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/эпоксидной смолы, разработанный Custom Technologies LLC для композитного моста на внутренней территории, оказался простым и быстрым, использование стекловолокна, армированного УФ-отверждаемым винилэфирным смолой Prepreg, позволило разработать более удобную систему. Источник изображения: Custom Technologies LLC
Модульные развертываемые мосты являются критически важными активами для военных тактических операций и логистики, а также восстановления транспортной инфраструктуры во время стихийных бедствий. Композитные конструкции изучаются для снижения веса таких мостов, тем самым уменьшая нагрузку на транспортные средства и механизмы запуска-восстановления. По сравнению с металлическими мостами, композитные материалы также имеют потенциал для увеличения несущей способности и продления срока службы.
Примером может служить усовершенствованный модульный композитный мост (AMCB). Компании Seemann Composites LLC (Галфпорт, Миссисипи, США) и Materials Sciences LLC (Хоршам, Пенсильвания, США) используют армированные углеродным волокном эпоксидные ламинаты (рисунок 1). ) Проектирование и строительство). Однако возможность ремонта таких конструкций в полевых условиях является проблемой, которая препятствует внедрению композитных материалов.
Рисунок 1 Композитный мост, ключевой внутрипромысловый актив Усовершенствованный модульный композитный мост (AMCB) был спроектирован и построен компаниями Seemann Composites LLC и Materials Sciences LLC с использованием армированных углеродным волокном эпоксидных смоляных композитов. Источник изображения: Seeman Composites LLC (слева) и армия США (справа).
В 2016 году Custom Technologies LLC (Миллерсвилл, Мэриленд, США) получила грант на 1-ю фазу исследований инноваций в малом бизнесе (SBIR), финансируемый армией США, на разработку метода ремонта, который может быть успешно выполнен на месте солдатами. На основе этого подхода в 2018 году была присуждена вторая фаза гранта SBIR для демонстрации новых материалов и оборудования с питанием от батареи: даже если заплатку выполняет новичок без предварительной подготовки, 90% или более конструкции может быть восстановлено. Чистая прочность. Осуществимость технологии определяется путем выполнения серии задач по анализу, выбору материалов, изготовлению образцов и механическим испытаниям, а также мелкомасштабного и полномасштабного ремонта.
Главным исследователем на двух этапах SBIR является Майкл Берген, основатель и президент Custom Technologies LLC. Берген вышел на пенсию из Центра надводных боевых действий ВМС США (NSWC) в Кардероке и проработал в Департаменте конструкций и материалов в течение 27 лет, где он руководил разработкой и применением композитных технологий во флоте ВМС США. Доктор Роджер Крейн присоединился к Custom Technologies в 2015 году после ухода из ВМС США в 2011 году и прослужил 32 года. Его экспертиза в области композитных материалов включает 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 с управляемыми ракетами класса Ticonderoga CG-47 5456. «Процесс был разработан для уменьшения роста трещин и в качестве экономичной альтернативы замене платформы 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 военных активов не очень успешны. Вариант — это двухсторонний ремонт с приклеиванием [в основном в поврежденных областях приклеивают доску к верхней части] или вывод актива из эксплуатации для ремонта на уровне склада (уровень D). Поскольку требуется ремонт уровня D, многие активы откладываются в сторону».
Он продолжил, сказав, что необходим метод, который могут выполнять солдаты без опыта работы с композитными материалами, используя только наборы и руководства по техническому обслуживанию. Наша цель — сделать процесс простым: прочитать руководство, оценить ущерб и выполнить ремонт. Мы не хотим смешивать жидкие смолы, так как это требует точного измерения для обеспечения полного отверждения. Нам также нужна система без опасных отходов после завершения ремонта. И она должна быть упакована как набор, который может быть развернут существующей сетью».
Одним из решений, успешно продемонстрированных Custom Technologies, является портативный комплект, который использует закаленный 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, так что направление ткани не будет 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», — объяснил Берген. Чтобы разработать решение для заплатки, пригодное для хранения, Custom Technologies объединилась с Sunrez Corp. (Эль-Кахон, Калифорния, США) для разработки препрега из стекловолокна/винилового эфира, который может использовать ультрафиолетовый свет (УФ) в течение шести минут Светоотверждения. Она также сотрудничала с Gougeon Brothers (Бэй-Сити, Мичиган, США), которые предложили использовать новую гибкую эпоксидную пленку.
