Портативный комплект можно отремонтировать с помощью отверждаемого УФ-излучением стекловолокна/винилового эфира или препрега из углеродного волокна/эпоксидной смолы, хранящегося при комнатной температуре, и оборудования для отверждения с батарейным питанием. #внутрипроизводства #инфраструктура
Ремонт заплат препрега, отверждаемого УФ-излучением Хотя ремонт препрега из углеродного волокна/эпоксидной смолы, разработанный компанией Custom Technologies LLC для приусадебного композитного моста, оказался простым и быстрым, использование винилэфирной смолы Prepreg, армированной стекловолокном, отверждаемой УФ-излучением, позволило разработать более удобную систему. . Источник изображения: ООО «Кастомные технологии»
Модульные развертываемые мосты являются важнейшим средством для военно-тактических операций и логистики, а также для восстановления транспортной инфраструктуры во время стихийных бедствий. Прорабатываются композитные конструкции для снижения веса таких мостов, тем самым снижая нагрузку на транспортные средства и пуско-восстановительные механизмы. По сравнению с металлическими мостами, композитные материалы также обладают потенциалом увеличения несущей способности и продления срока службы.
Примером может служить усовершенствованный модульный композитный мост (AMCB). Seemann Composites LLC (Галфпорт, Миссисипи, США) и Materials Sciences LLC (Хоршам, 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 актив на месторождении. Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) был спроектирован и построен компаниями Seemann Composites LLC и Materials Sciences LLC с использованием композитов на основе эпоксидной смолы, 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 первой фазы исследований в области инноваций в сфере малого бизнеса (SBIR), финансируемый армией США, на разработку метода ремонта, который может быть успешно выполнен солдатами на месте. На основе такого подхода в 2018 году был присужден второй этап гранта СБИР для демонстрации новых материалов и аккумуляторного оборудования. Даже если заплатку выполняет новичок без предварительной подготовки, 90% и более конструкции можно восстановить в необработанном виде. сила. Целесообразность реализации технологии определяется выполнением комплекса задач по анализу, выбору материалов, изготовлению образцов и механическим испытаниям, а также мелкомасштабному и полномасштабному ремонту.
Главным исследователем на двух этапах SBIR является Майкл Берген, основатель и президент Custom Technologies LLC. Берген ушел из Кардерока из Центра надводных боевых действий ВМС (NSWC) и в течение 27 лет проработал в Департаменте конструкций и материалов, где руководил разработкой и применением композитных технологий во флоте ВМС США. Доктор Роджер Крейн присоединился к компании Custom Technologies в 2015 году после ухода из ВМС США в 2011 году и проработал там 32 года. Его опыт работы с композитными материалами включает технические публикации и патенты, охватывающие такие темы, как новые композитные материалы, производство прототипов, методы соединения, многофункциональные композитные материалы, мониторинг состояния конструкций и восстановление композитных материалов.
Два эксперта разработали уникальный процесс, в котором композитные материалы используются для ремонта трещин в алюминиевой надстройке ракетного крейсера 5456 класса Ticonderoga CG-47. «Этот процесс был разработан для уменьшения роста трещин и в качестве экономичной альтернативы. до замены борта платформы от 2 до 4 миллионов долларов», — сказал Берген. «Таким образом, мы доказали, что умеем выполнять ремонт вне лаборатории и в реальной сервисной среде. Но проблема в том, что нынешние методы использования военных активов не очень успешны. Вариантом является совмещенный дуплексный ремонт [в основном в поврежденных местах: приклейте доску сверху] или выведите актив из эксплуатации для ремонта на уровне склада (уровень D). Поскольку требуется ремонт уровня D, многие активы откладываются».
