Maaaring kumpunihin ang portable kit gamit ang UV-curable fiberglass/vinyl ester o carbon fiber/epoxy prepreg na nakaimbak sa temperatura ng kuwarto at mga kagamitan sa pagpapagaling na pinapagana ng baterya. #insidemanufacturing #infrastructure
UV-curable prepreg patch repair Bagama't ang carbon fiber/epoxy prepreg repair na binuo ng Custom Technologies LLC para sa infield composite bridge ay napatunayang simple at mabilis, ang paggamit ng glass fiber reinforced UV-curable vinyl ester resin Prepreg ay nakabuo ng mas maginhawang sistema . Pinagmulan ng larawan: Custom Technologies LLC
Ang mga modular deployable bridges ay mga kritikal na asset para sa mga taktikal na operasyon at logistik ng militar, pati na rin ang pagpapanumbalik ng imprastraktura ng transportasyon sa panahon ng mga natural na sakuna. Pinag-aaralan ang mga pinagsama-samang istruktura upang bawasan ang bigat ng naturang mga tulay, sa gayon ay binabawasan ang pasanin sa mga sasakyang pang-transportasyon at mga mekanismo sa paglulunsad-pagbawi. Kung ikukumpara sa mga metal na tulay, ang mga composite na materyales ay mayroon ding potensyal na pataasin ang kapasidad sa pagdadala ng pagkarga at pahabain ang buhay ng serbisyo.
Ang Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) ay isang halimbawa. Ang Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, US) at Materials Sciences LLC (Horsham, PA, US) ay gumagamit ng carbon fiber-reinforced epoxy laminates (Figure 1). ) Disenyo at konstruksyon). Gayunpaman, ang kakayahang ayusin ang mga naturang istruktura sa larangan ay naging isang isyu na humahadlang sa pag-aampon ng mga pinagsama-samang materyales.
Figure 1 Composite bridge, key infield asset Ang Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) ay idinisenyo at ginawa ng Seemann Composites LLC at Materials Sciences LLC gamit ang carbon fiber reinforced epoxy resin composites. Pinagmulan ng larawan: Seeman Composites LLC (kaliwa) at ang US Army (kanan).
Noong 2016, nakatanggap ang Custom Technologies LLC (Millersville, MD, US) ng Small Business Innovation Research (SBIR) Phase 1 grant na pinondohan ng US Army para bumuo ng paraan ng pagkukumpuni na maaaring matagumpay na maisagawa sa lugar ng mga sundalo. Batay sa diskarteng ito, ang ikalawang yugto ng SBIR grant ay iginawad noong 2018 upang ipakita ang mga bagong materyales at kagamitan na pinapagana ng baterya, kahit na ang patch ay ginawa ng isang baguhan nang walang paunang pagsasanay, 90% o higit pa sa istraktura ay maaaring maibalik Raw lakas. Ang pagiging posible ng teknolohiya ay natutukoy sa pamamagitan ng pagsasagawa ng isang serye ng pagsusuri, pagpili ng materyal, paggawa ng ispesimen at mga gawain sa pagsubok ng mekanikal, pati na rin ang maliit at buong sukat na pag-aayos.
Ang pangunahing mananaliksik sa dalawang yugto ng SBIR ay si Michael Bergen, ang tagapagtatag at pangulo ng Custom Technologies LLC. Nagretiro si Bergen mula sa Carderock ng Naval Surface Warfare Center (NSWC) at nagsilbi sa Structures and Materials Department sa loob ng 27 taon, kung saan pinamahalaan niya ang pagbuo at paggamit ng mga composite na teknolohiya sa armada ng US Navy. Si Dr. Roger Crane ay sumali sa Custom Technologies noong 2015 pagkatapos magretiro mula sa US Navy noong 2011 at nagsilbi nang 32 taon. Kasama sa kanyang kadalubhasaan sa composite materials ang mga teknikal na publikasyon at patent, na sumasaklaw sa mga paksa tulad ng mga bagong composite na materyales, paggawa ng prototype, mga paraan ng koneksyon, multifunctional na composite na materyales, pagsubaybay sa kalusugan ng istruktura, at pagpapanumbalik ng composite na materyal.
