Kaasaskantavat komplekti saab parandada toatemperatuuril hoitava UV-kiirgusega kõveneva klaaskiust/vinüülestri või süsinikkiust/epoksüüdprepregiga ja akutoitel töötava kõvenemisseadmega. #insidemanufacturing #infrastruktuur
UV-kõveneva prepreg-plaastri parandus Kuigi Custom Technologies LLC poolt sisevälja komposiitsilla jaoks väljatöötatud süsinikkiust/epoksüüd-prepreg-parandus osutus lihtsaks ja kiireks, on klaaskiuga tugevdatud UV-kõveneva vinüülestervaigu Prepreg abil loodud mugavam süsteem. Pildi allikas: Custom Technologies LLC
Modulaarsed teisaldatavad sillad on kriitilise tähtsusega sõjaliste taktikaliste operatsioonide ja logistika jaoks, samuti transpordiinfrastruktuuri taastamiseks loodusõnnetuste ajal. Komposiitkonstruktsioonide kasutamist uuritakse selliste sildade kaalu vähendamiseks, vähendades seeläbi transpordivahendite ja stardi- ja päästemehhanismide koormust. Võrreldes metallsildadega on komposiitmaterjalidel ka potentsiaal suurendada kandevõimet ja pikendada kasutusiga.
Näiteks on täiustatud moodulkomposiitsild (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) ja Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) kasutavad süsinikkiuga tugevdatud epoksülaminaate (joonis 1). ) Projekteerimine ja ehitus). Selliste konstruktsioonide kohapeal parandamise võimalus on aga osutunud probleemiks, mis takistab komposiitmaterjalide kasutuselevõttu.
Joonis 1. Komposiitsild, võtmetähtsusega siserajatis. Täiustatud modulaarne komposiitsilla (AMCB) projekteerisid ja ehitasid Seemann Composites LLC ja Materials Sciences LLC, kasutades süsinikkiuga tugevdatud epoksüvaikkomposiite. Pildi allikas: Seeman Composites LLC (vasakul) ja USA armee (paremal).
2016. aastal sai Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) USA armee rahastatud väikeettevõtete innovatsiooniuuringute (SBIR) 1. etapi toetuse, et töötada välja remondimeetod, mida sõdurid saavad edukalt kohapeal teostada. Selle lähenemisviisi põhjal anti 2018. aastal SBIR-i toetuse teine etapp, et tutvustada uusi materjale ja akutoitel töötavaid seadmeid, mille puhul isegi kui plaastri teeb algaja ilma eelneva väljaõppeta, saab 90% või rohkem konstruktsiooni toore tugevuse taastada. Tehnoloogia teostatavust määratakse analüüside, materjalide valiku, proovide valmistamise ja mehaaniliste katsete, samuti väikesemahuliste ja täismahuliste remonditööde abil.
Kahe SBIR-faasi peamine teadur on Michael Bergen, Custom Technologies LLC asutaja ja president. Bergen läks pensionile Carderockist Mereväe Surface Warfare Centerist (NSWC) ning teenis 27 aastat konstruktsioonide ja materjalide osakonnas, kus ta juhtis komposiittehnoloogiate väljatöötamist ja rakendamist USA mereväe laevastikus. Dr Roger Crane liitus Custom Technologiesiga 2015. aastal pärast USA mereväest pensionile jäämist 2011. aastal ja on teeninud 32 aastat. Tema komposiitmaterjalide alane ekspertiis hõlmab tehnilisi publikatsioone ja patente, mis hõlmavad selliseid teemasid nagu uued komposiitmaterjalid, prototüüpide tootmine, ühendusmeetodid, multifunktsionaalsed komposiitmaterjalid, konstruktsioonide seisundi jälgimine ja komposiitmaterjalide restaureerimine.
