Taşınabilir kit, oda sıcaklığında saklanan UV ile kürlenen fiberglas/vinil ester veya karbon fiber/epoksi prepreg ve pille çalışan kürleme ekipmanı ile onarılabilir. #içüretim #altyapı
UV ile kürlenebilen prepreg yama onarımı Custom Technologies LLC tarafından saha içi kompozit köprü için geliştirilen karbon fiber/epoksi prepreg onarımının basit ve hızlı olduğu kanıtlanmış olsa da, cam elyaf takviyeli UV ile kürlenebilen vinil ester reçinesi Prepreg'in kullanımı daha kullanışlı bir sistem geliştirmiştir. Görsel kaynağı: Custom Technologies LLC
Modüler açılır köprüler, askeri taktik operasyonlar ve lojistik ile doğal afetler sırasında ulaşım altyapısının restorasyonu için kritik öneme sahiptir. Bu tür köprülerin ağırlığını azaltmak ve böylece nakliye araçları ve fırlatma-kurtarma mekanizmaları üzerindeki yükü azaltmak için kompozit yapılar üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. Metal köprülerle karşılaştırıldığında, kompozit malzemeler yük taşıma kapasitesini artırma ve hizmet ömrünü uzatma potansiyeline de sahiptir.
Gelişmiş Modüler Kompozit Köprü (AMCB) buna bir örnektir. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, ABD) ve Materials Sciences LLC (Horsham, PA, ABD), karbon fiber takviyeli epoksi laminatlar kullanmaktadır (Şekil 1). ) Tasarım ve inşaat). Ancak, bu tür yapıların sahada onarılabilmesi, kompozit malzemelerin benimsenmesini engelleyen bir sorun olmuştur.
Şekil 1 Kompozit köprü, saha içi önemli bir varlıktır. Gelişmiş Modüler Kompozit Köprü (AMCB), Seemann Composites LLC ve Materials Sciences LLC tarafından karbon fiber takviyeli epoksi reçine kompozitler kullanılarak tasarlanmış ve inşa edilmiştir. Görsel kaynağı: Seeman Composites LLC (sol) ve ABD Ordusu (sağ).
Custom Technologies LLC (Millersville, MD, ABD), 2016 yılında askerler tarafından sahada başarıyla gerçekleştirilebilecek bir onarım yöntemi geliştirmek için ABD Ordusu tarafından finanse edilen Küçük İşletme İnovasyon Araştırması (SBIR) 1. Aşama hibesi aldı. Bu yaklaşıma dayanarak, SBIR hibesinin ikinci aşaması, yeni malzemeleri ve pille çalışan ekipmanları tanıtmak için 2018 yılında verildi. Yama, önceden eğitim almamış bir acemi tarafından yapılsa bile, yapının %90'ı veya daha fazlası ham mukavemetle restore edilebilir. Teknolojinin uygulanabilirliği, bir dizi analiz, malzeme seçimi, numune üretimi ve mekanik test görevlerinin yanı sıra küçük ölçekli ve tam ölçekli onarımlar gerçekleştirilerek belirlenir.
SBIR'ın iki aşamasının ana araştırmacısı, Custom Technologies LLC'nin kurucusu ve başkanı Michael Bergen'dir. Bergen, Carderock Deniz Kuvvetleri Yüzey Harp Merkezi'nden (NSWC) emekli olmuş ve 27 yıl boyunca Yapılar ve Malzemeler Departmanı'nda görev yapmış ve burada ABD Donanması filosunda kompozit teknolojilerin geliştirilmesi ve uygulanmasını yönetmiştir. Dr. Roger Crane, 2011 yılında ABD Donanması'ndan emekli olduktan sonra 2015 yılında Custom Technologies'e katılmış ve 32 yıldır hizmet vermektedir. Kompozit malzemeler konusundaki uzmanlığı, yeni kompozit malzemeler, prototip üretimi, bağlantı yöntemleri, çok işlevli kompozit malzemeler, yapısal sağlık izleme ve kompozit malzeme restorasyonu gibi konuları kapsayan teknik yayınlar ve patentleri içermektedir.