Ang dalawang eksperto ay nakabuo ng isang natatanging proseso na gumagamit ng mga composite na materyales upang ayusin ang mga bitak sa aluminum superstructure ng Ticonderoga CG-47 class guided missile cruiser 5456. sa pagpapalit ng isang platform board na 2 hanggang 4 na milyong dolyar," sabi ni Bergen. "Kaya pinatunayan namin na alam namin kung paano magsagawa ng pag-aayos sa labas ng laboratoryo at sa isang tunay na kapaligiran ng serbisyo. Ngunit ang hamon ay ang kasalukuyang mga pamamaraan ng asset ng militar ay hindi masyadong matagumpay. Ang opsyon ay bonded duplex repair [karaniwang sa mga nasirang lugar Idikit ang isang board sa itaas] o alisin ang asset mula sa serbisyo para sa warehouse-level (D-level) na pag-aayos. Dahil kailangan ang pag-aayos ng D-level, maraming asset ang isinantabi."
Sinabi pa niya na ang kailangan ay isang paraan na maaaring gawin ng mga sundalong walang karanasan sa composite materials, gamit lamang ang mga kit at maintenance manual. Ang aming layunin ay gawing simple ang proseso: basahin ang manwal, suriin ang pinsala at magsagawa ng pag-aayos. Hindi namin nais na paghaluin ang mga likidong resin, dahil nangangailangan ito ng tumpak na pagsukat upang matiyak ang kumpletong lunas. Kailangan din namin ng isang sistema na walang mapanganib na basura pagkatapos makumpleto ang pag-aayos. At dapat itong i-package bilang isang kit na maaaring i-deploy ng umiiral na network. ”
Ang isang solusyon na matagumpay na ipinakita ng Custom Technologies ay isang portable kit na gumagamit ng matigas na epoxy adhesive para i-customize ang adhesive composite patch ayon sa laki ng pinsala (hanggang 12 square inches). Nakumpleto ang demonstrasyon sa isang pinagsama-samang materyal na kumakatawan sa isang 3-pulgadang makapal na AMCB deck. Ang composite material ay may 3-pulgadang kapal na balsa wood core (15 pounds per cubic foot density) at dalawang layer ng Vectorply (Phoenix, Arizona, US) C -LT 1100 carbon fiber 0°/90° biaxial stitched fabric, isang layer ng C-TLX 1900 carbon fiber 0°/+45°/-45° tatlong shaft at dalawang layer ng C-LT 1100, sa kabuuan ay limang layer. "Napagpasyahan namin na ang kit ay gagamit ng mga prefabricated na patch sa isang quasi-isotropic laminate na katulad ng isang multi-axis upang ang direksyon ng tela ay hindi maging isang isyu," sabi ni Crane.
Ang susunod na isyu ay ang resin matrix na ginagamit para sa laminate repair. Upang maiwasan ang paghahalo ng likidong dagta, ang patch ay gagamit ng prepreg. "Gayunpaman, ang mga hamon na ito ay imbakan," paliwanag ni Bergen. Upang bumuo ng isang storable patch solution, ang Custom Technologies ay nakipagsosyo sa Sunrez Corp. (El Cajon, California, USA) upang bumuo ng isang glass fiber/vinyl ester prepreg na maaaring gumamit ng ultraviolet light (UV) sa loob ng anim na minutong Light curing. Nakipagtulungan din ito sa Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), na nagmungkahi ng paggamit ng bagong flexible na epoxy film.
Ipinakita ng mga unang pag-aaral na ang epoxy resin ay ang pinaka-angkop na dagta para sa carbon fiber prepregs-UV-curable vinyl ester at translucent glass fiber ay gumagana nang maayos, ngunit hindi gumagaling sa ilalim ng light-blocking carbon fiber. Batay sa bagong pelikula ng Gougeon Brothers, ang panghuling epoxy prepreg ay ginagamot sa loob ng 1 oras sa 210°F/99°C at may mahabang buhay sa istante sa temperatura ng silid-hindi na kailangan ng imbakan sa mababang temperatura. Sinabi ni Bergen na kung kinakailangan ang mas mataas na glass transition temperature (Tg), ang resin ay gagaling din sa mas mataas na temperatura, gaya ng 350°F/177°C. Ang parehong mga prepreg ay ibinibigay sa isang portable repair kit bilang isang stack ng mga prepreg patch na selyadong sa isang plastic film envelope.