Need kaks eksperti on välja töötanud ainulaadse protsessi, mis kasutab komposiitmaterjale Ticonderoga CG-47 klassi juhitavate rakettide ristleja 5456 alumiiniumist pealisehituse pragude parandamiseks. „Protsess töötati välja pragude kasvu vähendamiseks ja ökonoomse alternatiivina 2–4 miljonit dollarit maksva platvormiplaadi asendamisele,“ ütles Bergen. „Seega tõestasime, et teame, kuidas remonti teha väljaspool laborit ja reaalses teeninduskeskkonnas. Kuid väljakutse seisneb selles, et praegused sõjaväe varade meetodid ei ole eriti edukad. Võimaluseks on liimitud dupleksremont [põhimõtteliselt kahjustatud piirkondades plaadi liimimine ülemisele küljele] või vara teenistusest eemaldamine lao tasemel (D-taseme) remondiks. Kuna D-taseme remont on vajalik, pannakse paljud varad kõrvale.“
Ta jätkas, et vaja on meetodit, mida saavad kasutada sõdurid, kellel puudub kogemus komposiitmaterjalidega, kasutades ainult komplekte ja hooldusjuhendeid. Meie eesmärk on muuta protsess lihtsaks: lugeda juhendit, hinnata kahjustusi ja teha parandusi. Me ei taha segada vedelaid vaike, kuna see nõuab täpset mõõtmist täieliku kõvenemise tagamiseks. Samuti vajame süsteemi, milles pärast remonti ei teki ohtlikke jäätmeid. Ja see tuleb pakendada komplektina, mida saab olemasolevas võrgus kasutusele võtta.
Üks lahendus, mida Custom Technologies edukalt demonstreeris, on kaasaskantav komplekt, mis kasutab karastatud epoksüüdliimi, et kohandada liimkomposiitplaastrit vastavalt kahjustuse suurusele (kuni 12 ruuttolli). Demonstratsioon viidi läbi komposiitmaterjalil, mis kujutas endast 3-tollist paksust AMCB tekki. Komposiitmaterjalil on 3-tolline paksune balsapuust südamik (tihedus 15 naela kuupjala kohta) ja kaks kihti Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C-LT 1100 süsinikkiust 0°/90° kahesuunaliselt õmmeldud kangast, üks kiht C-TLX 1900 süsinikkiust 0°/+45°/-45° kolme võlliga ja kaks kihti C-LT 1100, kokku viis kihti. „Otsustasime, et komplekt kasutab eelvalmistatud plaastreid kvaasiisotroopses laminaadis, mis sarnaneb mitmeteljelisele, nii et kanga suund ei oleks probleemiks,“ ütles Crane.
Järgmine probleem on laminaadi parandamiseks kasutatav vaigumaatriks. Vedela vaigu segamise vältimiseks kasutatakse paigas prepregi. „Need väljakutsed on aga ladustamine,“ selgitas Bergen. Säilitatava paigalahenduse väljatöötamiseks on Custom Technologies teinud koostööd Sunrez Corp.-iga (El Cajon, California, USA), et töötada välja klaaskiust/vinüülesterist prepreg, mis kõveneb ultraviolettvalguse (UV) abil kuue minuti jooksul. Samuti tehti koostööd Gougeon Brothersiga (Bay City, Michigan, USA), kes pakkus välja uue painduva epoksüüdkile kasutamise.
Varased uuringud on näidanud, et epoksüvaik on süsinikkiust prepregmaterjalide jaoks kõige sobivam vaik – UV-kiirgusega kõvenev vinüülester ja poolläbipaistev klaaskiud toimivad hästi, kuid ei kõvene valgust blokeeriva süsinikkiu all. Gougeon Brothersi uuel kilel põhinevat epoksüprepregmaterjali kõvendatakse 1 tund temperatuuril 210°F/99°C ja sellel on toatemperatuuril pikk säilivusaeg – madalal temperatuuril säilitamist pole vaja. Bergen ütles, et kui on vaja kõrgemat klaasistumistemperatuuri (Tg), kõvendub vaik samuti kõrgemal temperatuuril, näiteks temperatuuril 350°F/177°C. Mõlemad prepregmaterjalid on kaasaskantavas paranduskomplektis prepregmaterjalide plaastrite virnana, mis on suletud plastkileümbrikusse.
