Kannettavan pakkauksen voi korjata huoneenlämmössä säilytettävällä UV-kovettuvalla lasikuidulla/vinyyliesterillä tai hiilikuidulla/epoksiprepregillä ja akkukäyttöisellä kovetuslaitteella. #insidemanufacturing #infrastruktuuri
UV-kovettuva prepreg-paikkaus Vaikka Custom Technologies LLC:n kehittämä hiilikuitu-/epoksiprepreg-korjaus sisäkentän komposiittisillalle osoittautui yksinkertaiseksi ja nopeaksi, lasikuituvahvisteisen UV-kovettuvan vinyyliesterihartsin, Prepregin, käyttö on mahdollistanut kätevämmän järjestelmän. Kuvalähde: Custom Technologies LLC
Modulaariset avattavat sillat ovat kriittisiä resursseja sotilastaktisissa operaatioissa ja logistiikassa sekä liikenneinfrastruktuurin ennallistamisessa luonnonkatastrofien aikana. Komposiittirakenteita tutkitaan parhaillaan tällaisten siltojen painon vähentämiseksi, mikä vähentäisi kuljetusajoneuvojen ja laukaisumekanismien kuormitusta. Metallisiltoihin verrattuna komposiittimateriaaleilla on myös potentiaalia lisätä kantavuutta ja pidentää käyttöikää.
Esimerkkinä tästä on Advanced Modular Composite Bridge (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, Yhdysvallat) ja Materials Sciences LLC (Horsham, PA, Yhdysvallat) käyttävät hiilikuituvahvisteisia epoksilaminaatteja (kuva 1). (Suunnittelu ja rakentaminen). Tällaisten rakenteiden korjaamiskyky kentällä on kuitenkin ollut ongelma, joka on haitannut komposiittimateriaalien käyttöönottoa.
Kuva 1. Komposiittisilta, kentän keskeinen resurssi. Seemann Composites LLC ja Materials Sciences LLC suunnittelivat ja rakensivat Advanced Modular Composite Bridgen (AMCB) hiilikuitulujitetuista epoksihartsikomposiiteista. Kuvan lähde: Seeman Composites LLC (vasemmalla) ja Yhdysvaltain armeija (oikealla).
Vuonna 2016 Custom Technologies LLC (Millersville, MD, Yhdysvallat) sai Yhdysvaltain armeijan rahoittaman Small Business Innovation Research (SBIR) -ohjelman vaiheen 1 apurahan kehittääkseen korjausmenetelmän, jonka sotilaat voivat suorittaa onnistuneesti paikan päällä. Tämän lähestymistavan pohjalta myönnettiin vuonna 2018 SBIR-apurahan toinen vaihe uusien materiaalien ja akkukäyttöisten laitteiden esittelyyn. Vaikka paikkauksen suorittaisi aloittelija ilman aiempaa koulutusta, rakenteesta voidaan palauttaa 90 % tai enemmän raakalujuutta. Teknologian toteutettavuus määritetään suorittamalla sarja analyysejä, materiaalivalintoja, näytteiden valmistusta ja mekaanisia testaustehtäviä sekä pienimuotoisia ja täysimittaisia korjauksia.
Kahden SBIR-vaiheen päätutkija on Michael Bergen, Custom Technologies LLC:n perustaja ja toimitusjohtaja. Bergen jäi eläkkeelle Carderockista Naval Surface Warfare Centeristä (NSWC) ja työskenteli 27 vuotta rakenne- ja materiaaliosastolla, jossa hän johti komposiittiteknologioiden kehittämistä ja soveltamista Yhdysvaltain laivaston laivastossa. Tohtori Roger Crane liittyi Custom Technologiesiin vuonna 2015 jäätyään eläkkeelle Yhdysvaltain laivastosta vuonna 2011 ja on palvellut siellä 32 vuotta. Hänen komposiittimateriaalien asiantuntemukseensa kuuluu teknisiä julkaisuja ja patentteja, jotka kattavat aiheita, kuten uudet komposiittimateriaalit, prototyyppien valmistus, liitosmenetelmät, monitoimiset komposiittimateriaalit, rakenteiden terveydentilan seuranta ja komposiittimateriaalien entisöinti.
