Портативный комплект можно ремонтировать с помощью УФ-отверждаемого стекловолокна/винилэфирного или углеродного волокна/эпоксидного препрега, хранящегося при комнатной температуре, и работающего от аккумуляторного оборудования для отверждения. #внутрипроизводства #инфраструктура
Ремонт заплатки с помощью УФ-отверждаемого препрега. Хотя ремонт препрега из углеродного волокна и эпоксидной смолы, разработанный компанией Custom Technologies LLC для композитного моста, оказался простым и быстрым, использование препрега из армированной стекловолокном УФ-отверждаемой винилэфирной смолы оказалось более удобным. Источник изображения: Custom Technologies LLC
Модульные развёртываемые мосты играют важнейшую роль в тактических операциях и логистике, а также в восстановлении транспортной инфраструктуры во время стихийных бедствий. В настоящее время изучаются возможности применения композитных конструкций для снижения веса таких мостов, что снижает нагрузку на транспортные средства и механизмы спуска-подъема. По сравнению с металлическими мостами, композитные материалы также обладают потенциалом повышения несущей способности и продления срока службы.
Примером служит усовершенствованный модульный композитный мост (AMCB). Компании Seemann Composites LLC (Галфпорт, Миссисипи, США) и Materials Sciences LLC (Хоршем, Пенсильвания, США) используют эпоксидные ламинаты, армированные углеродным волокном (рис. 1). Проектирование и строительство). Однако возможность ремонта таких конструкций в полевых условиях является проблемой, препятствующей внедрению композитных материалов.
Рисунок 1. Композитный мост, ключевой объект на промысле. Усовершенствованный модульный композитный мост (AMCB) был спроектирован и построен компаниями Seemann Composites LLC и Materials Sciences LLC с использованием эпоксидно-смоляных композитов, армированных углеродным волокном. Источник изображения: Seeman Composites LLC (слева) и армия США (справа).
В 2016 году компания Custom Technologies LLC (Миллерсвилл, Мэриленд, США) получила грант Армии США на исследование инноваций в малом бизнесе (SBIR), фаза 1, на разработку метода ремонта, который может быть успешно выполнен солдатами на месте. На основе этого подхода в 2018 году была выделена вторая фаза гранта SBIR для демонстрации новых материалов и оборудования с питанием от аккумуляторов. Даже если ремонт выполняется новичком без предварительной подготовки, 90% или более конструкции может быть восстановлено. Исходная прочность. Осуществимость технологии определяется путем проведения серии анализов, выбора материалов, изготовления образцов и механических испытаний, а также мелкосерийного и полномасштабного ремонта.
Главным исследователем на двух этапах SBIR является Майкл Берген, основатель и президент Custom Technologies LLC. Берген вышел на пенсию после работы в Центре надводных боевых действий ВМС США (NSWC) в Кардероке и проработал 27 лет в Департаменте конструкций и материалов, где руководил разработкой и применением композитных технологий в ВМС США. Доктор Роджер Крейн присоединился к Custom Technologies в 2015 году после ухода из ВМС США в 2011 году и проработал там 32 года. Его экспертные знания в области композитных материалов включают технические публикации и патенты, охватывающие такие темы, как новые композитные материалы, изготовление прототипов, методы соединения, многофункциональные композитные материалы, мониторинг состояния конструкций и восстановление композитных материалов.
Два эксперта разработали уникальный процесс, который использует композитные материалы для ремонта трещин в алюминиевой надстройке крейсера управляемых ракет класса Ticonderoga CG-47 5456. «Процесс был разработан, чтобы уменьшить рост трещин и служить экономичной альтернативой замене платформенной доски стоимостью от 2 до 4 миллионов долларов», — сказал Берген. «Таким образом, мы доказали, что знаем, как выполнять ремонт вне лаборатории и в реальных условиях эксплуатации. Но проблема в том, что текущие методы ремонта военного имущества не очень успешны. Вариантом является двухсторонний ремонт склеиванием [в основном в поврежденных областях приклеивают доску к верхней части] или вывод имущества из эксплуатации для ремонта на складе (уровень D). Поскольку требуется ремонт уровня D, многие активы откладываются».
Далее он сказал, что необходим метод, который могли бы применять солдаты без опыта работы с композитными материалами, используя только наборы и руководства по техническому обслуживанию. Наша цель — упростить процесс: прочитать руководство, оценить повреждение и выполнить ремонт. Мы не хотим смешивать жидкие смолы, так как это требует точного измерения для обеспечения полного отверждения. Нам также нужна система, не создающая опасных отходов после завершения ремонта. И она должна быть упакована в виде комплекта, который можно развернуть в рамках существующей сети.
