.
De 787 komt gau en fleant foar it earst, fertrout op ynnovaasjes yn gearstalde materialen en prosessen om syn doelen te berikken
Post tiid: Sep-02-2021