Il kit portatile può essere riparato con prepreg in fibra di vetro/estere vinilico polimerizzabile con raggi UV o fibra di carbonio/resina epossidica conservato a temperatura ambiente e con apparecchiature di polimerizzazione alimentate a batteria. #insidemanufacturing #infrastrutture
Riparazione di patch di prepreg polimerizzabili con UV Sebbene la riparazione di prepreg in fibra di carbonio/resina epossidica sviluppata da Custom Technologies LLC per il ponte composito interno si sia rivelata semplice e rapida, l'uso della resina vinilestere polimerizzabile con 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 logistiche militari, nonché per il ripristino delle infrastrutture di trasporto durante i disastri naturali. Sono allo studio strutture composite per ridurre il peso di tali ponti, riducendo così il carico sui veicoli di trasporto e sui meccanismi di lancio-recupero. Rispetto ai ponti metallici, i materiali compositi hanno anche il potenziale per aumentare la capacità di carico e prolungare la durata.
Un esempio è l’Advanced Modular Composite Bridge (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) e Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) 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 ostacola 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 rinforzati con fibra di carbonio. Fonte 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 SBIR (Small Business Innovation Research) finanziata dall'esercito americano 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 della sovvenzione SBIR per presentare nuovi materiali e apparecchiature alimentate a batteria, anche se la riparazione viene eseguita da un principiante senza formazione preliminare, il 90% o più della struttura può essere ripristinato. forza. La fattibilità della tecnologia viene determinata eseguendo una serie di attività di analisi, selezione dei materiali, produzione di campioni e test meccanici, nonché riparazioni su piccola scala e su scala reale.
Il ricercatore principale 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 Strutture e Materiali per 27 anni, dove gestì lo sviluppo e l'applicazione di tecnologie composite nella flotta della Marina degli Stati Uniti. Il dottor Roger Crane è entrato a far parte di Custom Technologies nel 2015 dopo essersi ritirato dalla Marina degli Stati Uniti nel 2011 e ha prestato servizio per 32 anni. La sua esperienza sui materiali compositi comprende pubblicazioni tecniche e brevetti, che coprono argomenti quali nuovi materiali compositi, produzione di prototipi, metodi di connessione, materiali compositi multifunzionali, monitoraggio della salute strutturale e restauro dei materiali compositi.
I due esperti hanno sviluppato un processo unico che utilizza materiali compositi per riparare le crepe nella sovrastruttura in alluminio dell'incrociatore missilistico guidato classe Ticonderoga CG-47 5456. “Il processo è stato sviluppato per ridurre la crescita delle crepe e per servire come alternativa economica alla sostituzione di una piattaforma di bordo da 2 a 4 milioni di dollari", ha detto Bergen. “Così abbiamo dimostrato di sapere come eseguire riparazioni fuori dal laboratorio e in un ambiente di servizio reale. Ma la sfida è che gli attuali metodi di gestione delle risorse militari non hanno molto successo. L'opzione è la riparazione duplex incollata [sostanzialmente nelle aree danneggiate incollare un pannello sulla parte superiore] o rimuovere la risorsa dal servizio per riparazioni a livello di magazzino (livello D). Poiché sono necessarie riparazioni di livello D, molte risorse vengono messe da parte”.
Ha continuato dicendo che ciò che serve è un metodo che possa essere eseguito da soldati senza esperienza nei materiali compositi, utilizzando solo kit e manuali di manutenzione. Il nostro obiettivo è rendere il processo semplice: leggere il manuale, valutare il danno ed eseguire le riparazioni. Non vogliamo mescolare resine liquide, poiché ciò richiede una misurazione precisa per garantire una polimerizzazione completa. Abbiamo anche bisogno di un sistema che non contenga rifiuti pericolosi una volta completate le riparazioni. E deve essere confezionato come un kit che possa essere distribuito dalla rete esistente. "
Una soluzione che Custom Technologies ha dimostrato con successo è un kit portatile che utilizza un adesivo epossidico rinforzato per personalizzare il cerotto composito adesivo in base alla dimensione 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 cucito biassiale Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C -LT 1100 in fibra di carbonio 0°/90°, uno strato di C-TLX 1900 fibra di carbonio 0°/+45°/-45° tre alberi 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 isotropo simile a un multiasse in modo che la direzione del tessuto non costituisca un problema", ha affermato Crane.
Il prossimo problema riguarda la matrice di resina utilizzata per la riparazione del laminato. Per evitare di mescolare la resina liquida, il cerotto utilizzerà il 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/estere vinilico in grado di utilizzare la luce ultravioletta (UV) in sei minuti Fotopolimerizzazione. Ha inoltre collaborato con Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), che ha suggerito l'utilizzo di un nuovo film epossidico flessibile.