Ранние исследования показали, что эпоксидная смола является наиболее подходящей смолой для препрегов из углеродного волокна — УФ-отверждаемый виниловый эфир и полупрозрачное стекловолокно работают хорошо, но не отверждаются под светоблокирующим углеродным волокном. На основе новой пленки 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 препрега, запечатанных в конверт из пластиковой пленки.
Поскольку ремонтный комплект может храниться в течение длительного времени, Custom Technologies необходимо провести исследование срока годности. «Мы приобрели четыре жестких пластиковых корпуса — типичный военный тип, используемый в транспортном оборудовании — и поместили образцы эпоксидного клея и винилэфирного препрега в каждый корпус», — сказал Берген. Затем коробки были размещены в четырех 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 в южной части Флориды. Во всех случаях есть регистраторы данных, отмечает Берген. «Мы берем данные и образцы материалов для оценки каждые три месяца. Максимальная температура, зарегистрированная в коробках во Флориде и Калифорнии, составляет 140 °F, что хорошо 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, химические свойства смолы улучшились лишь незначительно».
Ремонт был проверен на тестовой плате и этой масштабной модели AMCB, в которой использовался тот же ламинат и материал сердцевины, что и в оригинальном мосте, построенном Seemann Composites. Источник изображения: Custom Technologies LLC
Чтобы продемонстрировать технологию ремонта, необходимо изготовить, повредить и отремонтировать репрезентативный ламинат. «На первом этапе проекта мы изначально использовали небольшие балки 4 x 48 дюймов и испытания на четырехточечный изгиб, чтобы оценить осуществимость нашего процесса ремонта», — сказал Кляйн. «Затем на втором этапе проекта мы перешли на панели 12 x 48 дюймов, применили нагрузки для создания двухосного напряженного состояния, чтобы вызвать отказ, а затем оценили эффективность ремонта. На втором этапе мы также завершили модель AMCB, которую мы построили для Maintenance».
Берген сказал, что испытательная панель, использованная для доказательства эффективности 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. Метод, вместе с дополнительными элементами теории балок и классической теории ламинатов [CLT], использовался для связи момента инерции и эффективной жесткости 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 конструкции структурного ремонта». Ткань из углеродного волокна, использованная для испытательных панелей и модели AMCB, была приобретена у Vectorply, а сердцевина из бальзы была изготовлена Core Composites (Бристоль, Род-Айленд, США).
Шаг 1. Эта тестовая панель отображает отверстие диаметром 3 дюйма для имитации повреждения, отмеченного в центре, и ремонта окружности. Источник фото для всех шагов: Custom Technologies LLC.
Шаг 2. Используйте аккумуляторную ручную шлифовальную машину, чтобы удалить поврежденный материал и закрыть ремонтную заплатку конусом 12:1.
«Мы хотим смоделировать более высокую степень повреждения на испытательной доске, чем та, которую можно увидеть на мостовом настиле в полевых условиях», — объяснил Берген. «Поэтому наш метод заключается в том, чтобы использовать кольцевую пилу для проделывания отверстия диаметром 3 дюйма. Затем мы вытаскиваем заглушку из поврежденного материала и используем ручную пневматическую шлифовальную машину для обработки фаски 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 поврежденной области. «Для нашей тестовой панели это требует четырех слоев препрега, чтобы сохранить соответствие ремонтного материала верхней части исходной неповрежденной углеродной панели. После этого три покрывающих слоя углеродного/эпоксидного препрега концентрируются на этой отремонтированной части. Каждый последующий слой простирается на 1 дюйм со всех сторон нижнего слоя, что обеспечивает постепенный перенос нагрузки с «хорошего» окружающего материала на отремонтированную область». Общее время на выполнение этого ремонта, включая подготовку области ремонта, резку и размещение восстановительного материала и применение процедуры отверждения, составляет примерно 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 аккумулятора термосварочного аппарата.
Хотя ремонт углерод/эпоксидной смолы прост и быстр, команда осознала необходимость более удобного решения для восстановления производительности. Это привело к исследованию препрегов с ультрафиолетовым (УФ) отверждением. «Интерес к винилэфирным смолам Sunrez основан на предыдущем военно-морском опыте с основателем компании Марком Ливси», — объяснил 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 подходящую вторичную адгезию, требуются дополнительные усилия для оценки различных связующих агентов адгезионного слоя и определения того, какой из них подходит для применения».