Далее он сказал, что необходим метод, который смогут применять солдаты, не имеющие опыта работы с композитными материалами, используя только комплекты и руководства по техническому обслуживанию. Наша цель — упростить процесс: прочитать инструкцию, оценить повреждения и выполнить ремонт. Мы не хотим смешивать жидкие смолы, так как для обеспечения полного отверждения требуется точное измерение. Нам также нужна система, в которой не будет опасных отходов после завершения ремонта. И он должен быть упакован в виде комплекта, который может быть развернут в существующей сети. »
Одним из решений, которое успешно продемонстрировала компания Custom Technologies, является портативный комплект, в котором используется закаленный эпоксидный клей для индивидуальной настройки клейкой композитной заплаты в соответствии с размером повреждения (до 12 квадратных дюймов). Демонстрация была завершена на композитном материале, представляющем собой деку AMCB толщиной 3 дюйма. Композитный материал состоит из сердцевины из пробкового дерева толщиной 3 дюйма (плотность 15 фунтов на кубический фут) и двух слоев ткани Vectorply (Феникс, Аризона, США) C-LT 1100 из углеродного волокна с двухосной прошивкой 0 °/90 °, один слой Углеродное волокно C-TLX 1900 0°/+45°/-45°, три стержня и два слоя C-LT 1100, всего пять слоев. «Мы решили, что в наборе будут использоваться готовые заплатки из квазиизотропного ламината, аналогичного многоосному, так что направление ткани не будет проблемой», — сказал Крейн.
Следующий вопрос — смола-матрица, используемая для ремонта ламината. Чтобы избежать смешивания жидкой смолы, в заплатке будет использоваться препрег. «Однако эти проблемы связаны с хранением», — пояснил Берген. Чтобы разработать решение для хранения пластырей, Custom Technologies в партнерстве с Sunrez Corp. (Эль-Кахон, Калифорния, США) разработала препрег из стекловолокна/винилового эфира, который может использовать ультрафиолетовый свет (УФ) за шесть минут. Светоотверждается. Также сотрудничала с компанией 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. Отверждаемый УФ-излучением виниловый эфир и полупрозрачное стекловолокно работают хорошо, но не отверждаются под действием светоблокирующего углеродного волокна. Полученный на основе новой пленки Gougeon Brothers конечный эпоксидный препрег отверждается в течение 1 часа при температуре 210°F/99°C и имеет длительный срок хранения при комнатной температуре — нет необходимости в хранении при низкой температуре. 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 переносном ремонтном комплекте в виде стопки заплаток препрега, запечатанных в конверт из пластиковой пленки.
Поскольку ремкомплект может храниться в течение длительного времени, компания Custom Technologies обязана провести исследование срока годности. «Мы приобрели четыре корпуса из твердого пластика (типичный военный тип, используемый в транспортном оборудовании) и поместили в каждый корпус образцы эпоксидного клея и винилэфирного препрега», — рассказал Берген. Затем коробки были размещены в четырех разных местах для испытаний: на крыше завода Gougeon Brothers в Мичигане, на крыше аэропорта Мэриленда, на открытом воздухе в Юкка-Вэлли (калифорнийская пустыня) и в открытой лаборатории по испытаниям на коррозию на юге Флориды. Во всех случаях имеются регистраторы данных, отмечает Берген: «Мы берем данные и образцы материалов для оценки каждые три месяца. Максимальная температура, зафиксированная в коробках во Флориде и Калифорнии, составляет 140°F, что подходит для большинства реставрационных смол. Это настоящий вызов». Кроме того, компания Gougeon Brothers провела внутренние испытания недавно разработанной чистой эпоксидной смолы. «Образцы, помещенные в печь при температуре 120°F на несколько 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 на этой масштабной модели AMCB, в которой использовался тот же ламинат и материал сердцевины, что и в оригинальном мосте, построенном Seemann Composites. Источник изображения: ООО «Кастомные технологии»
Для демонстрации техники ремонта необходимо изготовить, повредить и отремонтировать представительный ламинат. «На первом этапе проекта мы первоначально использовали небольшие балки размером 4 x 48 дюймов и провели испытания на четырехточечный изгиб, чтобы оценить осуществимость нашего процесса ремонта», — сказал Кляйн. «Затем на втором этапе проекта мы перешли на панели размером 12 x 48 дюймов, применили нагрузки для создания двухосного напряженного состояния, вызывающего разрушение, а затем оценили эффективность ремонта. На втором этапе мы также завершили разработку модели обслуживания AMCB».
