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 kürlenen 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 kürlenen vinil ester reçinesi Prepreg'in kullanımı daha kullanışlı bir sistem geliştirmiştir. Resim kaynağı: Custom Technologies LLC
Modüler konuşlandırılabilir köprüler, askeri taktik operasyonlar ve lojistik için ve doğal afetler sırasında ulaşım altyapısının restorasyonu için kritik varlıklardır. Bu tür köprülerin ağırlığını azaltmak ve böylece nakliye araçları ve fırlatma-kurtarma mekanizmaları üzerindeki yükü azaltmak için kompozit yapılar üzerinde çalışılmaktadır. Metal köprülerle karşılaştırıldığında, kompozit malzemeler yük taşıma kapasitesini artırma ve hizmet ömrünü uzatma potansiyeline de sahiptir.
Gelişmiş Modüler Kompozit Köprü (AMCB) bir örnektir. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, ABD) ve Materials Sciences LLC (Horsham, PA, ABD) karbon fiber takviyeli epoksi laminatlar kullanır (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 varlık 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).
2016 yılında Custom Technologies LLC (Millersville, MD, ABD) askerler tarafından sahada başarıyla gerçekleştirilebilecek bir onarım yöntemi geliştirmek için ABD Ordusu tarafından finanse edilen Küçük İşletme Yenilik Araştırması (SBIR) Aşama 1 hibesi aldı. Bu yaklaşıma dayanarak, SBIR hibesinin ikinci aşaması 2018 yılında yeni malzemeleri ve pille çalışan ekipmanları sergilemek için verildi, yama önceden eğitim almadan bir acemi tarafından yapılsa bile yapının %90'ı veya daha fazlası Ham güçle restore edilebilir. Teknolojinin uygulanabilirliği, bir dizi analiz, malzeme seçimi, numune üretimi ve mekanik test görevlerinin yanı sıra küçük ölçekli ve tam ölçekli onarımlar gerçekleştirerek belirlenir.
İki SBIR aşamasındaki ana araştırmacı, Custom Technologies LLC'nin kurucusu ve başkanı olan Michael Bergen'dir. Bergen, Carderock of the Naval Surface Warfare Center'dan (NSWC) emekli oldu ve 27 yıl boyunca Yapılar ve Malzemeler Departmanında görev yaptı ve burada ABD Donanması filosunda kompozit teknolojilerin geliştirilmesini ve uygulanmasını yönetti. Dr. Roger Crane, 2011'de ABD Donanmasından emekli olduktan sonra 2015'te Custom Technologies'e katıldı ve 32 yıldır görev yapıyor. 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 içerir.
İki uzman, Ticonderoga CG-47 sınıfı güdümlü füze kruvazörü 5456'nın alüminyum üst yapısındaki çatlakları onarmak için kompozit malzemeler kullanan benzersiz bir süreç geliştirdiler. Bergen, "Süreç, çatlakların büyümesini azaltmak ve 2 ila 4 milyon dolarlık bir platform panosunun değiştirilmesine ekonomik bir alternatif olarak hizmet etmek için geliştirildi," dedi. "Bu yüzden laboratuvar dışında ve gerçek bir hizmet ortamında onarımları nasıl yapacağımızı bildiğimizi kanıtladık. Ancak zorluk, mevcut askeri varlık yöntemlerinin çok başarılı olmamasıdır. Seçenek, bağlı dubleks onarımdır [temelde hasarlı alanlarda Üste bir pano yapıştırın] veya varlığı depo seviyesi (D seviyesi) onarımları için hizmetten çıkarmaktır. D seviyesi onarımlar gerektiğinden, birçok varlık bir kenara bırakılır."