Одним из решений, успешно продемонстрированных Custom Technologies, является портативный комплект, который использует прочный эпоксидный клей для настройки клеевой композитной заплатки в соответствии с размером повреждения (до 12 квадратных дюймов). Демонстрация была завершена на композитном материале, представляющем собой палубу AMCB толщиной 3 дюйма. Композитный материал имеет сердечник из бальзы толщиной 3 дюйма (плотность 15 фунтов на кубический фут) и два слоя углеродного волокна Vectorply (Феникс, Аризона, США) C-LT 1100 0°/90° биаксиально прошитой ткани, один слой углеродного волокна C-TLX 1900 0°/+45°/-45° три вала и два слоя C-LT 1100, всего пять слоев. «Мы решили, что в комплекте будут использоваться готовые заплатки в квазиизотропном ламинате, похожем на многоосевой, чтобы направление ткани не было проблемой», — сказал Крейн.
Следующая проблема — это матрица смолы, используемая для ремонта ламината. Чтобы избежать смешивания жидкой смолы, заплатка будет использовать препрег. «Однако эти проблемы связаны с хранением», — пояснил Берген. Чтобы разработать решение для заплат, пригодное для длительного хранения, компания Custom Technologies сотрудничает с Sunrez Corp. (Эль-Кахон, Калифорния, США) для разработки препрега из стекловолокна и винилэфира, способного отверждаться под воздействием ультрафиолетового излучения (УФ) в течение шести минут. Компания также сотрудничала с Gougeon Brothers (Бэй-Сити, Мичиган, США), которая предложила использовать новую гибкую эпоксидную пленку.
Ранние исследования показали, что эпоксидная смола является наиболее подходящей смолой для препрегов из углеродного волокна. УФ-отверждаемое винилэфирное волокно и полупрозрачное стекловолокно работают хорошо, но не отверждаются под светонепроницаемым углеродным волокном. Основанный на новой пленке Gougeon Brothers, конечный эпоксидный препрег отверждается в течение 1 часа при 210 °F/99 °C и имеет длительный срок хранения при комнатной температуре — нет необходимости в низкотемпературном хранении. Берген сказал, что если требуется более высокая температура стеклования (Tg), смола также будет отверждаться при более высокой температуре, например, 350 °F/177 °C. Оба препрега поставляются в портативном ремонтном наборе в виде стопки заплаток из препрега, запечатанных в конверт из пластиковой пленки.
Поскольку ремкомплект может храниться в течение длительного времени, Custom Technologies обязана провести исследование срока годности. «Мы приобрели четыре жёстких пластиковых корпуса — типичного военного типа, используемого в транспортном оборудовании, — и поместили в каждый из них образцы эпоксидного клея и винилэфирного препрега», — сказал Берген. Затем коробки были размещены в четырёх разных местах для тестирования: на крыше завода Gougeon Brothers в Мичигане, на крыше аэропорта Мэриленда, на открытом воздухе в Юкка-Вэлли (пустыня Калифорнии) и в лаборатории по испытанию на коррозию на открытом воздухе на юге Флориды. Все корпуса оснащены регистраторами данных, отмечает Берген. «Мы снимаем данные и образцы материалов для оценки каждые три месяца. Максимальная температура, зарегистрированная в корпусах во Флориде и Калифорнии, составляет 140 °F, что подходит для большинства реставрационных смол. Это настоящая проблема». Кроме того, Gougeon Brothers провела внутренние испытания недавно разработанной чистой эпоксидной смолы. «Образцы, которые были помещены в печь при температуре 120 °F в течение нескольких месяцев, начинают полимеризоваться», — сказал Берген. «Однако для соответствующих образцов, хранившихся при температуре 110°F, химический состав смолы улучшился лишь незначительно».
Ремонт был проверен на испытательной плате и этой масштабной модели AMCB, в которой использовались тот же ламинат и материал основы, что и в оригинальном мосту, построенном Seemann Composites. Источник изображения: Custom Technologies LLC
Для демонстрации технологии ремонта необходимо изготовить, повредить и отремонтировать репрезентативный образец ламината. «На первом этапе проекта мы сначала использовали небольшие балки сечением 4 x 48 дюймов (10 x 122 см) и провели испытания на четырёхточечный изгиб, чтобы оценить осуществимость нашего процесса ремонта», — сказал Кляйн. «Затем, на втором этапе проекта, мы перешли к панелям сечением 12 x 48 дюймов (30 x 122 см), приложили нагрузки для создания двухосного напряжённого состояния, вызывающего разрушение, а затем оценили эффективность ремонта. На втором этапе мы также завершили разработку модели AMCB для технического обслуживания».
