Il kit portatile può essere riparato con estere in fibra di vetro/vinile-vetro-vetro o pre -preg in fibra di carbonio/pre -preg immagazzinata a temperatura ambiente e attrezzatura di indurimento alimentata a batteria. #InsideManufacturing #Infrastructure
Riparazione di patch pre -preg-rare-rasatura Se nonostante la riparazione pre -preg in fibra di carbonio/epossidica sviluppata da personalizzato Technologies LLC per il ponte composito infield si è dimostrata semplice e rapida, l'uso di una resina in venile con fibra di vetro è stata sviluppata un sistema più conveniente . Fonte immagine: Custom Technologies LLC
I ponti distribuibili modulari sono attività critiche per le operazioni tattiche militari e la logistica, nonché il ripristino delle infrastrutture di trasporto durante le catastrofi naturali. Vengono studiate strutture composite per ridurre il peso di tali ponti, riducendo così l'onere per i veicoli di trasporto e i meccanismi di recupero del lancio. Rispetto ai ponti metallici, i materiali compositi hanno anche il potenziale per aumentare la capacità di portamento del carico ed estendere la durata di servizio.
Il ponte composito modulare avanzato (AMCB) è un esempio. Seenn Composites LLC (Gulfport, Mississippi, US) e Materials Sciences LLC (Horsham, PA, US) usano laminati epossidici con fibra di carbonio (Figura 1). ) Design e costruzione). Tuttavia, la capacità di riparare tali strutture sul campo è stata un problema che ostacola l'adozione di materiali compositi.
Figura 1 Bridge composito, il ponte composito modulare Asset Asset chiave (AMCB) è stato progettato e costruito da Seenn Composites LLC e Materials Sciences LLC utilizzando compositi di resina epossidica rinforzata in fibra di carbonio. Fonte dell'immagine: Seeman Composites LLC (a sinistra) e l'esercito americano (a destra).
Nel 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) ha ricevuto una sovvenzione di fase 1 di Fase 1 di Innovation Innovation Research (SBIR) finanziata dall'esercito americano per sviluppare un metodo di riparazione che può essere eseguito con successo in loco dai soldati. Sulla base di questo approccio, la seconda fase della sovvenzione SBIR è stata assegnata nel 2018 per mostrare nuovi materiali e attrezzature alimentate a batteria, anche se la patch viene eseguita da un novizio senza allenamento precedente, il 90% o più della struttura può essere ripristinato a RAW forza. La fattibilità della tecnologia è determinata eseguendo una serie di attività di analisi, selezione dei materiali, produzione di campioni e test meccanici, nonché riparazioni su piccola scala e su vasta scala.
Il principale ricercatore nelle due fasi SBIR è Michael Bergen, fondatore e presidente di Custom Technologies LLC. Bergen si ritirò da Carderock del Naval Surface Warfare Center (NSWC) e prestò servizio nel dipartimento delle strutture e dei materiali per 27 anni, dove gestì lo sviluppo e l'applicazione di tecnologie composite nella flotta della Marina degli Stati Uniti. Il Dr. Roger Crane è entrato a far parte delle tecnologie personalizzate nel 2015 dopo essersi ritirato dalla Marina degli Stati Uniti nel 2011 e ha prestato servizio per 32 anni. La sua competenza sui materiali compositi comprende pubblicazioni tecniche e brevetti, argomenti di copertura come nuovi materiali compositi, produzione di prototipi, metodi di connessione, materiali compositi multifunzionali, monitoraggio della salute strutturale e ripristino dei materiali compositi.
