Il kit portatile può essere riparato con preimpregnati in fibra di vetro/vinile estere o fibra di carbonio/epossidica polimerizzabili tramite UV, conservati a temperatura ambiente e con apparecchiature di polimerizzazione alimentate a batteria. #insidemanufacturing #infrastructure
Riparazione di patch con prepreg polimerizzabile ai raggi UV. Sebbene la riparazione con prepreg in fibra di carbonio/epossidica sviluppata da Custom Technologies LLC per il ponte composito interno si sia dimostrata semplice e rapida, l'uso di resina vinilestere polimerizzabile ai raggi UV rinforzata con fibra di vetro Prepreg ha sviluppato un sistema più conveniente. Fonte immagine: Custom Technologies LLC
I ponti modulari dispiegabili sono risorse fondamentali per le operazioni tattiche e la logistica militare, nonché per il ripristino delle infrastrutture di trasporto durante i disastri naturali. Si stanno studiando strutture composite per ridurre il peso di tali ponti, alleggerendo così il carico sui veicoli di trasporto e sui meccanismi di lancio e recupero. Rispetto ai ponti metallici, i materiali compositi hanno anche il potenziale per aumentare la capacità portante e prolungare la durata di vita.
L'Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) ne è un esempio. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, Stati Uniti) e Materials Sciences LLC (Horsham, PA, Stati Uniti) utilizzano laminati epossidici rinforzati con fibra di carbonio (Figura 1). Progettazione e costruzione. Tuttavia, la capacità di riparare tali strutture sul campo è stata un problema che ha ostacolato l'adozione di materiali compositi.
Figura 1 Ponte composito, risorsa chiave sul campo. Il ponte composito modulare avanzato (AMCB) è stato progettato e costruito da Seemann Composites LLC e Materials Sciences LLC utilizzando compositi in resina epossidica rinforzata con fibra di carbonio. Fonte dell'immagine: Seemann Composites LLC (a sinistra) e Esercito degli Stati Uniti (a destra).
Nel 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, Stati Uniti) ha ricevuto un finanziamento per la Fase 1 del programma Small Business Innovation Research (SBIR) finanziato dall'Esercito degli Stati Uniti per sviluppare un metodo di riparazione che possa essere eseguito con successo in loco dai soldati. Sulla base di questo approccio, nel 2018 è stata assegnata la seconda fase del finanziamento SBIR per presentare nuovi materiali e apparecchiature alimentate a batteria: anche se la riparazione viene eseguita da un principiante senza formazione pregressa, è possibile ripristinare il 90% o più della struttura in termini di resistenza grezza. La fattibilità della tecnologia viene determinata eseguendo una serie di analisi, selezione dei materiali, produzione di campioni e test meccanici, nonché riparazioni su piccola e grande scala.
Il ricercatore principale nelle due fasi dello SBIR è Michael Bergen, fondatore e presidente di Custom Technologies LLC. Bergen si è ritirato da Carderock del Naval Surface Warfare Center (NSWC) e ha prestato servizio presso il Dipartimento di Strutture e Materiali per 27 anni, dove ha gestito lo sviluppo e l'applicazione di tecnologie composite nella flotta della Marina Militare statunitense. Il Dott. Roger Crane è entrato in Custom Technologies nel 2015, dopo essersi ritirato dalla Marina Militare statunitense nel 2011, e ha prestato servizio per 32 anni. La sua competenza nei materiali compositi comprende pubblicazioni tecniche e brevetti, che coprono argomenti quali nuovi materiali compositi, produzione di prototipi, metodi di connessione, materiali compositi multifunzionali, monitoraggio dello stato di salute strutturale e ripristino di materiali compositi.
I due esperti hanno sviluppato un processo unico che utilizza materiali compositi per riparare le crepe nella sovrastruttura in alluminio dell'incrociatore lanciamissili Ticonderoga classe CG-47 5456. "Il processo è stato sviluppato per ridurre la crescita delle crepe e per rappresentare un'alternativa economica alla sostituzione di una piattaforma, con un costo di 2-4 milioni di dollari", ha affermato Bergen. "Abbiamo quindi dimostrato di saper eseguire riparazioni al di fuori del laboratorio e in un ambiente di servizio reale. Ma la sfida è che gli attuali metodi di riparazione delle risorse militari non sono molto efficaci. L'opzione è la riparazione duplex incollata [in pratica nelle aree danneggiate, incollando una scheda alla parte superiore] o la rimozione della risorsa dal servizio per riparazioni a livello di magazzino (livello D). Poiché sono necessarie riparazioni di livello D, molte risorse vengono accantonate".