Kompozit malzemeler konusunda deneyimi olmayan askerlerin yalnızca kitler ve bakım kılavuzları kullanarak gerçekleştirebileceği bir yönteme ihtiyaç olduğunu söyledi. Amacımız süreci basit hale getirmek: 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 dağıtılabilecek bir kit olarak paketlenmelidir. ”
Custom Technologies'in başarıyla gösterdiği çözümlerden biri, hasarın boyutuna (12 inç kareye kadar) göre yapışkan kompozit yamayı özelleştirmek için sertleştirilmiş 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, toplamda beş kata sahiptir. Crane, "Kitin, kumaş yönünün sorun olmaması için çok eksenliye benzer yarı izotropik bir laminatta önceden üretilmiş yamalar kullanmasına karar verdik" dedi.
Bir sonraki konu, laminat onarımı için kullanılan reçine matrisidir. Sıvı reçinenin karıştırılmasını önlemek için, yama prepreg kullanacaktır. Bergen, "Ancak, bu zorluklar depolamadır," diye açıkladı. Depolanabilir bir yama çözümü geliştirmek için Custom Technologies, altı dakikada ışıkla kürlenen ultraviyole ışık (UV) kullanabilen bir cam elyafı/vinil ester prepreg geliştirmek üzere Sunrez Corp. (El Cajon, California, ABD) ile ortaklık kurdu. Ayrıca, yeni bir esnek epoksi filmin kullanımını öneren Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, ABD) ile de işbirliği yaptı.
İlk çalışmalar, epoksi reçinesinin karbon fiber prepregler için en uygun reçine olduğunu göstermiştir - UV ile kürlenen vinil ester ve yarı saydam cam elyaf iyi çalışır, ancak ışığı engelleyen karbon fiber altında kürlenmez. Gougeon Brothers'ın yeni filmine dayanarak, son epoksi prepreg 210°F/99°C'de 1 saat boyunca kürlenir ve oda sıcaklığında uzun bir raf ömrüne sahiptir - düşük sıcaklıkta depolamaya gerek yoktur. Bergen, daha yüksek bir cam geçiş sıcaklığı (Tg) gerekirse, reçinenin 350°F/177°C gibi daha yüksek bir sıcaklıkta da kürleneceğini söyledi. Her iki prepreg de, plastik bir film zarf içinde mühürlenmiş bir prepreg yaması yığını olarak taşınabilir bir tamir kitinde sağlanır.
Tamir takımı uzun süre saklanabileceğinden, Custom Technologies'in bir raf ömrü çalışması yapması gerekiyor. Bergen, "Nakliye ekipmanlarında kullanılan tipik bir askeri tip olan dört adet sert plastik muhafaza satın aldık ve her muhafazaya epoksi yapıştırıcı ve vinil ester prepreg örnekleri koyduk," diyor. Kutular daha sonra test için dört farklı yere yerleştirildi: Michigan'daki Gougeon Brothers fabrikasının çatısı, Maryland havaalanının çatısı, Yucca Vadisi'ndeki (Kaliforniya çölü) açık hava tesisi ve güney Florida'daki açık hava korozyon test laboratuvarı. Bergen, tüm kasaların veri kaydedicileri olduğunu belirtiyor, "Her üç ayda bir değerlendirme için veri ve malzeme örnekleri alıyoruz. Florida ve Kaliforniya'daki kutularda kaydedilen maksimum sıcaklık 140°F'dir ve bu çoğu restorasyon reçinesi için iyidir. Gerçekten zorlu bir durum." Ayrıca, Gougeon Brothers yeni geliştirilen saf epoksi reçinesini dahili olarak test etti. Bergen, "Birkaç ay boyunca 120°F'lik bir fırına yerleştirilen örnekler polimerleşmeye başlar," diyor. “Ancak 110°F'de tutulan ilgili numunelerde reçine kimyası yalnızca küçük bir miktarda iyileşti.”
Onarım, test tahtasında ve Seemann Composites tarafından inşa edilen orijinal köprü ile aynı laminat ve çekirdek malzemesini kullanan bu AMCB ölçekli modelinde 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 bükme testleri kullandık,” dedi. “Daha sonra, projenin ikinci aşamasında 12 x 48 inç panellere geçtik, arızaya neden olacak şekilde 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 laminat ve çekirdek malzeme soyundan 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 ürünüyle ilişkilendirmek için kullanıldı. Daha sonra, XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, ABD) tarafından geliştirilen sonlu elemanlar analizi [FEA] modeli, yapısal onarımların tasarımını iyileştirmek için kullanıldı.” Test panelleri ve AMCB modeli için kullanılan karbon fiber kumaş Vectorply'dan satın alındı ve balsa çekirdeği Core Composites (Bristol, RI, ABD) tarafından sağlandı.