I due esperti hanno sviluppato un processo unico che utilizza materiali compositi per riparare le fessure nella sovrastruttura di alluminio della Ticonderoga CG-47 Class Guided Missile Cruiser 5456. "Il processo è stato sviluppato per ridurre la crescita delle fessure e per servire da alternativa economica alla sostituzione di una piattaforma da 2 a 4 milioni di dollari ", ha affermato Bergen. “Quindi abbiamo dimostrato di sapere come eseguire riparazioni al di fuori del laboratorio e in un ambiente di servizio reale. Ma la sfida è che gli attuali metodi di risorsa militare non hanno molto successo. L'opzione è la riparazione duplex legata [sostanzialmente in aree danneggiate incolla una scheda in alto] o rimuovere l'asset dal servizio per le riparazioni a livello di magazzino (a livello D). Poiché sono necessarie riparazioni di livello D, molte risorse vengono messe da parte. "
Ha continuato dicendo che ciò che è necessario è un metodo che può essere eseguito dai soldati senza esperienza nei materiali compositi, utilizzando solo kit e manuali di manutenzione. Il nostro obiettivo è semplificare il processo: leggere il manuale, valutare il danno ed eseguire riparazioni. Non vogliamo mescolare resine liquide, poiché ciò richiede una misurazione precisa per garantire una cura completa. Abbiamo anche bisogno di un sistema senza rifiuti pericolosi dopo il completamento delle riparazioni. E deve essere confezionato come kit che può essere distribuito dalla rete esistente. "
Una soluzione che le tecnologie personalizzate hanno dimostrato con successo è un kit portatile che utilizza un adesivo epossidico rafforzato per personalizzare la patch composita adesiva in base alle dimensioni del danno (fino a 12 pollici quadrati). La dimostrazione è stata completata su un materiale composito che rappresenta un ponte AMCB spesso da 3 pollici. Il materiale composito ha un nucleo in legno balsa spesso da 3 pollici (15 libbre per densità di piede cubo) e due strati di vettoriale (Phoenix, Arizona, US) C -Lt 1100 Fibra di carbonio 0 °/90 ° Biassiale tessuto C-TLX 1900 Fibra di carbonio 0 °/+45 °/-45 ° Tre alberi e due strati di C-LT 1100, un totale di cinque strati. "Abbiamo deciso che il kit utilizzerà patch prefabbricati in un laminato quasi isotropico simile a un multi-asse in modo che la direzione del tessuto non sia un problema", ha detto Crane.
Il prossimo problema è la matrice di resina utilizzata per la riparazione del laminato. Al fine di evitare di miscelare la resina liquida, la patch utilizzerà il prepreg. "Tuttavia, queste sfide sono lo stoccaggio", ha spiegato Bergen. Per sviluppare una soluzione di patch memorizzabile, le tecnologie personalizzate hanno collaborato con Sunrez Corp. (El Cajon, California, USA) per sviluppare una pre -preg in fibra di vetro/estere in vinile che può utilizzare la luce ultravioletta (UV) in sei minuti di indurimento della luce. Ha anche collaborato con i fratelli Gougeon (Bay City, Michigan, USA), che ha suggerito l'uso di un nuovo film epossidico flessibile.
I primi studi hanno dimostrato che la resina epossidica è la resina più adatta per l'estere in vinile e-uv-rage-radioso in fibra di carbonio e la fibra di vetro traslucida funzionano bene, ma non si cureranno sotto fibra di carbonio che blocca la luce. Basato sul nuovo film dei Gougeon Brothers, l'ultima pre -preg epossidica è curata per 1 ora a 210 ° F/99 ° C e ha una lunga durata di conservazione a temperatura ambiente, non necessaria per lo stoccaggio a bassa temperatura. Bergen ha affermato che se è richiesta una temperatura di transizione di vetro più elevata (TG), la resina verrà anche curata a una temperatura più elevata, come 350 ° F/177 ° C. Entrambi i prepreg sono forniti in un kit di riparazione portatili come stack di patch pre -preg sigillate in una busta di film di plastica.
Poiché il kit di riparazione può essere conservato a lungo, è necessaria tecnologie personalizzate per condurre uno studio sulla durata di shelf. "Abbiamo acquistato quattro recinti di plastica rigida - un tipico tipo militare utilizzato nelle attrezzature di trasporto - e abbiamo messo campioni di pre -preg di adesivi e vinile epossidici in ciascun recinto", ha affermato Bergen. Le scatole furono quindi collocate in quattro diverse località per i test: il tetto della fabbrica di goumon Brothers nel Michigan, il tetto dell'aeroporto del Maryland, la struttura all'aperto nella Yucca Valley (California Desert) e il laboratorio di test per corrosione all'aperto nel sud della Florida. Tutti i casi hanno logger di dati, Bergen sottolinea: “Prendiamo campioni di dati e materiali per la valutazione ogni tre mesi. La temperatura massima registrata nelle scatole della Florida e della California è di 140 ° F, il che è buono per la maggior parte delle resine di restauro. È una vera sfida. " Inoltre, Gougeon Brothers ha testato internamente la resina epossidica pura di recente sviluppo. "I campioni che sono stati collocati in un forno a 120 ° F per diversi mesi iniziano a polimerizzare", ha detto Bergen. "Tuttavia, per i campioni corrispondenti mantenuti a 110 ° F, la chimica della resina è migliorata solo di una piccola quantità."