Dahil ang repair kit ay maaaring maimbak nang mahabang panahon, ang Custom Technologies ay kinakailangan na magsagawa ng isang shelf life study. "Bumili kami ng apat na hard plastic enclosures-isang tipikal na uri ng militar na ginagamit sa mga kagamitan sa transportasyon-at naglagay ng mga sample ng epoxy adhesive at vinyl ester prepreg sa bawat enclosure," sabi ni Bergen. Pagkatapos ay inilagay ang mga kahon sa apat na magkakaibang lokasyon para sa pagsubok: ang bubong ng pabrika ng Gougeon Brothers sa Michigan, ang bubong ng paliparan ng Maryland, ang panlabas na pasilidad sa Yucca Valley (California disyerto), at ang panlabas na laboratoryo ng pagsubok sa kaagnasan sa timog Florida. Ang lahat ng mga kaso ay may mga data logger, itinuro ni Bergen, "Kami ay kumukuha ng data at materyal na mga sample para sa pagsusuri tuwing tatlong buwan. Ang pinakamataas na temperatura na naitala sa mga kahon sa Florida at California ay 140°F, na mabuti para sa karamihan ng mga restoration resin. Ito ay isang tunay na hamon.” Bilang karagdagan, ang Gougeon Brothers ay panloob na sinubukan ang bagong binuo na purong epoxy resin. "Ang mga sample na inilagay sa oven sa 120°F sa loob ng ilang buwan ay nagsisimulang mag-polymerize," sabi ni Bergen. "Gayunpaman, para sa kaukulang mga sample na pinananatili sa 110 ° F, ang kimika ng dagta ay napabuti lamang ng isang maliit na halaga."
Na-verify ang pag-aayos sa test board at ang scale model na ito ng AMCB, na gumamit ng parehong laminate at core na materyal gaya ng orihinal na tulay na ginawa ng Seemann Composites. Pinagmulan ng larawan: Custom Technologies LLC
Upang maipakita ang pamamaraan ng pag-aayos, ang isang kinatawan na nakalamina ay dapat gawin, masira at ayusin. "Sa unang yugto ng proyekto, una kaming gumamit ng maliliit na 4 x 48-inch beam at four-point bending test upang suriin ang pagiging posible ng aming proseso ng pag-aayos," sabi ni Klein. “Pagkatapos, lumipat kami sa 12 x 48 inch na mga panel sa ikalawang yugto ng proyekto, nag-apply ng mga load para makabuo ng biaxial stress state na magdulot ng pagkabigo, at pagkatapos ay sinuri ang performance ng pag-aayos. Sa ikalawang yugto, natapos din namin ang modelo ng AMCB na binuo namin ng Maintenance.
Sinabi ni Bergen na ang panel ng pagsubok na ginamit upang patunayan ang pagganap ng pag-aayos ay ginawa gamit ang parehong linya ng mga laminate at pangunahing materyales tulad ng AMCB na ginawa ng Seemann Composites, "ngunit binawasan namin ang kapal ng panel mula 0.375 pulgada hanggang 0.175 pulgada, batay sa parallel axis theorem . Ito ang kaso. Ang pamamaraan, kasama ang mga karagdagang elemento ng beam theory at classical laminate theory [CLT], ay ginamit upang iugnay ang sandali ng pagkawalang-galaw at epektibong higpit ng buong-scale na AMCB sa isang mas maliit na laki ng demo na produkto na mas madaling hawakan at higit pa cost-effective. Pagkatapos, ginamit namin ang The finite element analysis [FEA] na modelo na binuo ng XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) upang pahusayin ang disenyo ng pag-aayos ng istruktura." Ang carbon fiber fabric na ginamit para sa mga panel ng pagsubok at ang modelo ng AMCB ay binili mula sa Vectorply, at ang balsa core ay ginawa ng Core Composites (Bristol, RI, US) na ibinigay.
Hakbang 1. Ang panel ng pagsubok na ito ay nagpapakita ng 3 pulgadang diameter ng butas upang gayahin ang pinsalang minarkahan sa gitna at ayusin ang circumference. Pinagmulan ng larawan para sa lahat ng hakbang: Custom Technologies LLC.
Hakbang 2. Gumamit ng manual grinder na pinapagana ng baterya upang alisin ang sirang materyal at ilakip ang repair patch na may 12:1 taper.
"Gusto naming gayahin ang isang mas mataas na antas ng pinsala sa test board kaysa sa maaaring makita sa bridge deck sa field," paliwanag ni Bergen. “Kaya ang paraan namin ay gumamit ng hole saw para makagawa ng 3-inch diameter hole. Pagkatapos, hinuhugot namin ang plug ng sirang materyal at gumamit ng hand-held pneumatic grinder upang iproseso ang isang 12:1 scarf."