I primi studi hanno dimostrato che la resina epossidica è la resina più adatta per i preimpregnati in fibra di carbonio: l'estere vinilico polimerizzabile con raggi UV e la fibra di vetro traslucida funzionano bene, ma non polimerizzano sotto la fibra di carbonio che blocca la luce. Basato sulla nuova pellicola di Gougeon Brothers, il preimpregnato epossidico finale viene polimerizzato per 1 ora a 210°F/99°C e ha una lunga durata a temperatura ambiente, senza necessità di conservazione a bassa temperatura. Bergen ha affermato che se è necessaria una temperatura di transizione vetrosa (Tg) più elevata, anche la resina verrà polimerizzata a una temperatura più elevata, ad esempio 350°F/177°C. Entrambi i preimpregnati vengono forniti in un kit di riparazione portatile sotto forma di una pila di pezze preimpregnate sigillate in una busta di pellicola di plastica.
Poiché il kit di riparazione può essere conservato per un lungo periodo, Custom Technologies è tenuta a condurre uno studio sulla durata di conservazione. "Abbiamo acquistato quattro involucri di plastica dura, un tipico tipo militare utilizzato nelle attrezzature di trasporto, e abbiamo inserito campioni di adesivo epossidico e preimpregnato di vinilestere in ciascun involucro", ha affermato Bergen. Le scatole sono state quindi collocate in quattro luoghi diversi per i test: il tetto della fabbrica Gougeon Brothers nel Michigan, il tetto dell'aeroporto del Maryland, la struttura all'aperto nella Yucca Valley (deserto della California) e il laboratorio di test di corrosione all'aperto nel sud della Florida. Tutti i casi sono dotati di registratori di dati, sottolinea Bergen: “Prendiamo campioni di dati e materiali per la valutazione ogni tre mesi. La temperatura massima registrata nelle scatole in Florida e California è di 140°F, che è buona per la maggior parte delle resine da 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 un forno a 120°F per diversi mesi iniziano a polimerizzare", ha detto Bergen. "Tuttavia, per i campioni corrispondenti conservati a 110°F, la chimica della resina è migliorata solo di poco."
La riparazione è stata verificata sulla tavola di prova e su questo modello in scala di AMCB, che utilizzava lo stesso laminato e materiale di base del ponte originale costruito da Seemann Composites. Fonte 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 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, nella seconda fase del progetto, siamo passati ai pannelli da 12 x 48 pollici, abbiamo applicato carichi per generare uno stato di sollecitazione biassiale tale da causare guasti e quindi abbiamo valutato le prestazioni di riparazione. Nella seconda fase, abbiamo anche completato il modello AMCB che abbiamo costruito 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 di base 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 dell'asse parallelo . 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 di inerzia e la rigidezza effettiva dell'AMCB a scala reale con un prodotto dimostrativo di dimensioni più piccole che è più facile da maneggiare e più conveniente. Quindi, abbiamo utilizzato il modello di analisi degli 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 e l'anima in balsa è stata realizzata da Core Composites (Bristol, RI, USA).
Passaggio 1. Questo pannello di prova visualizza un diametro del foro di 3 pollici per simulare il danno segnato al centro e riparare la circonferenza. Fonte foto per tutti i passaggi: Custom Technologies LLC.
Passaggio 2. Utilizzare una smerigliatrice manuale alimentata a batteria per rimuovere il materiale danneggiato e racchiudere la toppa di riparazione con un cono 12:1.
"Vogliamo simulare un grado di danno più elevato sulla tavola di prova rispetto a quello che potrebbe essere visto sul ponte sul campo", ha spiegato Bergen. “Quindi il nostro metodo consiste nell'utilizzare una sega a tazza per realizzare un foro da 3 pollici di diametro. Quindi, estraiamo il tappo del materiale danneggiato e utilizziamo una smerigliatrice pneumatica portatile per lavorare una sciarpa 12:1."
Crane ha spiegato che per la riparazione di fibra di carbonio/resina epossidica, una volta rimosso il materiale del pannello "danneggiato" e applicata una sciarpa adeguata, il preimpregnato verrà tagliato in larghezza e lunghezza per adattarsi alla rastremazione dell'area danneggiata. “Per il nostro pannello di prova, ciò richiede quattro strati di preimpregnato per mantenere il materiale di riparazione coerente con la parte superiore del pannello di carbonio originale non danneggiato. Successivamente, i tre strati di copertura del prepreg carbonio/epossidico vengono concentrati su questa parte riparata. Ogni strato successivo si estende per 1 pollice su tutti i lati dello strato inferiore, il che fornisce un trasferimento graduale 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/resina epossidica, l'area da riparare viene confezionata sotto vuoto e polimerizzata a 99°C/210°F per un'ora utilizzando un termoadesivo alimentato a batteria.