La riparazione è stata verificata sulla scheda di prova e su questo modello di scala di AMCB, che utilizzava lo stesso laminato e il materiale centrale del ponte originale costruito dai compositi Seenn. Fonte immagine: Custom Technologies LLC
Al fine di dimostrare la tecnica di riparazione, un laminato rappresentativo deve essere prodotto, danneggiato e riparato. "Nella prima fase del progetto, inizialmente abbiamo utilizzato travi su piccola scala da 4 x 48 pollici e test di flessione a quattro punti per valutare la fattibilità del nostro processo di riparazione", ha affermato Klein. “Quindi, siamo passati a pannelli da 12 x 48 pollici nella seconda fase del progetto, abbiamo applicato carichi per generare uno stato di sollecitazione biassiale per causare guasti e quindi valutato le prestazioni di riparazione. Nella seconda fase, abbiamo anche completato il modello AMCB che abbiamo creato la manutenzione. "
Bergen ha affermato che il pannello di prova utilizzato per dimostrare che le prestazioni di riparazione sono state prodotte utilizzando lo stesso lignaggio di laminati e materiali core dell'AMCB prodotto da Seenann Composites, "ma abbiamo ridotto lo spessore del pannello da 0,375 pollici a 0,175 pollici, in base al teoreememo dell'asse parallelo . Questo è il caso. Il metodo, insieme agli elementi aggiuntivi della teoria del raggio e della teoria del laminato classico [CLT], è stato utilizzato per collegare il momento dell'inerzia e la rigidità efficace dell'AMCB su vasta scala con un prodotto demo di dimensioni inferiori che è più facile da gestire e altro ancora economico. Quindi, il modello di analisi degli elementi finiti [FEA] sviluppato da Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) è stato utilizzato per migliorare la progettazione di riparazioni strutturali. " Il tessuto in fibra di carbonio utilizzato per i pannelli di prova e il modello AMCB è stato acquistato da Vectorply e il nucleo BALSA è stato realizzato da Core Composites (Bristol, RI, US) fornito.
Passaggio 1. Questo pannello di prova mostra un diametro del foro da 3 pollici per simulare il danno contrassegnato al centro e riparare la circonferenza. Fonte fotografica per tutti i passaggi: Custom Technologies LLC.
Passaggio 2. Utilizzare una smerigliatrice manuale alimentata a batteria per rimuovere il materiale danneggiato e racchiudere la patch di riparazione con un cono 12: 1.
"Vogliamo simulare un grado più elevato di danno sulla tavola di prova di quanto si possa vedere sul ponte sul campo", ha spiegato Bergen. “Quindi il nostro metodo è quello di utilizzare una sega a foro per creare un foro di diametro da 3 pollici. Quindi, tiriamo fuori la spina del materiale danneggiato e usiamo una smerigliatrice pneumatica portata per elaborare una sciarpa 12: 1. "
Crane ha spiegato che per la riparazione in fibra di carbonio/resina epossidica, una volta rimosso il materiale del pannello "danneggiato" e viene applicata una sciarpa adeguata, il pre -preg verrà tagliato alla larghezza e alla lunghezza per abbinare la conicità dell'area danneggiata. “Per il nostro pannello di test, ciò richiede quattro strati di pre -preg per mantenere il materiale di riparazione coerente con la parte superiore del pannello di carbonio indignato originale. Successivamente, i tre strati di copertura di pre -preg di carbonio/epossidico sono concentrati su questo sulla parte riparata. Ogni strato successivo si estende da 1 pollice su tutti i lati dello strato inferiore, che fornisce un trasferimento di carico graduale dal materiale circostante "buono" all'area riparata. " Il tempo totale per eseguire questa preparazione dell'area di riparazione che incluso la riparazione, il taglio e il posizionamento del materiale di restauro e l'applicazione della procedura di indurimento, approssimativamente 2,5 ore.
Per pre -preg in fibra di carbonio/epossidica, l'area di riparazione viene piena di vuoto e curata a 210 ° F/99 ° C per un'ora usando un bonder termico alimentato a batteria.
Sebbene la riparazione di carbonio/resina epossidica sia semplice e rapida, il team ha riconosciuto la necessità di una soluzione più conveniente per ripristinare le prestazioni. Ciò ha portato all'esplorazione di pre -pregs di cura ultravioletta (UV). "L'interesse per le resine di Sunrez Vinyl Exter si basa sulla precedente esperienza navale con il fondatore dell'azienda Mark Livesay", ha spiegato Bergen. “Abbiamo prima fornito a Sunrez un tessuto di vetro quasi isotropico, usando il loro pre -preg di estere in vinile, e abbiamo valutato la curva di indurimento in condizioni diverse. Inoltre, poiché sappiamo che la resina estere in vinile non è come la resina epossidica che fornisce prestazioni di adesione secondaria adeguate, quindi sono necessari ulteriori sforzi per valutare vari agenti di accoppiamento del livello adesivo e determinare quale è adatto per l'applicazione. "
Un altro problema è che le fibre di vetro non possono fornire le stesse proprietà meccaniche delle fibre di carbonio. "Rispetto alla patch di carbonio/resina epossidica, questo problema è risolto utilizzando uno strato aggiuntivo di estere di vetro/vinile", ha detto Crane. "Il motivo per cui è necessario un solo strato aggiuntivo è che il materiale di vetro è un tessuto più pesante." Ciò produce una patch adatta che può essere applicata e combinata in sei minuti anche a temperature di infield molto fredde/congelanti. Curare senza fornire calore. Crane ha sottolineato che questo lavoro di riparazione può essere completato entro un'ora.