Другая проблема заключается в том, что стекловолокно не может обеспечить те же механические свойства, что и углеродные волокна. «По сравнению с заплаткой из углерода/эпоксидной смолы эта проблема решается с помощью использования дополнительного слоя стекла/винилэфира», — сказал Крейн. «Причина, по которой требуется только один дополнительный слой, заключается в том, что стекломатериал — более тяжелая ткань». Это дает подходящую заплатку, которую можно нанести и объединить в течение шести минут даже при очень низких/замораживающих температурах в полевых условиях. Отверждение без подачи тепла. Крейн отметил, что эту ремонтную работу можно завершить в течение часа.
Обе системы заплат были продемонстрированы и протестированы. Для каждого ремонта область, которая должна быть повреждена, маркируется (шаг 1), создается кольцевой пилой, а затем удаляется с помощью ручной шлифовальной машины на батарейном питании (шаг 2). Затем обрезается отремонтированная область до конуса 12:1. Очистите поверхность косынки спиртовой салфеткой (шаг 3). Затем вырежьте ремонтную заплатку определенного размера, поместите ее на очищенную поверхность (шаг 4) и закрепите ее валиком, чтобы удалить пузырьки воздуха. Для стекловолокна/препрега винилового эфира с УФ-отверждением затем поместите разделительный слой на отремонтированную область и отвердите заплатку с помощью беспроводной УФ-лампы в течение шести минут (шаг 5). Для препрега из углеродного волокна/эпоксидной смолы используйте предварительно запрограммированный, однокнопочный, работающий от батареи термосклеиватель для вакуумной упаковки и отверждения отремонтированной области при температуре 210 °F/99 °C в течение одного часа.
Шаг 5. После нанесения отшелушивающего слоя на отремонтированный участок, просушите заплатку с помощью беспроводной УФ-лампы в течение 6 минут.
«Затем мы провели испытания, чтобы оценить адгезию заплатки и ее способность восстанавливать несущую способность конструкции», — сказал Берген. «На первом этапе нам нужно доказать простоту нанесения и способность восстанавливать не менее 75% прочности. Это делается путем четырехточечного изгиба на 4 x 48-дюймовой балке из углеродного волокна/эпоксидной смолы и бальзы после ремонта имитируемого повреждения. Да. На втором этапе проекта использовалась панель 12 x 48 дюймов, и она должна демонстрировать более 90% требований к прочности при сложных деформационных нагрузках. Мы выполнили все эти требования, а затем сфотографировали методы ремонта на модели AMCB. Как использовать внутриполевые технологии и оборудование для предоставления визуального ориентира».
Ключевым аспектом проекта является доказательство того, что новички могут легко выполнить ремонт. По этой причине у Берген возникла идея: «Я обещал продемонстрировать это нашим двум техническим контактам в армии: доктору Бернарду Сиа и Эшли Дженне. В заключительном обзоре первой фазы проекта я попросил не проводить ремонт. Опытная Эшли выполнила ремонт. Используя предоставленный нами набор и руководство, она наложила заплатку и завершила ремонт без каких-либо проблем».
Рисунок 2. Работающий от батареи, предварительно запрограммированный, работающий от батареи термосклеивающий аппарат может отверждать заплатку из углеродного волокна/эпоксидной смолы одним нажатием кнопки, без необходимости иметь знания о ремонте или программировать цикл отверждения. Источник изображения: Custom Technologies, LLC
Еще одной ключевой разработкой является работающая от батареи система отверждения (рисунок 2). «При обслуживании на месте у вас есть только питание от батареи», — отметил Берген. «Все технологическое оборудование в разработанном нами ремонтном комплекте является беспроводным». Сюда входит работающая от батареи термосклеивающая машина, разработанная совместно Custom Technologies и поставщиком термосклеивающих машин WichiTech Industries Inc. (Рэндаллстаун, Мэриленд, США). «Эта работающая от батареи термосклеивающая машина предварительно запрограммирована на завершение отверждения, поэтому новичкам не нужно программировать цикл отверждения», — сказал Крейн. «Им просто нужно нажать кнопку, чтобы завершить надлежащий наклон и замачивание». Используемые в настоящее время батареи могут работать в течение года, прежде чем их нужно будет подзарядить.
С завершением второй фазы проекта Custom Technologies готовит последующие предложения по улучшению и собирает письма заинтересованности и поддержки. «Наша цель — довести эту технологию до TRL 8 и вывести ее на поле», — сказал Берген. «Мы также видим потенциал для невоенных применений».
Объясняет старое искусство, лежащее в основе первого в отрасли армирования волокнами, и обладает глубоким пониманием новой науки о волокнах и будущих разработок.
Скоро поступивший в продажу и впервые совершивший полет, самолет 787 использует инновации в области композитных материалов и процессов для достижения своих целей.
Время публикации: 02-сен-2021