Берген сказал, что испытательная панель, использованная для подтверждения ремонтопригодности, была изготовлена с использованием той же линии 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 ламината [CLT] использовался, чтобы связать момент инерции и эффективную жесткость полномасштабного AMCB с демонстрационным продуктом меньшего размера, с которым легче обращаться и более экономически эффективный. Затем мы использовали модель анализа конечных элементов [FEA], разработанную XCraft Inc. (Бостон, Массачусетс, США), чтобы улучшить проектирование структурного ремонта». Ткань из углеродного волокна, используемая для тестовых панелей и модели AMCB, была приобретена у Vectorply, а сердцевина из бальзы была изготовлена предоставленной компанией Core Composites (Бристоль, Род-Айленд, США).
Шаг 1. На этой тестовой панели отображается отверстие диаметром 3 дюйма для имитации повреждения, отмеченного в центре, и ремонта по окружности. Источник фото всех этапов: ООО «Кастомные технологии».
Шаг 2. С помощью ручной шлифовальной машины на аккумуляторе удалите поврежденный материал и закройте ремонтную заплату конусом 12:1.
«Мы хотим смоделировать на испытательной доске более высокую степень повреждений, чем можно было бы увидеть на настиле моста в полевых условиях», — объяснил Берген. «Итак, наш метод состоит в том, чтобы проделать отверстие диаметром 3 дюйма с помощью кольцевой пилы. Затем вытаскиваем пробку из поврежденного материала и ручной пневматической шлифовальной машиной обрабатываем косынку 12:1».
Крейн объяснил, что при ремонте углеродным волокном/эпоксидной смолой, как только «поврежденный» материал панели будет удален и наложен соответствующий косой слой, препрег будет обрезан по ширине и длине, чтобы соответствовать конусу поврежденного участка. «Для нашей тестовой панели требуется четыре слоя препрега, чтобы ремонтный материал соответствовал верхней части исходной неповрежденной углеродной панели. После этого на ремонтируемую деталь наносятся три покрывающих слоя углеродно-эпоксидного препрега. Каждый последующий слой выступает на 1 дюйм во все стороны нижнего слоя, что обеспечивает постепенный перенос нагрузки с «хорошего» окружающего материала на ремонтируемый участок». Общее время выполнения ремонта, включая подготовку места ремонта, резку и установку реставрационного материала, а также процедуру закрепления, составляет около 2,5 часов.
Для препрега из углеродного волокна и эпоксидной смолы место ремонта упаковывается в вакууме и отверждается при температуре 210°F/99°C в течение одного часа с использованием термосклеивающего устройства с батарейным питанием.
Хотя ремонт карбона/эпоксидной смолы является простым и быстрым, команда осознала необходимость более удобного решения для восстановления производительности. Это привело к исследованию препрегов, отверждаемых ультрафиолетом (УФ). «Интерес к винилэфирным смолам Sunrez основан на предыдущем военно-морском опыте основателя компании Марка 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 похожа на эпоксидную смолу, которая обеспечивает подходящие характеристики вторичной адгезии, необходимы дополнительные усилия для оценки различных связующих агентов клеевого слоя и определения того, какой из них подходит для конкретного применения».
Другая проблема заключается в том, что стеклянные волокна не могут обеспечить такие же механические свойства, как углеродные волокна. «По сравнению с углеродно-эпоксидной заплатой, эта проблема решается за счет использования дополнительного слоя стекловолокна/винилового эфира», — сказал Крейн. «Причина, по которой необходим только один дополнительный слой, заключается в том, что стекломатериал представляет собой более тяжелую ткань». В результате получается подходящий пластырь, который можно наносить и комбинировать в течение шести минут даже при очень низких/морозных температурах на поле. Отверждение без нагрева. Крейн отметил, что данные ремонтные работы можно завершить в течение часа.