Kuna remondikomplekti võidakse pikka aega säilitada, peab Custom Technologies läbi viima säilivusaja uuringu. „Ostsime neli kõvast plastist korpust – tüüpiline sõjaväe tüüp, mida kasutatakse transpordivahendites – ja panime igasse korpusesse epoksüliimi ja vinüülesterprepreg'i proove,“ ütles Bergen. Seejärel paigutati karbid testimiseks nelja erinevasse kohta: Gougeon Brothersi tehase katusele Michiganis, Marylandi lennujaama katusele, Yucca Valley (California kõrbes) välirajatisele ja Lõuna-Florida välitingimustes asuvale korrosioonikatsete laborile. Bergen juhib tähelepanu sellele, et kõigil korpustel on andmelogerid: „Võtame andme- ja materjaliproove hindamiseks iga kolme kuu tagant. Floridas ja Californias on kastides registreeritud maksimaalne temperatuur 140 °F, mis on enamiku restaureerimisvaikude jaoks hea. See on tõeline väljakutse.“ Lisaks testis Gougeon Brothers äsja väljatöötatud puhast epoksüvaiku sisemiselt. „Proovid, mis on mitu kuud asetatud ahju temperatuuril 120 °F, hakkavad polümeriseeruma,“ ütles Bergen. "Kuid vastavate proovide puhul, mida hoiti temperatuuril 110 °F, paranes vaigu keemiline koostis vaid vähesel määral."
Remonti kontrolliti testplaadil ja sellel AMCB maketil, milles kasutati sama laminaati ja südamikumaterjali kui Seemann Compositesi ehitatud originaalsillal. Pildi allikas: Custom Technologies LLC
Remonditehnika demonstreerimiseks tuleb toota, kahjustada ja parandada tüüpiline laminaat. „Projekti esimeses etapis kasutasime esialgu väikesemahulisi 4 x 48-tolliseid talasid ja neljapunktilisi paindekatseid, et hinnata meie remondiprotsessi teostatavust,“ ütles Klein. „Seejärel läksime projekti teises etapis üle 12 x 48-tollistele paneelidele, rakendasime koormusi kahesuunalise pinge tekitamiseks, mis põhjustas purunemise, ja seejärel hindasime remondi toimivust. Teises etapis lõpetasime ka hoolduse jaoks loodud AMCB mudeli.“
Bergen ütles, et remonditulemuste tõestamiseks kasutatud katsepaneel valmistati sama laminaatide ja südamikumaterjalide liini abil kui Seemann Composites toodetud AMCB, „kuid me vähendasime paneeli paksust 0,375 tollilt 0,175 tollile, tuginedes paralleeltelgede teoreemile. See on nii. Meetodit koos talateooria ja klassikalise laminaatteooria [CLT] lisaelementidega kasutati täismõõdulise AMCB inertsimomendi ja efektiivse jäikuse sidumiseks väiksema suurusega demotootega, mida on lihtsam käsitseda ja mis on kulutõhusam. Seejärel kasutati XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) väljatöötatud lõplike elementide analüüsi [FEA] mudelit konstruktsiooniparanduste projekteerimise täiustamiseks.“ Katsepaneelide ja AMCB mudeli jaoks kasutatud süsinikkiust kangas osteti Vectorply'lt ning balsapuust südamiku valmistas Core Composites (Bristol, RI, USA).
1. samm. Sellel testpaneelil on 3-tollise läbimõõduga auk, et simuleerida keskele märgitud kahjustusi ja parandada ümbermõõtu. Kõikide sammude fotoallikas: Custom Technologies LLC.
2. samm. Kahjustatud materjali eemaldamiseks ja paranduskoha sulgemiseks kooniliseks servaks kasutage akutoitel töötavat käsilihvijat.