İki uzman, Ticonderoga CG-47 sınıfı güdümlü füze kruvazörü 5456'nın alüminyum üst yapısındaki çatlakları onarmak için kompozit malzemeler kullanan benzersiz bir süreç geliştirdi. Bergen, "Bu süreç, çatlakların büyümesini azaltmak ve 2 ila 4 milyon dolarlık bir platform panosunun değiştirilmesine ekonomik bir alternatif sunmak için geliştirildi," dedi. "Böylece laboratuvar dışında ve gerçek bir hizmet ortamında onarımları nasıl yapacağımızı bildiğimizi kanıtladık. Ancak zorluk şu ki, mevcut askeri varlık yöntemleri çok başarılı değil. Seçenek, bağlı dubleks onarım [temelde hasarlı bölgelerde, üstüne bir pano yapıştırılması] veya varlığı depo seviyesi (D seviyesi) onarımlar için hizmetten çıkarmaktır. D seviyesi onarımlar gerektiğinden, birçok varlık kenara konur."
Kompozit malzemeler konusunda deneyimi olmayan askerlerin bile yalnızca kitler ve bakım kılavuzları kullanarak uygulayabileceği bir yönteme ihtiyaç duyulduğunu söyledi. Amacımız süreci basitleştirmek: kılavuzu okuyun, hasarı değerlendirin ve onarımları gerçekleştirin. Sıvı reçineleri karıştırmak istemiyoruz çünkü bu, tam kürlenmeyi sağlamak için hassas ölçüm gerektiriyor. Ayrıca, onarımlar tamamlandıktan sonra tehlikeli atık içermeyen bir sisteme ihtiyacımız var. Ve mevcut ağ tarafından kullanılabilecek bir kit olarak paketlenmesi gerekiyor.
Custom Technologies'in başarıyla sergilediği çözümlerden biri, hasarın boyutuna (12 inç kareye kadar) göre yapışkan kompozit yamayı özelleştirmek için güçlendirilmiş epoksi yapıştırıcı kullanan taşınabilir bir kittir. Gösterim, 3 inç kalınlığında bir AMCB güvertesini temsil eden bir kompozit malzeme üzerinde tamamlandı. Kompozit malzeme, 3 inç kalınlığında bir balsa ağacı çekirdeğine (kübik fit başına 15 pound yoğunluk) ve iki kat Vectorply (Phoenix, Arizona, ABD) C-LT 1100 karbon fiber 0°/90° çift eksenli dikişli kumaşa, bir kat C-TLX 1900 karbon fiber 0°/+45°/-45° üç şafta ve iki kat C-LT 1100'e, toplam beş kata sahiptir. Crane, "Kumaş yönünün sorun olmaması için, kitin çok eksenliye benzer yarı izotropik bir laminatta önceden üretilmiş yamalar kullanmasına karar verdik" dedi.
Bir sonraki konu, laminat onarımında kullanılan reçine matrisidir. Sıvı reçinenin karışmasını önlemek için yamada prepreg kullanılacak. Bergen, "Ancak bu zorluklar depolamayla ilgili," diye açıkladı. Depolanabilir bir yama çözümü geliştirmek için Custom Technologies, Sunrez Corp. (El Cajon, Kaliforniya, ABD) ile ortaklık kurarak altı dakikada ultraviyole ışık (UV) ile kürlenebilen bir cam elyaf/vinil ester prepreg geliştirdi. Ayrıca, yeni bir esnek epoksi film kullanımını öneren Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, ABD) ile de iş birliği yaptı.
İlk çalışmalar, epoksi reçinesinin karbon fiber prepregler için en uygun reçine olduğunu göstermiştir; UV ile kürlenebilen vinil ester ve yarı saydam cam elyafı iyi sonuç verir, ancak ışığı engelleyen karbon fiber altında kürlenmez. Gougeon Brothers'ın yeni filmine dayanan son epoksi prepreg, 210°F/99°C'de 1 saat kürlenir ve oda sıcaklığında uzun bir raf ömrüne sahiptir; düşük sıcaklıkta saklamaya gerek yoktur. Bergen, daha yüksek bir cam geçiş sıcaklığı (Tg) gerekiyorsa, reçinenin 350°F/177°C gibi daha yüksek bir sıcaklıkta da kürleneceğini belirtti. Her iki prepreg de, plastik bir film zarfına kapatılmış bir yığın prepreg yaması şeklinde taşınabilir bir tamir setinde sunulmaktadır.