Ipinaliwanag ng Crane na para sa pag-aayos ng carbon fiber/epoxy, sa sandaling maalis ang materyal na "nasira" na panel at mailapat ang isang naaangkop na scarf, ang prepreg ay gupitin sa lapad at haba upang tumugma sa taper ng nasirang lugar. "Para sa aming panel ng pagsubok, nangangailangan ito ng apat na layer ng prepreg upang panatilihing pare-pareho ang materyal sa pag-aayos sa tuktok ng orihinal na hindi nasirang carbon panel. Pagkatapos nito, ang tatlong takip na patong ng carbon/epoxy prepreg ay puro dito Sa bahaging naayos. Ang bawat sunud-sunod na layer ay umaabot ng 1 pulgada sa lahat ng panig ng ibabang layer, na nagbibigay ng unti-unting paglipat ng pagkarga mula sa "magandang" nakapalibot na materyal patungo sa naayos na lugar." Ang kabuuang oras upang maisagawa ang pagkukumpuni na ito-kabilang ang paghahanda sa lugar ng pagkukumpuni, Pagputol at paglalagay ng materyal sa pagpapanumbalik at paglalapat ng pamamaraan ng paggamot-humigit-kumulang 2.5 oras.
Para sa carbon fiber/epoxy prepreg, ang lugar ng pagkukumpuni ay naka-vacuum at na-cure sa 210°F/99°C sa loob ng isang oras gamit ang thermal bonder na pinapagana ng baterya.
Bagama't simple at mabilis ang pag-aayos ng carbon/epoxy, nakilala ng team ang pangangailangan para sa isang mas maginhawang solusyon upang maibalik ang pagganap. Ito ay humantong sa paggalugad ng ultraviolet (UV) curing prepregs. "Ang interes sa Sunrez vinyl ester resins ay batay sa nakaraang karanasan sa hukbong-dagat kasama ang tagapagtatag ng kumpanya na si Mark Livesay," paliwanag ni Bergen. "Una naming binigyan si Sunrez ng isang quasi-isotropic glass fabric, gamit ang kanilang vinyl ester prepreg, at sinuri ang curing curve sa ilalim ng iba't ibang mga kondisyon. Bilang karagdagan, dahil alam namin na ang vinyl ester resin ay hindi tulad ng epoxy resin Na nagbibigay ng angkop na pagganap ng pangalawang pagdirikit, kaya ang mga karagdagang pagsisikap ay kinakailangan upang suriin ang iba't ibang mga ahente ng pagkakabit ng adhesive layer at matukoy kung alin ang angkop para sa aplikasyon."
Ang isa pang problema ay ang mga hibla ng salamin ay hindi maaaring magbigay ng parehong mga mekanikal na katangian tulad ng mga hibla ng carbon. "Kung ikukumpara sa carbon/epoxy patch, ang problemang ito ay malulutas sa pamamagitan ng paggamit ng dagdag na layer ng glass/vinyl ester," sabi ni Crane. "Ang dahilan kung bakit kailangan lamang ng isang karagdagang layer ay ang materyal na salamin ay isang mas mabigat na tela." Gumagawa ito ng angkop na patch na maaaring ilapat at pagsamahin sa loob ng anim na minuto kahit na sa napakalamig/nagyeyelong mga temperatura sa loob ng field. Paggamot nang hindi nagbibigay ng init. Itinuro ni Crane na ang pagkukumpuni na ito ay maaaring matapos sa loob ng isang oras.
Ang parehong mga sistema ng patch ay ipinakita at nasubok. Para sa bawat pag-aayos, ang lugar na masisira ay minarkahan (hakbang 1), nilikha gamit ang isang hole saw, at pagkatapos ay tinanggal gamit ang isang manual grinder na pinapagana ng baterya (hakbang 2). Pagkatapos ay gupitin ang naayos na lugar sa isang 12:1 taper. Linisin ang ibabaw ng scarf gamit ang alcohol pad (hakbang 3). Susunod, gupitin ang patch ng pag-aayos sa isang tiyak na sukat, ilagay ito sa nalinis na ibabaw (hakbang 4) at pagsamahin ito ng isang roller upang alisin ang mga bula ng hangin. Para sa glass fiber/UV-curing vinyl ester prepreg, pagkatapos ay ilagay ang release layer sa repaired area at gamutin ang patch gamit ang isang cordless UV lamp sa loob ng anim na minuto (step 5). Para sa carbon fiber/epoxy prepreg, gumamit ng pre-programmed, one-button, battery-powered thermal bonder para i-vacuum pack at gamutin ang naayos na lugar sa 210°F/99°C sa loob ng isang oras.