Adım 1. Bu test paneli, merkezde işaretlenen hasarı simüle etmek ve çevreyi onarmak için 3 inçlik bir delik çapı gösterir. 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 görülebilecekten daha yüksek bir hasar derecesini simüle etmek istiyoruz," diye açıkladı. "Bu yüzden yöntemimiz, 3 inç çapında bir delik açmak için bir delik testeresi kullanmak. Sonra, hasarlı malzemenin tıpasını çıkarıyoruz ve 12:1 oranında bir atkı işlemek için elle tutulan bir pnömatik öğütücü kullanıyoruz."
Crane, karbon fiber/epoksi onarımı için, "hasarlı" panel malzemesi çıkarıldıktan ve uygun bir eşarp uygulandıktan sonra, prepregin hasarlı alanın konikliğine uyacak genişlik ve uzunlukta kesileceğini açıkladı. "Test panelimiz için, onarım malzemesinin orijinal hasarsız karbon panelin üstüyle tutarlı olmasını sağlamak için dört kat prepreg gerekiyor. Bundan sonra, karbon/epoksi prepregin üç kaplama katmanı bu onarılan parçaya yoğunlaştırılır. Her bir ardışık katman, alt katmanın her tarafına 1 inç uzanır ve bu, "iyi" çevreleyen malzemeden onarılan alana kademeli bir yük transferi sağlar." Bu onarımı gerçekleştirmenin toplam süresi -onarım alanı hazırlığı, restorasyon malzemesinin kesilmesi ve yerleştirilmesi ve kürleme prosedürünün uygulanması dahil- yaklaşık 2,5 saattir.
Karbon fiber/epoksi prepreg için, onarım alanı vakumla paketlenir ve pille çalışan termal bir bağlayıcı kullanılarak 210°F/99°C'de bir saat boyunca kürlenir.
Karbon/epoksi onarımı basit ve hızlı olmasına rağmen, ekip performansı geri yüklemek için daha kullanışlı bir çözüme ihtiyaç olduğunu fark etti. Bu, ultraviyole (UV) kürleme prepreglerinin araştırılmasına yol açtı. Bergen, "Sunrez vinil ester reçinelerine olan ilgi, şirketin kurucusu Mark Livesay ile önceki denizcilik deneyimlerine dayanmaktadır," 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 birleştirme maddelerini değerlendirmek ve uygulama için hangisinin uygun olduğunu belirlemek için ek çabalar gerekiyor."
Bir diğer sorun ise cam elyaflarının karbon elyaflarla aynı mekanik özellikleri sağlayamamasıdır. Crane, "Karbon/epoksi yama ile karşılaştırıldığında, bu sorun ekstra bir cam/vinil ester tabakası kullanılarak çözülür," dedi. "Sadece bir ek tabakaya ihtiyaç duyulmasının nedeni, cam malzemenin daha ağır bir kumaş olmasıdır." Bu, çok soğuk/dondurucu iç sıcaklıklarda bile altı dakika içinde uygulanabilen ve birleştirilebilen uygun bir yama üretir. Isı sağlanmadan kürlenir. Crane, bu onarım işinin bir saat içinde tamamlanabileceğini belirtti.
Her iki yama sistemi de gösterilmiş ve test edilmiştir. Her bir onarım için, hasar görecek 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 konik şekilde kesilir. Eşarbın yüzeyini bir alkol pedi ile temizleyin (adım 3). Ardından, onarım yaması belirli bir boyuta kesilir, temizlenen yüzeye yerleştirilir (adım 4) ve hava kabarcıklarını gidermek için bir rulo ile sabitlenir. Cam elyafı/UV ile kürlenen vinil ester prepreg için, serbest bırakma katmanını onarılan alana yerleştirin ve yamayı altı dakika boyunca kablosuz bir UV lambası ile 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 edilecek bölgeye yerleştirdikten sonra, kablosuz UV lambası kullanarak 6 dakika boyunca yamayı kurutun.