Ha proseguito affermando che serve un metodo che possa essere applicato anche da soldati senza esperienza con i materiali compositi, utilizzando solo kit e manuali di manutenzione. Il nostro obiettivo è semplificare il processo: leggere il manuale, valutare il danno ed eseguire le riparazioni. Non vogliamo mescolare resine liquide, poiché ciò richiede misurazioni precise per garantire la completa polimerizzazione. Abbiamo anche bisogno di un sistema che non produca rifiuti pericolosi al termine delle riparazioni. E deve essere confezionato in un kit che possa essere distribuito dalla rete esistente.
Una soluzione dimostrata con successo da Custom Technologies è un kit portatile che utilizza un adesivo epossidico rinforzato per personalizzare la toppa 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 3 pollici. Il materiale composito ha un'anima in legno di balsa spessa 3 pollici (densità di 15 libbre per piede cubo) e due strati di tessuto biassiale cucito in fibra di carbonio Vectorply (Phoenix, Arizona, Stati Uniti) C-LT 1100 con inclinazione 0°/90°, uno strato di fibra di carbonio C-TLX 1900 con inclinazione 0°/+45°/-45° a tre assi e due strati di C-LT 1100, per un totale di cinque strati. "Abbiamo deciso che il kit utilizzerà toppe prefabbricate in un laminato quasi isotropico simile a un multiasse, in modo che la direzione del tessuto non sia un problema", ha affermato Crane.
Il problema successivo riguarda la matrice di resina utilizzata per la riparazione del laminato. Per evitare di mescolare la resina liquida, la patch utilizzerà un preimpregnato. "Tuttavia, queste sfide riguardano lo stoccaggio", ha spiegato Bergen. Per sviluppare una soluzione di patch conservabile, Custom Technologies ha collaborato con Sunrez Corp. (El Cajon, California, USA) per sviluppare un preimpregnato in fibra di vetro/vinilestere in grado di utilizzare la luce ultravioletta (UV) in sei minuti di fotopolimerizzazione. Ha inoltre collaborato con Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), che ha suggerito l'uso di un nuovo film epossidico flessibile.
Studi preliminari hanno dimostrato che la resina epossidica è la resina più adatta per i preimpregnati in fibra di carbonio: il vinilestere polimerizzabile tramite UV e la fibra di vetro traslucida funzionano bene, ma non polimerizzano sotto fibra di carbonio che blocca la luce. Basato sul nuovo film di Gougeon Brothers, il preimpregnato epossidico finale viene polimerizzato per 1 ora a 99 °C (210 °F) e ha una lunga conservabilità a temperatura ambiente, senza necessità di conservazione a basse temperature. Bergen ha affermato che se è richiesta una temperatura di transizione vetrosa (Tg) più elevata, la resina verrà polimerizzata anche a una temperatura più elevata, ad esempio 177 °C (350 °F). Entrambi i preimpregnati sono forniti in un kit di riparazione portatile sotto forma di una pila di toppe di preimpregnato sigillate in una busta di pellicola di plastica.
Poiché il kit di riparazione può essere conservato a lungo, Custom Technologies è tenuta a condurre uno studio sulla durata di conservazione. "Abbiamo acquistato quattro contenitori in plastica rigida, un tipo tipico militare utilizzato nelle attrezzature per il trasporto, e abbiamo inserito campioni di adesivo epossidico e preimpregnato in vinilestere in ciascun contenitore", ha affermato Bergen. I contenitori sono stati quindi posizionati in quattro luoghi diversi per i test: il tetto dello stabilimento Gougeon Brothers nel Michigan, il tetto dell'aeroporto del Maryland, la struttura esterna di Yucca Valley (deserto della California) e il laboratorio esterno per le prove di corrosione nel sud della Florida. Tutti i contenitori sono dotati di data logger, sottolinea Bergen: "Preleviamo dati e campioni di materiale per la valutazione ogni tre mesi. La temperatura massima registrata nei contenitori in Florida e California è di 62 °C, il che è buono per la maggior parte delle resine per restauro. È una vera sfida". Inoltre, Gougeon Brothers ha testato internamente la resina epossidica pura di nuova concezione. "I campioni che sono stati posti in forno a 50 °C per diversi mesi iniziano a polimerizzare", ha affermato Bergen. Tuttavia, nei campioni corrispondenti conservati a 43 °C, la chimica della resina è migliorata solo di poco.
La riparazione è stata verificata sulla tavola di prova e su questo modello in scala dell'AMCB, che utilizzava lo stesso laminato e lo stesso materiale del ponte originale costruito da Seemann Composites. Fonte dell'immagine: Custom Technologies LLC
Per dimostrare la tecnica di riparazione, è necessario produrre, danneggiare e riparare un laminato rappresentativo. "Nella prima fase del progetto, abbiamo inizialmente utilizzato travi di piccole dimensioni da 4 x 48 pollici e test di flessione a quattro punti per valutare la fattibilità del nostro processo di riparazione", ha affermato Klein. "Poi, nella seconda fase del progetto, siamo passati a pannelli da 12 x 48 pollici, abbiamo applicato carichi per generare uno stato di sollecitazione biassiale che causasse la rottura e abbiamo quindi valutato le prestazioni della riparazione. Nella seconda fase, abbiamo anche completato il modello AMCB che abbiamo realizzato per la Manutenzione."