Nämä kaksi asiantuntijaa ovat kehittäneet ainutlaatuisen prosessin, jossa käytetään komposiittimateriaaleja Ticonderoga CG-47 -luokan ohjusristeilijä 5456:n alumiinisen ylärakenteen halkeamien korjaamiseen. ”Prosessi kehitettiin vähentämään halkeamien kasvua ja tarjoamaan taloudellinen vaihtoehto 2–4 miljoonan dollarin hintaiselle alustan levyn vaihtamiselle”, Bergen sanoi. ”Joten osoitimme, että osaamme suorittaa korjauksia laboratorion ulkopuolella ja todellisessa huoltoympäristössä. Haasteena on kuitenkin se, että nykyiset sotilaslaitteiden menetelmät eivät ole kovin menestyksekkäitä. Vaihtoehto on liimattu duplex-korjaus [periaatteessa vaurioituneilla alueilla liimataan levy päälle] tai laite poistetaan käytöstä varastotason (D-tason) korjauksia varten. Koska D-tason korjauksia tarvitaan, monet laitteet laitetaan sivuun.”
Hän jatkoi sanomalla, että tarvitaan menetelmä, jonka sotilaat, joilla ei ole kokemusta komposiittimateriaaleista, voivat suorittaa käyttämällä vain sarjoja ja huolto-oppaita. Tavoitteenamme on tehdä prosessista yksinkertainen: lue käyttöohje, arvioi vauriot ja suorita korjaukset. Emme halua sekoittaa nestemäisiä hartseja, koska se vaatii tarkkoja mittauksia täydellisen kovettumisen varmistamiseksi. Tarvitsemme myös järjestelmän, jossa ei synny vaarallista jätettä korjausten jälkeen. Ja se on pakattava sarjaksi, jota olemassa oleva verkosto voi ottaa käyttöön.
Yksi Custom Technologiesin onnistuneesti esittelemä ratkaisu on kannettava pakkaus, jossa käytetään karkaistua epoksiliimaa liimautuvan komposiittipaikan mukauttamiseen vaurion koon mukaan (jopa 12 neliötuumaa). Demonstraatio tehtiin komposiittimateriaalilla, joka edusti 3 tuuman paksuista AMCB-kantta. Komposiittimateriaalissa on 3 tuuman paksuinen balsapuuydin (tiheys 15 paunaa kuutiojalkaa kohden) ja kaksi kerrosta Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C-LT 1100 -hiilikuitua 0°/90° kaksiaksiaalisesti ommeltua kangasta, yksi kerros C-TLX 1900 -hiilikuitua 0°/+45°/-45° kolmella varrella ja kaksi kerrosta C-LT 1100 -materiaalia, yhteensä viisi kerrosta. "Päätimme, että pakkauksessa käytetään valmiita paikkoja lähes isotrooppisessa laminaatissa, joka muistuttaa moniakselista materiaalia, jotta kankaan suunta ei ole ongelma", Crane sanoi.
Seuraava ongelma on laminaattikorjauksessa käytettävä hartsimatriisi. Nestemäisen hartsin sekoittamisen välttämiseksi paikassa käytetään prepregiä. ”Nämä haasteet ovat kuitenkin varastointi”, Bergen selitti. Kehittääkseen varastoitavan paikkausratkaisun Custom Technologies on tehnyt yhteistyötä Sunrez Corp:n (El Cajon, Kalifornia, USA) kanssa lasikuitu/vinyyliesteri-prepregin kehittämiseksi, joka voi käyttää ultraviolettivaloa (UV) kuuden minuutin valokovetuksessa. Se on myös tehnyt yhteistyötä Gougeon Brothersin (Bay City, Michigan, USA) kanssa, joka ehdotti uuden joustavan epoksikalvon käyttöä.
Varhaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että epoksihartsi on sopivin hartsi hiilikuituprepregeille – UV-kovettuva vinyyliesteri ja läpikuultava lasikuitu toimivat hyvin, mutta eivät kovetu valoa estävän hiilikuidun alla. Gougeon Brothersin uuteen kalvoon perustuva lopullinen epoksiprepreg kovetetaan 1 tunnin ajan 99 °C:ssa, ja sillä on pitkä säilyvyysaika huoneenlämmössä – ei tarvetta varastoinnille matalassa lämpötilassa. Bergen sanoi, että jos vaaditaan korkeampaa lasittumislämpötilaa (Tg), hartsi kovetetaan myös korkeammassa lämpötilassa, kuten 177 °C:ssa. Molemmat prepregit toimitetaan kannettavassa korjaussarjassa prepreg-laastarien pinona, jotka on suljettu muovikalvopussiin.
Koska korjaussarjaa voidaan säilyttää pitkään, Custom Technologiesin on suoritettava säilyvyysaikatutkimus. ”Ostimme neljä kovaa muovikoteloa – tyypillistä sotilastyyppiä, jota käytetään kuljetusvälineissä – ja laitoimme epoksiliima- ja vinyyliesteriprepreg-näytteitä jokaiseen koteloon”, Bergen sanoi. Laatikot sijoitettiin sitten neljään eri paikkaan testausta varten: Gougeon Brothersin tehtaan katolle Michiganissa, Marylandin lentokentän katolle, ulkotiloihin Yucca Valleyssa (Kalifornian autiomaassa) ja ulkona sijaitsevaan korroosiontestauslaboratorioon Etelä-Floridassa. Kaikissa koteloissa on dataloggerit, Bergen huomauttaa: ”Otamme data- ja materiaalinäytteitä arviointia varten kolmen kuukauden välein. Laatikoissa Floridassa ja Kaliforniassa mitattu maksimilämpötila on 61 °C, mikä on hyvä useimmille restaurointihartseille. Se on todellinen haaste.” Lisäksi Gougeon Brothers testasi sisäisesti uutta puhdasta epoksihartsia. ”Näytteet, jotka on asetettu uuniin 49 °C:seen useiden kuukausien ajaksi, alkavat polymeroitua”, Bergen sanoi. "Vastaavissa näytteissä, joita pidettiin 43 °C:ssa, hartsin kemia parani kuitenkin vain vähän."
Korjaus varmistettiin testilaudalla ja tällä AMCB:n pienoismallilla, jossa käytettiin samaa laminaattia ja ydinmateriaalia kuin Seemann Compositesin rakentamassa alkuperäisessä sillassa. Kuvalähde: Custom Technologies LLC
Korjaustekniikan demonstroimiseksi on valmistettava, vaurioitettava ja korjattava edustava laminaatti. ”Projektin ensimmäisessä vaiheessa käytimme aluksi pienimuotoisia 4 x 48-tuumaisia palkkeja ja nelipistetaivutuskokeita korjausprosessimme toteutettavuuden arvioimiseksi”, Klein sanoi. ”Sitten siirryimme projektin toisessa vaiheessa 12 x 48-tuumaisiin paneeleihin, kohdistimme kuormia kaksiaksiaalisen jännitystilan luomiseksi, joka aiheutti murtumisen, ja arvioimme sitten korjauksen suorituskykyä. Toisessa vaiheessa viimeistelimme myös kunnossapidon AMCB-mallin, jonka rakensimme.”
Bergen sanoi, että korjaussuorituskyvyn osoittamiseen käytetty testipaneeli oli valmistettu käyttäen samaa laminaatti- ja ydinmateriaalilinjaa kuin Seemann Compositesin valmistama AMCB, ”mutta pienensimme paneelin paksuutta 0,375 tuumasta 0,175 tuumaan yhdensuuntaisakseliteoreeman perusteella. Näin on. Menetelmää, yhdessä palkkiteorian ja klassisen laminaattiteorian [CLT] lisäelementtien kanssa, käytettiin yhdistämään täysimittaisen AMCB:n hitausmomentti ja tehokas jäykkyys pienempään demotuotteeseen, jota on helpompi käsitellä ja kustannustehokkaampi. Sitten me… XCraft Inc:n (Boston, Massachusetts, USA) kehittämää äärelliselementtimenetelmämallia [FEA] käytettiin rakenteellisten korjausten suunnittelun parantamiseen.” Testipaneeleissa ja AMCB-mallissa käytetty hiilikuitukangas ostettiin Vectorplyltä ja balsapuuytimen valmisti Core Composites (Bristol, RI, USA).