Bergen, “Daha sonra yamanın yapışkanlığını ve yapının yük taşıma kapasitesini geri kazanma yeteneğini değerlendirmek için testler yaptık,” dedi. “İlk aşamada, uygulama kolaylığını ve mukavemetin en az %75'ini geri kazanma yeteneğini kanıtlamamız gerekiyor. Bu, simüle edilen hasarı onardıktan sonra 4 x 48 inç karbon fiber/epoksi reçine ve balsa çekirdekli kiriş üzerinde dört noktadan bükme yapılarak yapılır. Evet. Projenin ikinci aşamasında 12 x 48 inçlik bir panel kullanıldı ve karmaşık gerilim yükleri altında %90'dan fazla mukavemet gereksinimi sergilemelidir. Tüm bu gereksinimleri karşıladık ve ardından AMCB modelinde onarım yöntemlerini fotoğrafladık. Görsel referans sağlamak için saha içi teknoloji ve ekipmanın nasıl kullanılacağı.”
Projenin önemli bir yönü, acemilerin onarımı kolayca tamamlayabileceğini kanıtlamaktır. Bu nedenle Bergen'in aklına bir fikir geldi: "Ordudaki iki teknik bağlantımıza, Dr. Bernard Sia ve Ashley Genna'ya gösteri yapma sözü verdim. Projenin ilk aşamasının son incelemesinde, hiçbir onarım yapılmasını istemedim. Deneyimli Ashley onarımı gerçekleştirdi. Sağladığımız kiti ve kılavuzu kullanarak yamayı uyguladı ve onarımı hiçbir sorun yaşamadan tamamladı."
Şekil 2 Pil ile çalışan kürleme önceden programlanmış, pil ile çalışan termal bağlama makinesi, onarım bilgisi veya kürleme döngüsü programlaması gerektirmeden, bir düğmeye basılarak karbon fiber/epoksi onarım yaması kürleyebilir. Resim kaynağı: Custom Technologies, LLC
Bir diğer önemli gelişme ise pille çalışan kürleme sistemidir (Şekil 2). Bergen, "Saha içi bakım sayesinde yalnızca pil gücüne sahip olursunuz," diye belirtti. "Geliştirdiğimiz onarım kitindeki tüm işlem ekipmanları kablosuzdur." Buna Custom Technologies ve termal bağlama makinesi tedarikçisi WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, ABD) makinesi tarafından ortaklaşa geliştirilen pille çalışan termal bağlama da dahildir. Crane, "Bu pille çalışan termal bağlama makinesi kürlemeyi tamamlamak üzere önceden programlanmıştır, bu nedenle acemilerin kürleme döngüsünü programlamalarına gerek yoktur," dedi. "Uygun rampayı tamamlamak ve ıslatmak için sadece bir düğmeye basmaları yeterlidir." Şu anda kullanımda olan piller, yeniden şarj edilmeleri gerekmeden önce bir yıl dayanabilir.
Projenin ikinci aşamasının tamamlanmasıyla birlikte Custom Technologies, takip iyileştirme teklifleri hazırlıyor ve ilgi ve destek mektupları topluyor. Bergen, "Amacımız bu teknolojiyi TRL 8'e kadar olgunlaştırmak ve sahaya getirmek," dedi. "Ayrıca askeri olmayan uygulamalar için de potansiyel görüyoruz."
Sektörün ilk elyaf takviyesinin ardındaki eski sanatı açıklıyor ve yeni elyaf bilimi ve gelecekteki gelişmeler hakkında derinlemesine bir anlayışa sahip.
Yakında piyasaya çıkacak ve ilk kez uçacak olan 787, hedeflerine ulaşmak için kompozit malzemeler ve süreçlerdeki yeniliklere güveniyor
Gönderi zamanı: Sep-02-2021