„Me tahame katseplaadil simuleerida suuremat kahjustusastet, kui seda sillaplaadil välitingimustes näha võib,“ selgitas Bergen. „Seega on meie meetod kasutada augusaagi, et teha 3-tollise läbimõõduga auk. Seejärel tõmbame kahjustatud materjalist välja tulba ja töötleme käsitsi pneumaatilise lihvijaga 12:1 salli.“
Crane selgitas, et süsinikkiust/epoksüüdist remondi puhul lõigatakse pärast „kahjustatud“ paneelimaterjali eemaldamist ja sobiva katte paigaldamist prepreg kahjustatud ala koonilisusele vastavaks laiuseks ja pikkuseks. „Meie testpaneeli puhul on vaja nelja prepregi kihti, et remondimaterjal oleks originaalse kahjustamata süsinikpaneeli ülaosaga ühtlane. Pärast seda koondatakse parandatud kohale kolm süsiniku/epoksüüdist prepregi kattekihti. Iga järgnev kiht ulatub alumise kihi kõikidele külgedele 2,5 cm võrra, mis tagab järkjärgulise koormuse ülekandumise „healt“ ümbritsevalt materjalilt parandatud alale.“ Selle remondi koguaeg – sealhulgas remondiala ettevalmistamine, taastamismaterjali lõikamine ja paigaldamine ning kõvenemisprotseduuri rakendamine – on umbes 2,5 tundi.
Süsinikkiust/epoksüüdprepregmaterjali puhul vaakumpakendatakse parandusala ja kõvendatakse akutoitel töötava termoliimijaga üks tund temperatuuril 99 °C.
Kuigi süsiniku/epoksüüdvaigu parandamine on lihtne ja kiire, mõistis meeskond vajadust mugavama lahenduse järele jõudluse taastamiseks. See viis ultraviolettkiirgusega (UV) kõvenevate prepregmaterjalide uurimiseni. „Huvi Sunrezi vinüülestervaikude vastu põhineb varasemal mereväekogemusel ettevõtte asutaja Mark Livesayga,“ selgitas Bergen. „Esmalt varustasime Sunrezi kvaasiisotroopse klaaskiuga, kasutades nende vinüülesterprepregmaterjali, ja hindasime kõvenemiskõverat erinevates tingimustes. Lisaks, kuna teame, et vinüülestervaik ei ole nagu epoksüüdvaik, mis pakub sobivat sekundaarset adhesiooni, on vaja täiendavaid jõupingutusi erinevate liimikihi sidumisainete hindamiseks ja sobivaima kindlaksmääramiseks.“
Teine probleem on see, et klaaskiud ei suuda pakkuda samu mehaanilisi omadusi kui süsinikkiud. „Võrreldes süsiniku/epoksüüdplaastriga lahendatakse see probleem klaasi/vinüülestri lisakihi kasutamisega,“ ütles Crane. „Põhjus, miks on vaja ainult ühte lisakihti, on see, et klaasmaterjal on raskem kangas.“ Nii saadakse sobiv plaaster, mida saab paigaldada ja ühendada kuue minutiga isegi väga külma/jääkülma sisetemperatuuri korral. Kõveneb ilma kuumutamist lisamata. Crane tõi välja, et selle parandustöö saab teha tunni aja jooksul.
Mõlemat paigasüsteemi on demonstreeritud ja testitud. Iga paranduse jaoks märgistatakse kahjustatud ala (1. samm), tehakse augusaega auk ja seejärel eemaldatakse akutoitel töötava käsilihvijaga (2. samm). Seejärel lõigatakse parandatud ala 12:1 kooniliseks tükiks. Puhastage salli pind alkoholipadjaga (3. samm). Seejärel lõigake paranduspaik teatud suuruseks, asetage see puhastatud pinnale (4. samm) ja tihendage rulliga õhumullide eemaldamiseks. Klaaskiust/UV-kõveneva vinüülesterprepreg puhul asetage seejärel eemaldatav kiht parandatud alale ja kõvendage paika juhtmeta UV-lambiga kuus minutit (5. samm). Süsinikkiust/epoksüüdprepreg puhul kasutage eelprogrammeeritud ühe nupuga akutoitel töötavat termoliimijat, et vaakumpakendada ja kõvendada parandatud ala temperatuuril 99 °C üks tund.