Entrambi i sistemi di patch sono stati dimostrati e testati. Per ogni riparazione, l'area da danneggiare è contrassegnata (Passaggio 1), creata con una sega a foro e quindi rimossa utilizzando un macinino manuale alimentato a batteria (passaggio 2). Quindi tagliare l'area riparata in un cono 12: 1. Pulisci la superficie della sciarpa con un cuscinetto alcolico (passaggio 3). Quindi, tagliare la patch di riparazione a una certa dimensione, posizionarla sulla superficie pulita (passaggio 4) e consolidarla con un rullo per rimuovere le bolle d'aria. Per pre -preg in fibra di vetro/ester in vinile con cure UV, quindi posizionare lo strato di rilascio sull'area riparata e curare la patch con una lampada UV a cordone per sei minuti (passaggio 5). Per pre -preg in fibra di carbonio/epossidica, utilizzare una bonder termica pre-programmata, a batteria, a batteria per il pacchetto di vuoto e curare l'area riparata a 210 ° F/99 ° C per un'ora.
Passaggio 5. Dopo aver posizionato lo strato di peeling sull'area riparata, utilizzare una lampada UV a cordone per curare la patch per 6 minuti.
"Quindi abbiamo condotto test per valutare l'adesione della patch e la sua capacità di ripristinare la capacità di carico della struttura", ha affermato Bergen. “Nella prima fase, dobbiamo dimostrare la facilità di applicazione e la capacità di recuperare almeno il 75% della forza. Questo viene fatto con una flessione a quattro punti su una fibra di carbonio/resina epossidica di 4 x 48 pollici e raggio di nucleo BALSA dopo aver riparato il danno simulato. SÌ. La seconda fase del progetto ha utilizzato un pannello da 12 x 48 pollici e deve presentare più del 90% di requisiti di resistenza in carichi di deformazione complessi. Abbiamo soddisfatto tutti questi requisiti e quindi fotografato i metodi di riparazione sul modello AMCB. Come utilizzare la tecnologia e le attrezzature Infield per fornire un riferimento visivo. "
Un aspetto chiave del progetto è dimostrare che i principianti possono facilmente completare la riparazione. Per questo motivo, Bergen ha avuto un'idea: “Ho promesso di dimostrare ai nostri due contatti tecnici nell'esercito: la dott.ssa Bernard Sia e Ashley Genna. Nella revisione finale della prima fase del progetto, non ho chiesto riparazioni. Ashley esperto ha eseguito la riparazione. Usando il kit e il manuale che abbiamo fornito, ha applicato la patch e ha completato la riparazione senza problemi. "
Figura 2 La macchina termica pre-programmata a batteria alimentata a batteria può curare la patch di riparazione in fibra di carbonio/epossidica alla spinta di un pulsante, senza la necessità di conoscenze di riparazione o programmazione del ciclo di indurimento. Fonte dell'immagine: Technologies personalizzati, LLC
Un altro sviluppo chiave è il sistema di indurimento alimentato a batteria (Figura 2). "Attraverso la manutenzione infield, hai solo energia alla batteria", ha sottolineato Bergen. "Tutte le apparecchiature di processo nel kit di riparazione che abbiamo sviluppato sono wireless." Ciò include il legame termico a batteria sviluppato congiuntamente da tecnologie personalizzate e fornitore di macchine per legami termici Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). "Questo bonder termico alimentato a batteria è pre-programmato per completare la polimerizzazione, quindi i principianti non hanno bisogno di programmare il ciclo di cura", ha detto Crane. "Devono solo premere un pulsante per completare la rampa e immergersi corretti." Le batterie attualmente in uso possono durare per un anno prima che debbano essere ricaricate.
Con il completamento della seconda fase del progetto, le tecnologie personalizzate stanno preparando le proposte di miglioramento del follow-up e raccogliendo lettere di interesse e supporto. "Il nostro obiettivo è quello di maturare questa tecnologia a TRL 8 e portarla in campo", ha detto Bergen. "Vediamo anche il potenziale per applicazioni non militari."
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Tempo post: settembre-02-2021