Tamir kiti uzun süre saklanabileceğinden, Custom Technologies'in bir raf ömrü çalışması yapması gerekiyor. Bergen, "Ulaşım ekipmanlarında kullanılan tipik bir askeri tip olan dört sert plastik muhafaza satın aldık ve her muhafazaya epoksi yapıştırıcı ve vinil ester prepreg örnekleri koyduk," dedi. Kutular daha sonra test için dört farklı yere yerleştirildi: Michigan'daki Gougeon Brothers fabrikasının çatısı, Maryland havaalanının çatısı, Yucca Valley'deki (Kaliforniya çölü) açık hava tesisi ve Güney Florida'daki açık hava korozyon test laboratuvarı. Bergen, tüm kasalarda veri kaydediciler olduğunu belirtiyor, "Her üç ayda bir değerlendirme için veri ve malzeme örnekleri alıyoruz. Florida ve Kaliforniya'daki kutularda kaydedilen en yüksek sıcaklık 140°F ki bu çoğu restorasyon reçinesi için iyidir. Bu gerçek bir zorluk." Ayrıca, Gougeon Brothers yeni geliştirilen saf epoksi reçinesini kendi bünyesinde test etti. Bergen, "Birkaç ay boyunca 120°F'lik bir fırına yerleştirilen numuneler polimerleşmeye başlıyor," dedi. “Ancak 110°F'de tutulan ilgili numunelerde reçine kimyası yalnızca küçük bir miktarda iyileşti.”
Onarım, test tahtası ve Seemann Composites tarafından inşa edilen orijinal köprüyle aynı laminat ve çekirdek malzemesini kullanan bu AMCB ölçekli modeli üzerinde doğrulandı. Görsel kaynağı: Custom Technologies LLC
Onarım tekniğini göstermek için, temsili bir laminat üretilmeli, hasar görmeli ve onarılmalıdır. Klein, "Projenin ilk aşamasında, onarım sürecimizin uygulanabilirliğini değerlendirmek için başlangıçta küçük ölçekli 4 x 48 inç kirişler ve dört noktalı eğilme testleri kullandık," dedi. "Daha sonra, projenin ikinci aşamasında 12 x 48 inç panellere geçtik, hasara neden olacak çift eksenli bir gerilim durumu oluşturmak için yükler uyguladık ve ardından onarım performansını değerlendirdik. İkinci aşamada, Bakım için oluşturduğumuz AMCB modelini de tamamladık."
Bergen, onarım performansını kanıtlamak için kullanılan test panelinin, Seemann Composites tarafından üretilen AMCB ile aynı soydan laminat ve çekirdek malzemeleri kullanılarak üretildiğini söyledi, "ancak paralel eksen teoremine dayanarak panel kalınlığını 0,375 inçten 0,175 inçe düşürdük. Durum budur. Bu yöntem, kiriş teorisi ve klasik laminat teorisinin [CLT] ek unsurlarıyla birlikte, tam ölçekli AMCB'nin atalet momentini ve etkin sertliğini, kullanımı daha kolay ve daha uygun maliyetli olan daha küçük boyutlu bir demo ürünle ilişkilendirmek için kullanıldı. Daha sonra, yapısal onarımların tasarımını iyileştirmek için XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, ABD) tarafından geliştirilen sonlu elemanlar analizi [FEA] modeli kullanıldı." Test panelleri ve AMCB modeli için kullanılan karbon fiber kumaş Vectorply'den satın alındı ve balsa çekirdeği Core Composites (Bristol, RI, ABD) tarafından sağlandı.
Adım 1. Bu test paneli, merkezde işaretlenen hasarı simüle etmek ve çevresini onarmak için 3 inç çapında bir delik göstermektedir. Tüm adımların fotoğraf kaynağı: Custom Technologies LLC.
Adım 2. Hasarlı malzemeyi çıkarmak için pille çalışan manuel bir taşlama makinesi kullanın ve onarım yamasını 12:1 konik bir aletle kapatın.