5. samm. Pärast kooriva kihi asetamist parandatud alale laske plaastril 6 minutit kõveneda juhtmeta UV-lambi abil.
„Seejärel viisime läbi katsed, et hinnata plaastri nakkuvust ja selle võimet taastada konstruktsiooni kandevõime,“ ütles Bergen. „Esimeses etapis peame tõestama pealekandmise lihtsust ja võimet taastada vähemalt 75% tugevusest. Seda tehakse 4 x 48-tollise süsinikkiust/epoksüvaigust ja balsapuust südamikust tala neljapunktilise painutamisega pärast simuleeritud kahjustuse parandamist. Jah. Projekti teises etapis kasutati 12 x 48-tollist paneeli ja see peab keeruliste koormuste korral vastama enam kui 90% tugevusnõuetele. Me vastasime kõigile neile nõuetele ja seejärel pildistasime parandusmeetodeid AMCB mudelil. Kuidas kasutada kohapealset tehnoloogiat ja seadmeid visuaalse viite saamiseks.“
Projekti üks põhiaspekte on tõestada, et algajad saavad remondiga hõlpsalt hakkama. Sel põhjusel tekkis Bergenil idee: „Lubasin seda demonstreerida meie kahele tehnilisele kontaktile armees: dr Bernard Siale ja Ashley Gennale. Projekti esimese etapi viimases ülevaates palusin parandusi mitte teha. Remondi tegi kogenud Ashley. Kasutades meie antud komplekti ja kasutusjuhendit, pani ta plaastri peale ja viis remondi probleemideta lõpule.“
Joonis 2. Akutoitel töötav eelprogrammeeritud ja akutoitel töötav termoliimimismasin suudab süsinikkiust/epoksüüdist parandusplaastrit nupuvajutusega kõvendada, ilma et oleks vaja remondialaseid teadmisi või kõvenemistsükli programmeerimist. Pildi allikas: Custom Technologies, LLC
Teine oluline arendus on akutoitel töötav kõvenemissüsteem (joonis 2). „Väljahoolduse ajal on teil ainult akutoide,“ tõi Bergen välja. „Kõik meie väljatöötatud remondikomplekti protsessiseadmed on traadita.“ See hõlmab akutoitel töötavat termoliimimismasinat, mille töötasid välja Custom Technologies ja termoliimimismasinate tarnija WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). „See akutoitel töötav termoliimimismasin on eelprogrammeeritud kõvenemise lõpuleviimiseks, seega ei pea algajad kõvenemistsüklit programmeerima,“ ütles Crane. „Nad peavad lihtsalt vajutama nuppu, et lõpetada õige kaldtee ja leotada.“ Praegu kasutusel olevad akud võivad kesta aasta, enne kui neid on vaja laadida.
Projekti teise etapi lõppedes valmistab Custom Technologies ette edasisi täiustusettepanekuid ning kogub huvi- ja toetuskirju. „Meie eesmärk on viia see tehnoloogia TRL 8 tasemele ja viia see praktikasse,“ ütles Bergen. „Näeme potentsiaali ka mittesõjaliste rakenduste jaoks.“
Selgitab tööstusharu esimese kiudtugevduse taga peituvat vana kunsti ning omab põhjalikke teadmisi uuest kiudteadusest ja tulevasest arengust.
Peagi saabuv ja esimest korda lendav 787 tugineb oma eesmärkide saavutamiseks komposiitmaterjalide ja -protsesside uuendustele.
Postituse aeg: 02.09.2021