Bergen ha affermato che il pannello di prova utilizzato per dimostrare le prestazioni di riparazione è stato prodotto utilizzando la stessa linea di laminati e materiali d'anima dell'AMCB prodotto da Seemann Composites, "ma abbiamo ridotto lo spessore del pannello da 0,375 pollici a 0,175 pollici, in base al teorema degli assi paralleli. Questo è il caso. Il metodo, insieme agli elementi aggiuntivi della teoria delle travi e della teoria classica dei laminati [CLT], è stato utilizzato per collegare il momento d'inerzia e la rigidezza effettiva dell'AMCB a grandezza naturale con un prodotto demo di dimensioni ridotte, più facile da gestire e più economico. Quindi, abbiamo utilizzato il modello di analisi agli elementi finiti [FEA] sviluppato da XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) per migliorare la progettazione delle riparazioni strutturali". Il tessuto in fibra di carbonio utilizzato per i pannelli di prova e il modello AMCB è stato acquistato da Vectorply, mentre l'anima in balsa è stata prodotta da Core Composites (Bristol, RI, USA).
Fase 1. Questo pannello di prova presenta un foro di 3 pollici di diametro per simulare il danno marcato al centro e riparare la circonferenza. Fonte delle foto per tutte le fasi: Custom Technologies LLC.
Fase 2. Utilizzare una smerigliatrice manuale a batteria per rimuovere il materiale danneggiato e racchiudere la toppa di riparazione con una rastremazione 12:1.
"Vogliamo simulare un grado di danno maggiore sulla tavola di prova rispetto a quello che si potrebbe osservare sul ponte sul campo", ha spiegato Bergen. "Quindi il nostro metodo consiste nell'utilizzare una sega a tazza per praticare un foro di 7,5 cm di diametro. Quindi, rimuoviamo il tappo del materiale danneggiato e utilizziamo una smerigliatrice pneumatica portatile per ottenere una smerigliatura con rapporto di 12:1."
Crane ha spiegato che per la riparazione in fibra di carbonio/resina epossidica, una volta rimosso il materiale del pannello "danneggiato" e applicata una svasatura appropriata, il preimpregnato verrà tagliato in larghezza e lunghezza per adattarsi alla conicità dell'area danneggiata. "Per il nostro pannello di prova, ciò richiede quattro strati di preimpregnato per mantenere il materiale di riparazione uniforme con la parte superiore del pannello in carbonio originale non danneggiato. Successivamente, i tre strati di copertura di preimpregnato in carbonio/resina epossidica vengono concentrati sulla parte riparata. Ogni strato successivo si estende per 2,5 cm su tutti i lati dello strato inferiore, il che fornisce un graduale trasferimento del carico dal materiale circostante "buono" all'area riparata." Il tempo totale per eseguire questa riparazione, inclusa la preparazione dell'area di riparazione, il taglio e il posizionamento del materiale di restauro e l'applicazione della procedura di polimerizzazione, è di circa 2,5 ore.
Per il preimpregnato in fibra di carbonio/epossidica, l'area da riparare viene confezionata sottovuoto e polimerizzata a 210°F/99°C per un'ora utilizzando un termolegante alimentato a batteria.
Sebbene la riparazione di materiali in carbonio/epossidica sia semplice e rapida, il team ha riconosciuto la necessità di una soluzione più pratica per ripristinare le prestazioni. Ciò ha portato all'esplorazione di preimpregnati a polimerizzazione ultravioletta (UV). "L'interesse per le resine vinilestere di Sunrez si basa sulla precedente esperienza nel settore navale con il fondatore dell'azienda, Mark Livesay", ha spiegato Bergen. "Inizialmente abbiamo fornito a Sunrez un tessuto di vetro quasi isotropico, utilizzando il loro preimpregnato in vinilestere, e ne abbiamo valutato la curva di polimerizzazione in diverse condizioni. Inoltre, poiché sappiamo che la resina vinilestere non è come la resina epossidica, che offre prestazioni di adesione secondaria adeguate, sono necessari ulteriori sforzi per valutare diversi agenti di accoppiamento degli strati adesivi e determinare quale sia adatto all'applicazione".
Un altro problema è che le fibre di vetro non possono fornire le stesse proprietà meccaniche delle fibre di carbonio. "Rispetto alla toppa in carbonio/resina epossidica, questo problema viene risolto utilizzando uno strato aggiuntivo di fibra di vetro/estere vinilico", ha affermato Crane. "Il motivo per cui è necessario un solo strato aggiuntivo è che il materiale in vetro è un tessuto più pesante". Questo produce una toppa adatta che può essere applicata e combinata entro sei minuti anche a temperature interne molto basse/gelide. Indurimento senza apporto di calore. Crane ha sottolineato che questo lavoro di riparazione può essere completato in un'ora.