Sebbene la riparazione del 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 dei preimpregnati a polimerizzazione ultravioletta (UV). "L'interesse per le resine vinilestere Sunrez si basa sulla precedente esperienza navale con il fondatore dell'azienda Mark Livesay", ha spiegato Bergen. “Per prima cosa abbiamo fornito a Sunrez un tessuto di vetro quasi isotropo, utilizzando il loro preimpregnato in vinilestere, e abbiamo valutato la curva di polimerizzazione in diverse condizioni. Inoltre, poiché sappiamo che la resina vinilestere non è come la resina epossidica che fornisce prestazioni di adesione secondaria adeguate, sono necessari ulteriori sforzi per valutare vari agenti di accoppiamento dello strato 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 al cerotto in carbonio/resina epossidica, questo problema viene risolto utilizzando uno strato aggiuntivo di vetro/estere vinilico", ha affermato Crane. “Il motivo per cui è necessario solo uno strato aggiuntivo è che il materiale del vetro è un tessuto più pesante”. Ciò produce un cerotto adatto che può essere applicato e combinato entro sei minuti anche a temperature interne molto fredde/gelate. Polimerizzare 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. Ad ogni riparazione, la zona da danneggiare viene marcata (step 1), creata con una sega a tazza, e poi rimossa utilizzando una smerigliatrice manuale a batteria (step 2). Quindi tagliare l'area riparata con una conicità di 12:1. Pulisci la superficie della sciarpa con un tampone imbevuto di alcol (passaggio 3). Successivamente, tagliare la toppa di riparazione a una certa dimensione, posizionarla sulla superficie pulita (passaggio 4) e consolidarla con un rullo per rimuovere le bolle d'aria. Per il preimpregnato in vinilestere con fibra di vetro/polimerizzazione UV, posizionare lo strato di rilascio sull'area riparata e polimerizzare il cerotto con una lampada UV senza fili per sei minuti (passaggio 5). Per il preimpregnato in fibra di carbonio/resina epossidica, utilizzare un termoadesivo preprogrammato, a un pulsante, alimentato a batteria per mettere sotto vuoto e polimerizzare l'area riparata a 99 °C/210 °F per un'ora.
Passaggio 5. Dopo aver posizionato lo strato peeling sull'area riparata, utilizzare una lampada UV senza fili per polimerizzare la toppa per 6 minuti.
"Poi abbiamo condotto test per valutare l'adesività del cerotto 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 forza. Questo viene fatto mediante piegatura a quattro punti su una fibra di carbonio/resina epossidica da 4 x 48 pollici e una trave centrale in 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 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 sul campo per fornire un riferimento visivo."
Un aspetto chiave del progetto è dimostrare che i principianti possono completare facilmente la riparazione. Per questo motivo Bergen ha avuto un'idea: “Ho promesso di fare una dimostrazione ai nostri due contatti tecnici nell'esercito: il dottor Bernard Sia e Ashley Genna. Nella revisione finale della prima fase del progetto, non ho chiesto riparazioni. 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 incollaggio termico preprogrammata e alimentata a batteria è in grado di polimerizzare la toppa di riparazione in fibra di carbonio/resina epossidica con la semplice pressione di un pulsante, senza la necessità di conoscenze di riparazione o di programmazione del ciclo di polimerizzazione. Fonte immagine: Custom Technologies, LLC
Un altro sviluppo chiave è il sistema di polimerizzazione alimentato a batteria (Figura 2). "Grazie alla manutenzione sul campo, hai solo l'energia della batteria", ha sottolineato Bergen. "Tutte le apparecchiature di processo contenute nel kit di riparazione che abbiamo sviluppato sono wireless." Ciò include il incollaggio termico alimentato a batteria sviluppato congiuntamente da Custom Technologies e dal fornitore di macchine per incollaggio termico WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). "Questo termoadesivo alimentato a batteria è pre-programmato per completare la polimerizzazione, quindi i principianti non hanno bisogno di programmare il ciclo di polimerizzazione", ha affermato Crane. "Devono solo premere un pulsante per completare la rampa corretta e immergersi." 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 e raccogliendo lettere di interesse e supporto. "Il nostro obiettivo è portare questa tecnologia al livello TRL 8 e portarla sul campo", ha affermato Bergen. “Vediamo anche il potenziale per applicazioni non militari”.
Spiega l'antica arte dietro il primo rinforzo in fibra del settore e ha una conoscenza approfondita della scienza delle nuove fibre e dello sviluppo futuro.
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Orario di pubblicazione: 02-settembre-2021