Bergen, "Test tahtasında, sahada köprü güvertesinde görülebilecek hasardan daha yüksek bir hasar simülasyonu yapmak istiyoruz," diye açıkladı. "Bu nedenle yöntemimiz, bir delik testeresi kullanarak 7,5 cm çapında bir delik açmak. Ardından, hasarlı malzemenin tıpasını çıkarıp, elde taşınan pnömatik bir taşlama makinesi kullanarak 12:1 oranında bir atkı işliyoruz."
Crane, karbon fiber/epoksi onarımı için, "hasarlı" panel malzemesi çıkarılıp uygun bir atkı uygulandıktan sonra, prepregin hasarlı alanın konikliğine uyacak genişlik ve uzunlukta kesileceğini açıkladı. "Test panelimiz için, onarım malzemesinin orijinal hasarsız karbon panelin üst kısmıyla tutarlı kalması için dört kat prepreg gerekiyor. Ardından, onarılan parça üzerinde üç kat karbon/epoksi prepreg yoğunlaştırılıyor. Her bir ardışık katman, alt katmanın her tarafına 2,5 cm uzanıyor ve bu da "iyi" çevreleyen malzemeden onarılan alana kademeli bir yük aktarımı sağlıyor." Bu onarımın toplam süresi -onarım alanının hazırlanması, restorasyon malzemesinin kesilmesi ve yerleştirilmesi ve kürleme prosedürünün uygulanması dahil- yaklaşık 2,5 saat.
Karbon fiber/epoksi prepreg için, onarım alanı vakumla paketlenir ve pille çalışan bir termal bağlayıcı kullanılarak 210°F/99°C'de bir saat boyunca kürlenir.
Karbon/epoksi onarımı basit ve hızlı olsa da, ekip performansı geri kazanmak için daha pratik bir çözüme ihtiyaç olduğunu fark etti. Bu durum, ultraviyole (UV) kürleme prepreglerinin araştırılmasına yol açtı. Bergen, "Sunrez vinil ester reçinelerine olan ilgi, şirketin kurucusu Mark Livesay ile daha önceki denizcilik deneyimlerine dayanıyor," diye açıkladı. "Önce Sunrez'e vinil ester prepreglerini kullanarak yarı izotropik bir cam kumaş sağladık ve kürleme eğrisini farklı koşullar altında değerlendirdik. Ayrıca, vinil ester reçinesinin epoksi reçinesi gibi uygun ikincil yapışma performansı sağlamadığını bildiğimiz için, çeşitli yapıştırıcı katman bağlayıcı maddelerini değerlendirmek ve uygulama için hangisinin uygun olduğunu belirlemek için ek çaba sarf edilmesi gerekiyor."
Bir diğer sorun da cam elyaflarının karbon elyaflarla aynı mekanik özellikleri sağlayamamasıdır. Crane, "Karbon/epoksi yama ile karşılaştırıldığında, bu sorun ekstra bir cam/vinil ester katmanı kullanılarak çözülüyor," dedi. "Sadece tek bir katmana ihtiyaç duyulmasının nedeni, cam malzemenin daha ağır bir kumaş olmasıdır." Bu, çok soğuk/dondurucu iç ortam sıcaklıklarında bile altı dakika içinde uygulanıp birleştirilebilen uygun bir yama üretir. Isı vermeden kürlenir. Crane, bu onarım çalışmasının bir saat içinde tamamlanabileceğini belirtti.
Her iki yama sistemi de gösterilmiş ve test edilmiştir. Her bir onarım için, hasarlı alan işaretlenir (adım 1), bir delik testeresi ile oluşturulur ve ardından pille çalışan bir manuel taşlama makinesi kullanılarak çıkarılır (adım 2). Ardından, onarılan alan 12:1 oranında konik şekilde kesilir. Eşarpın yüzeyini alkollü bir bezle temizleyin (adım 3). Ardından, onarım yamasını belirli bir boyutta kesin, temizlenen yüzeye yerleştirin (adım 4) ve hava kabarcıklarını gidermek için bir rulo ile sabitleyin. Cam elyafı/UV ile kürlenen vinil ester prepreg için, ayırıcı tabakayı onarılan alana yerleştirin ve yamayı altı dakika boyunca kablosuz bir UV lambasıyla kürleyin (adım 5). Karbon elyafı/epoksi prepreg için, önceden programlanmış, tek düğmeli, pille çalışan bir termal bağlayıcı kullanarak onarılan alanı vakumla paketleyin ve 210°F/99°C'de bir saat boyunca kürleyin.