Берген сказал, что испытательная панель, используемая для доказательства эксплуатационных характеристик ремонта, была изготовлена с использованием той же линейки ламинатов и материалов сердцевины, что и AMCB, производимая Seemann Composites, «но мы уменьшили толщину панели с 0,375 дюйма до 0,175 дюйма, основываясь на теореме о параллельных осях. Это так. Этот метод, вместе с дополнительными элементами теории балок и классической теории ламинатов [CLT], использовался для того, чтобы связать момент инерции и эффективную жесткость полномасштабного AMCB с демонстрационным продуктом меньшего размера, который проще в обращении и более экономически эффективен. Затем мы использовали модель конечно-элементного анализа [FEA], разработанную XCraft Inc. (Бостон, Массачусетс, США), для улучшения проектирования структурных ремонтов». Углеродная ткань, используемая для испытательных панелей и модели AMCB, была приобретена у Vectorply, а бальзовый сердечник был изготовлен Core Composites (Бристоль, Род-Айленд, США), предоставленный.
Шаг 1. На этой тестовой панели имеется отверстие диаметром 3 дюйма (7,5 см) для имитации повреждения, отмеченного в центре, и ремонта по периметру. Источник фотографий для всех этапов: Custom Technologies LLC.
Шаг 2. Используйте ручную шлифовальную машину на аккумуляторе, чтобы удалить поврежденный материал и заделать заплатку конусом 12:1.
«Мы хотим смоделировать на испытательной доске более серьёзные повреждения, чем те, которые можно увидеть на мостовом настиле в реальных условиях», — пояснил Берген. «Поэтому наш метод заключается в том, чтобы с помощью кольцевой пилы проделать отверстие диаметром 7,5 см. Затем мы вытаскиваем заглушку из повреждённого материала и с помощью ручной пневматической шлифовальной машины делаем фаску 12:1».
Крейн объяснил, что для ремонта углеродного волокна / эпоксидной смолы, после удаления «поврежденного» материала панели и нанесения соответствующего скоса, препрег будет обрезан по ширине и длине, чтобы соответствовать конусности поврежденного участка. «Для нашей тестовой панели это требует четырех слоев препрега, чтобы сохранить соответствие ремонтного материала верхней части исходной неповрежденной углеродной панели. После этого три покровных слоя углеродного / эпоксидного препрега концентрируются на этой отремонтированной части. Каждый последующий слой выступает на 1 дюйм во все стороны от нижнего слоя, что обеспечивает постепенную передачу нагрузки от «хорошего» окружающего материала на отремонтированный участок». Общее время на выполнение этого ремонта, включая подготовку зоны ремонта, резку и размещение восстановительного материала и применение процедуры отверждения, составляет приблизительно 2,5 часа.
Для препрега из углеродного волокна/эпоксидной смолы ремонтируемая область упаковывается в вакуум и отверждается при температуре 210 °F/99 °C в течение одного часа с использованием работающего от батареи термосварочного аппарата.
Несмотря на простоту и быстроту ремонта с использованием углеродно-эпоксидной смолы, команда осознала необходимость более удобного решения для восстановления эксплуатационных характеристик. Это привело к исследованию препрегов, отверждаемых ультрафиолетом (УФ). «Интерес к винилэфирным смолам Sunrez основан на предыдущем опыте работы с основателем компании Марком Ливси, – пояснил Берген. – Сначала мы предоставили Sunrez квазиизотропную стеклоткань, используя их винилэфирный препрег, и оценили кривую отверждения в различных условиях. Кроме того, поскольку мы знаем, что винилэфирная смола не обеспечивает, в отличие от эпоксидной смолы, необходимой для обеспечения необходимой вторичной адгезии, требуются дополнительные усилия по оценке различных связующих веществ для клеевого слоя и определению подходящего для данной области применения».
Другая проблема заключается в том, что стекловолокно не обладает теми же механическими свойствами, что и углеродное волокно. «По сравнению с заплаткой из углеродного волокна/эпоксидной смолы эта проблема решается использованием дополнительного слоя стекловолокна/винилэфира», — сказал Крейн. «Причина, по которой требуется только один дополнительный слой, заключается в том, что стекловолокно — более тяжёлая ткань». В результате получается заплатка, которую можно нанести и склеить за шесть минут даже при очень низких температурах в полевых условиях. Затвердевание происходит без нагревания. Крейн отметил, что этот ремонт можно выполнить в течение часа.