Entrambi i sistemi di riparazione sono stati dimostrati e testati. Per ogni riparazione, l'area danneggiata viene contrassegnata (fase 1), creata con una sega a tazza e quindi rimossa utilizzando una smerigliatrice manuale a batteria (fase 2). Quindi, si taglia l'area riparata con un taglio conico 12:1. Si pulisce la superficie della sciarpa con un tampone imbevuto di alcol (fase 3). Successivamente, si taglia la toppa di riparazione a una certa dimensione, la si posiziona sulla superficie pulita (fase 4) e la si consolida con un rullo per rimuovere le bolle d'aria. Per il preimpregnato in fibra di vetro/vinilestere a polimerizzazione UV, si applica lo strato distaccante sull'area riparata e si polimerizza la toppa con una lampada UV senza fili per sei minuti (fase 5). Per il preimpregnato in fibra di carbonio/epossidica, si utilizza una termosaldatrice pre-programmata, a pulsante singolo e a batteria, per confezionare sottovuoto e polimerizzare l'area riparata a 99 °C per un'ora.
Fase 5. Dopo aver posizionato lo strato di peeling sulla zona riparata, utilizzare una lampada UV senza fili per polimerizzare la toppa per 6 minuti.
"Abbiamo poi condotto dei test per valutare l'adesività della toppa e la sua capacità di ripristinare la capacità portante della struttura", ha affermato Bergen. "Nella prima fase, dobbiamo dimostrare la facilità di applicazione e la capacità di recuperare almeno il 75% della resistenza. Questo viene fatto tramite flessione a quattro punti su una trave centrale in fibra di carbonio/resina epossidica e balsa di 4 x 48 pollici dopo aver riparato il danno simulato. Sì. La seconda fase del progetto ha utilizzato un pannello di 12 x 48 pollici e deve presentare requisiti di resistenza superiori al 90% sotto carichi di deformazione complessi. Abbiamo soddisfatto tutti questi requisiti e poi abbiamo fotografato i metodi di riparazione sul modello AMCB. Come utilizzare la tecnologia e le attrezzature in campo per fornire un riferimento visivo."
Un aspetto chiave del progetto è dimostrare che anche i principianti possono completare la riparazione senza problemi. Per questo motivo, Bergen ha avuto un'idea: "Ho promesso di dimostrarlo ai nostri due referenti tecnici nell'Esercito: il Dott. Bernard Sia e Ashley Genna. Nella revisione finale della prima fase del progetto, ho chiesto di non effettuare alcuna riparazione. L'esperta Ashley ha eseguito la riparazione. Utilizzando il kit e il manuale che le abbiamo fornito, ha applicato la toppa e ha completato la riparazione senza problemi".
Figura 2. La macchina per la termosaldatura a batteria pre-programmata e alimentata a batteria può polimerizzare la toppa di riparazione in fibra di carbonio/epossidica con la semplice pressione di un pulsante, senza la necessità di conoscenze specifiche in materia di riparazione o di programmazione del ciclo di polimerizzazione. Fonte immagine: Custom Technologies, LLC
Un altro sviluppo chiave è il sistema di polimerizzazione a batteria (Figura 2). "Grazie alla manutenzione sul campo, si dispone solo di energia a batteria", ha sottolineato Bergen. "Tutte le apparecchiature di processo nel kit di riparazione che abbiamo sviluppato sono wireless". Questo include la termosaldatura a batteria sviluppata congiuntamente da Custom Technologies e dal fornitore di macchine per termosaldatura WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). "Questa termosaldatrice a batteria è pre-programmata per completare la polimerizzazione, quindi i principianti non devono programmare il ciclo di polimerizzazione", ha affermato Crane. "Basta premere un pulsante per completare la rampa e l'immersione corrette". Le batterie attualmente in uso possono durare un anno prima di dover essere ricaricate.
Con il completamento della seconda fase del progetto, Custom Technologies sta preparando proposte di miglioramento successive e raccogliendo lettere di interesse e supporto. "Il nostro obiettivo è portare questa tecnologia al livello di maturità 8 e portarla sul campo", ha affermato Bergen. "Vediamo anche il potenziale per applicazioni non militari".
Illustra l'antica arte alla base del primo rinforzo in fibra del settore e possiede una conoscenza approfondita della nuova scienza delle fibre e dei suoi sviluppi futuri.
In arrivo prossimamente e in volo per la prima volta, il 787 si affida alle innovazioni nei materiali compositi e nei processi per raggiungere i suoi obiettivi
Data di pubblicazione: 02/09/2021