Hakbang 5. Pagkatapos ilagay ang peeling layer sa naayos na lugar, gumamit ng cordless UV lamp upang gamutin ang patch sa loob ng 6 na minuto.
"Pagkatapos ay nagsagawa kami ng mga pagsubok upang suriin ang adhesiveness ng patch at ang kakayahang ibalik ang kapasidad ng pagkarga ng istraktura," sabi ni Bergen. "Sa unang yugto, kailangan nating patunayan ang kadalian ng aplikasyon at ang kakayahang mabawi ang hindi bababa sa 75% ng lakas. Ginagawa ito sa pamamagitan ng four-point bending sa isang 4 x 48 inch carbon fiber/epoxy resin at balsa core beam pagkatapos ayusin ang simulate na pinsala. Oo. Ang ikalawang yugto ng proyekto ay gumamit ng 12 x 48 pulgadang panel, at dapat magpakita ng higit sa 90% na mga kinakailangan sa lakas sa ilalim ng mga kumplikadong strain load. Natugunan namin ang lahat ng mga kinakailangang ito, at pagkatapos ay kinunan ng larawan ang mga paraan ng pagkumpuni sa modelo ng AMCB. Paano gamitin ang infield na teknolohiya at kagamitan upang magbigay ng visual na sanggunian."
Ang isang pangunahing aspeto ng proyekto ay upang patunayan na ang mga baguhan ay madaling makumpleto ang pagkumpuni. Dahil dito, nagkaroon ng ideya si Bergen: “Nangako akong magpapakita sa aming dalawang teknikal na kontak sa Army: Dr. Bernard Sia at Ashley Genna. Sa huling pagsusuri ng unang yugto ng proyekto, humingi ako ng walang pagkukumpuni. Ang karanasang si Ashley ang nagsagawa ng pagkumpuni. Gamit ang kit at manual na ibinigay namin, inilapat niya ang patch at natapos ang pagkumpuni nang walang anumang problema.
Figure 2 Maaaring gamutin ng battery-powered curing pre-programmed, battery-powered thermal bonding machine ang carbon fiber/epoxy repair patch sa pagpindot ng isang button, nang hindi nangangailangan ng kaalaman sa pagkumpuni o curing cycle programming. Pinagmulan ng larawan: Custom Technologies, LLC
Ang isa pang pangunahing pag-unlad ay ang pinapagana ng baterya na sistema ng paggamot (Larawan 2). "Sa pamamagitan ng infield maintenance, mayroon ka lamang baterya," itinuro ni Bergen. "Lahat ng kagamitan sa proseso sa repair kit na aming binuo ay wireless." Kabilang dito ang thermal bonding na pinapagana ng baterya na binuo nang magkasama ng Custom Technologies at supplier ng thermal bonding machine na WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA) machine. "Ang thermal bonder na ito na pinapagana ng baterya ay na-pre-program upang makumpleto ang paggamot, kaya hindi kailangan ng mga baguhan na i-program ang curing cycle," sabi ni Crane. "Kailangan lang nilang pindutin ang isang pindutan upang makumpleto ang tamang ramp at magbabad." Ang mga bateryang kasalukuyang ginagamit ay maaaring tumagal ng isang taon bago sila kailangang ma-recharge.
Sa pagkumpleto ng ikalawang yugto ng proyekto, ang Custom Technologies ay naghahanda ng mga follow-up na panukala sa pagpapahusay at pagkolekta ng mga liham ng interes at suporta. "Ang aming layunin ay i-mature ang teknolohiyang ito sa TRL 8 at dalhin ito sa larangan," sabi ni Bergen. "Nakikita rin namin ang potensyal para sa mga hindi pang-militar na aplikasyon."
Ipinapaliwanag ang lumang sining sa likod ng unang fiber reinforcement ng industriya, at may malalim na pag-unawa sa bagong fiber science at pag-unlad sa hinaharap.
Paparating na at lumilipad sa unang pagkakataon, ang 787 ay umaasa sa mga inobasyon sa mga pinagsama-samang materyales at proseso upang makamit ang mga layunin nito
Oras ng post: Set-02-2021