Adım 5. Soyulan tabakayı tamir edilen bölgeye yerleştirdikten sonra, yamayı 6 dakika boyunca kablosuz UV lambası kullanarak kurutun.
Bergen, "Daha sonra yamanın yapışkanlığını ve yapının yük taşıma kapasitesini geri kazandırma yeteneğini değerlendirmek için testler yaptık," dedi. "İlk aşamada, uygulama kolaylığını ve mukavemetin en az %75'ini geri kazanma yeteneğini kanıtlamamız gerekiyor. Bu, simüle edilen hasarın onarılmasından sonra 4 x 48 inç karbon fiber/epoksi reçine ve balsa çekirdekli bir kiriş üzerinde dört noktadan bükme işlemi yapılarak yapılır. Evet. Projenin ikinci aşamasında 12 x 48 inçlik bir panel kullanıldı ve karmaşık gerilim yükleri altında %90'dan fazla mukavemet gereksinimi göstermesi gerekiyordu. Tüm bu gereksinimleri karşıladık ve ardından onarım yöntemlerini AMCB modeli üzerinde fotoğrafladık. Görsel referans sağlamak için saha içi teknoloji ve ekipmanların nasıl kullanılacağını inceledik."
Projenin önemli bir yönü, acemilerin onarımı kolayca tamamlayabileceğini kanıtlamak. Bu nedenle Bergen'in aklına bir fikir geldi: "Ordudaki iki teknik sorumlumuz Dr. Bernard Sia ve Ashley Genna'ya gösteri yapacağıma söz verdim. Projenin ilk aşamasının son incelemesinde onarım yapılmamasını istedim. Deneyimli Ashley onarımı gerçekleştirdi. Sağladığımız kit ve kılavuzu kullanarak yamayı uyguladı ve onarımı sorunsuz bir şekilde tamamladı."
Şekil 2 Pil ile çalışan, önceden programlanmış kürleme ve termal bağlama makinesi, onarım bilgisi veya kürleme döngüsü programlaması gerektirmeden, tek bir düğmeye basılarak karbon fiber/epoksi onarım yamasını kürleyebilir. Görsel kaynağı: Custom Technologies, LLC
Bir diğer önemli gelişme ise pille çalışan kürleme sistemi (Şekil 2). Bergen, "Saha içi bakım sayesinde yalnızca pil gücüne sahip oluyorsunuz," diye belirtti. "Geliştirdiğimiz tamir kitindeki tüm işlem ekipmanları kablosuz." Bu, Custom Technologies ve termal bağlama makinesi tedarikçisi WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, ABD) tarafından ortaklaşa geliştirilen pille çalışan termal bağlama sistemini de içeriyor. Crane, "Bu pille çalışan termal bağlama makinesi, kürlemeyi tamamlamak üzere önceden programlanmıştır, bu nedenle yeni başlayanların kürleme döngüsünü programlamalarına gerek yoktur," dedi. "Uygun rampayı ve ıslatmayı tamamlamak için tek yapmaları gereken bir düğmeye basmaktır." Şu anda kullanımda olan piller, yeniden şarj edilmeleri gerekmeden önce bir yıl dayanabilir.
Projenin ikinci aşamasının tamamlanmasıyla birlikte Custom Technologies, takip iyileştirme önerileri hazırlıyor ve ilgi ve destek mektupları topluyor. Bergen, "Amacımız bu teknolojiyi TRL 8 seviyesine getirip sahaya sürmek," dedi. "Ayrıca askeri olmayan uygulamalar için de potansiyel görüyoruz."
Sektörün ilk elyaf takviyesinin arkasındaki eski sanatı açıklıyor ve yeni elyaf bilimi ve gelecekteki gelişmeler hakkında derinlemesine bir anlayışa sahip.
Yakında piyasaya sürülecek ve ilk kez uçacak olan 787, hedeflerine ulaşmak için kompozit malzemeler ve süreçlerdeki yeniliklere güveniyor
Gönderim zamanı: 02-09-2021