Обе системы исправлений были продемонстрированы и протестированы. При каждом ремонте помечается поврежденный участок (шаг 1), создается кольцевой пилой, а затем удаляется с помощью ручной шлифовальной машины с питанием от аккумулятора (шаг 2). Затем отрежьте отремонтированный участок под углом 12:1. Очистите поверхность шарфа спиртовой салфеткой (шаг 3). Далее вырежьте ремонтную заплатку определенного размера, положите ее на очищенную поверхность (шаг 4) и закрепите валиком для удаления пузырьков воздуха. Для препрега из стекловолокна/винилового эфира, отверждаемого УФ-излучением, затем нанесите разделительный слой на отремонтированный участок и закрепите заплату с помощью беспроводной УФ-лампы в течение шести минут (шаг 5). Для препрега из углеродного волокна/эпоксидной смолы используйте предварительно запрограммированный термосклеивающий аппарат с одной кнопкой и питанием от аккумулятора, чтобы вакуумировать и отверждать отремонтированный участок при температуре 210°F/99°C в течение одного часа.
Шаг 5. После нанесения слоя пилинга на отремонтированный участок, просушите пластырь беспроводной УФ-лампой в течение 6 минут.
«Затем мы провели испытания, чтобы оценить клейкость заплатки и ее способность восстанавливать несущую способность конструкции», — рассказал Берген. «На первом этапе нам нужно доказать простоту применения и способность восстанавливать не менее 75% прочности. Это делается путем четырехточечного изгиба балки из углеродного волокна/эпоксидной смолы размером 4 x 48 дюймов и бальзы после устранения смоделированных повреждений. Да. На втором этапе проекта использовалась панель размером 12 x 48 дюймов, и она должна соответствовать требованиям прочности более 90% при сложных деформационных нагрузках. Мы выполнили все эти требования, а затем сфотографировали способы ремонта на модели AMCB. Как использовать полевые технологии и оборудование для обеспечения визуального ориентира».
Ключевой аспект проекта — доказать, что новички смогут легко выполнить ремонт. По этой причине у Бергена возникла идея: «Я обещал продемонстрировать двум нашим техническим специалистам в армии: доктору Бернарду Сиа и Эшли Генне. В заключительном обзоре первой фазы проекта я попросил не делать ремонт. Опытный Эшли выполнил ремонт. Используя предоставленный нами комплект и руководство, она наложила заплатку и без проблем завершила ремонт».
Рисунок 2. Предварительно запрограммированная машина для термосклеивания с питанием от аккумулятора может отверждать ремонтную заплату из углеродного волокна / эпоксидной смолы одним нажатием кнопки, без необходимости знания ремонта или программирования цикла отверждения. Источник изображения: ООО «Кастомные технологии»
Еще одной ключевой разработкой является система отверждения с батарейным питанием (рис. 2). «При обслуживании в полевых условиях у вас есть только заряд аккумулятора», — отметил Берген. «Все технологическое оборудование в разработанном нами ремкомплекте является беспроводным». Сюда входит машина для термосварки с питанием от аккумуляторной батареи, разработанная совместно компанией Custom Technologies и поставщиком машин для термосварки WichiTech Industries Inc. (Рэндаллстаун, Мэриленд, США). «Этот термосклеивающий аппарат с батарейным питанием заранее запрограммирован на полное отверждение, поэтому новичкам не нужно программировать цикл отверждения», — сказал Крейн. «Им просто нужно нажать кнопку, чтобы завершить правильный наклон и погрузиться». Используемые в настоящее время батареи могут работать в течение года, прежде чем их потребуется перезарядить.
По завершении второго этапа проекта Custom Technologies готовит предложения по последующим улучшениям и собирает письма заинтересованности и поддержки. «Наша цель — довести эту технологию до уровня TRL 8 и внедрить ее в поле», — сказал Берген. «Мы также видим потенциал невоенного применения».
Объясняет старое искусство, лежащее в основе первого в отрасли армирования волокном, а также имеет глубокое понимание новой науки о волокнах и будущих разработок.
Скоро появится и впервые совершит полет. Боинг 787 полагается на инновации в области композитных материалов и процессов для достижения своих целей.
Время публикации: 02 сентября 2021 г.