Обе системы заплат были продемонстрированы и протестированы. Для каждого ремонта область, которая должна быть повреждена, размечается (шаг 1), создается кольцевой пилой, а затем удаляется с помощью ручной шлифовальной машины на батарейках (шаг 2). Затем отремонтированный участок обрезается до конусности 12:1. Очистите поверхность шва спиртовой салфеткой (шаг 3). Затем вырежьте заплатку нужного размера, положите ее на очищенную поверхность (шаг 4) и прокатайте валиком для удаления пузырьков воздуха. Для стекловолокна/УФ-отверждаемого винилэфирного препрега нанесите разделительный слой на отремонтированный участок и отвердите заплатку беспроводной УФ-лампой в течение шести минут (шаг 5). Для углеродного волокна/эпоксидного препрега используйте предварительно запрограммированный, однокнопочный, работающий от батареек термосварщик для вакуумной упаковки и отверждения отремонтированного участка при температуре 210 °F/99 °C в течение одного часа.
Шаг 5. После нанесения отшелушивающего слоя на ремонтируемый участок, просушите заплатку с помощью беспроводной УФ-лампы в течение 6 минут.
«Затем мы провели испытания, чтобы оценить адгезию заплатки и её способность восстанавливать несущую способность конструкции», — сказал Берген. «На первом этапе нам необходимо доказать простоту нанесения и способность восстанавливать не менее 75% прочности. Это достигается путём четырёхточечного изгиба балки из углеродного волокна/эпоксидной смолы и бальзы размером 4 x 48 дюймов после ремонта имитируемого повреждения. Да. На втором этапе проекта использовалась панель размером 12 x 48 дюймов, которая должна обеспечивать прочность более 90% при сложных деформационных нагрузках. Мы выполнили все эти требования, а затем сфотографировали методы ремонта на модели AMCB. Как использовать внутриполевые технологии и оборудование для наглядного представления».
Ключевым аспектом проекта было доказать, что новички легко справятся с ремонтом. Поэтому у Берген возникла идея: «Я пообещал продемонстрировать это нашим двум техническим специалистам в армии: доктору Бернарду Сиа и Эшли Дженне. В ходе заключительного обзора первого этапа проекта я попросил не вносить никаких изменений. Опытная Эшли выполнила ремонт. Используя предоставленный нами набор и руководство, она наложила заплатку и без проблем завершила ремонт».
Рисунок 2. Работающий от аккумулятора термосклеивающий аппарат с предустановленной программой отверждения может отверждать заплатку из углеродного волокна/эпоксидной смолы одним нажатием кнопки, без необходимости специальных знаний в области ремонта или программирования цикла отверждения. Источник изображения: Custom Technologies, LLC
Еще одной ключевой разработкой является система отверждения с питанием от аккумуляторной батареи (рис. 2). «При обслуживании на месте эксплуатации питание осуществляется только от аккумуляторной батареи», — отметил Берген. «Все технологическое оборудование в разработанном нами ремонтном комплекте является беспроводным». Сюда входит и работающая от аккумуляторной батареи машина для термосклеивания, совместно разработанная Custom Technologies и поставщиком термосклеивающих машин WichiTech Industries Inc. (Рэндаллстаун, Мэриленд, США). «Этот работающий от аккумуляторной батареи термосклеивающий аппарат предварительно запрограммирован на завершение отверждения, поэтому новичкам не нужно программировать цикл отверждения», — сказал Крейн. «Им просто нужно нажать кнопку, чтобы завершить нужный наклон и выдержать». Используемые в настоящее время батареи могут работать в течение года, прежде чем их потребуется подзарядить.
После завершения второго этапа проекта компания Custom Technologies готовит предложения по дальнейшему совершенствованию и собирает письма о заинтересованности и поддержке. «Наша цель — довести эту технологию до уровня TRL 8 и внедрить её в эксплуатацию», — сказал Берген. «Мы также видим потенциал для невоенного применения».
Объясняет старое искусство, лежащее в основе первого в отрасли армирования волокнами, и обладает глубоким пониманием новой науки о волокнах и будущих разработок.
Скоро выйду на рынок и впервые поднимусь в воздух. 787-й будет создан с использованием инноваций в области композитных материалов и процессов для достижения своих целей.
Время публикации: 02.09.2021