Vaihe 1. Tässä testipaneelissa on 3 tuuman reiän halkaisija, jolla simuloidaan keskelle merkittyä vauriota ja korjataan kehän reuna. Kuvan lähde kaikille vaiheille: Custom Technologies LLC.
Vaihe 2. Poista vaurioitunut materiaali akkukäyttöisellä käsikäyttöisellä hiomakoneella ja sulje korjauskohta 12:1-kartiolla.
”Haluamme simuloida testilevyllä suurempaa vaurioastetta kuin mitä kentällä sillan kannella mahdollisesti nähdään”, Bergen selitti. ”Siksi menetelmämme on käyttää reikäsahaa halkaisijaltaan 3 tuuman reiän tekemiseen. Sitten vedämme vaurioituneen materiaalin tulpan pois ja käytämme kädessä pidettävää paineilmahiomakonetta 12:1-suhteisen huivin työstämiseen.”
Crane selitti, että hiilikuitu-/epoksikorjauksessa "vaurioitunut" paneelimateriaali on poistettu ja sopiva huivi kiinnitetty, minkä jälkeen prepreg leikataan leveydeltään ja pituudeltaan vaurioituneen alueen kartiomaisuuden mukaiseksi. "Testipaneelissamme tämä vaatii neljä prepreg-kerrosta, jotta korjausmateriaali pysyy yhdenmukaisena alkuperäisen vahingoittumattoman hiilipaneelin yläosan kanssa. Tämän jälkeen kolme hiili-/epoksiprepreg-peitekerrosta keskitetään korjattavaan osaan. Jokainen peräkkäinen kerros ulottuu 2,5 cm alemman kerroksen kaikille puolille, mikä varmistaa asteittaisen kuormituksen siirtymisen "hyvästä" ympäröivästä materiaalista korjattavaan alueeseen." Korjauksen kokonaisaika – mukaan lukien korjausalueen valmistelu, korjausmateriaalin leikkaus ja asettaminen sekä kovetustoimenpide – on noin 2,5 tuntia.
Hiilikuitu-/epoksiprepregin korjausalue pakataan tyhjiöpakkaukseen ja kovetetaan 99 °C:ssa tunnin ajan paristokäyttöisellä lämpöliimaimella.
Vaikka hiili-/epoksikorjaus on yksinkertainen ja nopea, tiimi tunnisti tarpeen kätevämmälle ratkaisulle suorituskyvyn palauttamiseksi. Tämä johti ultraviolettisäteilyllä (UV) kovettuvien prepregien tutkimiseen. ”Kiinnostus Sunrezin vinyyliesterihartseja kohtaan perustuu aiempaan laivastokokemukseen yrityksen perustajan Mark Livesayn kanssa”, Bergen selitti. ”Toimitimme ensin Sunrezille kvasi-isotrooppisen lasikuidun käyttäen heidän vinyyliesteriprepregiään ja arvioimme kovettumiskäyrää eri olosuhteissa. Lisäksi, koska tiedämme, että vinyyliesterihartsi ei ole samanlainen kuin epoksihartsi, joka tarjoaa sopivan toissijaisen tarttuvuuden, tarvitaan lisäponnisteluja erilaisten liimakerrosten kytkentäaineiden arvioimiseksi ja sen määrittämiseksi, mikä niistä sopii sovellukseen.”
Toinen ongelma on, että lasikuidut eivät pysty tarjoamaan samoja mekaanisia ominaisuuksia kuin hiilikuidut. ”Hiili-/epoksilaastariin verrattuna tämä ongelma ratkaistaan käyttämällä ylimääräistä lasi-/vinyyliesterikerrosta”, Crane sanoi. ”Syy siihen, miksi tarvitaan vain yksi lisäkerros, on se, että lasimateriaali on painavampaa kangasta.” Tämä tuottaa sopivan laastarin, joka voidaan asentaa ja yhdistää kuudessa minuutissa jopa erittäin kylmissä/jäätymispisteen sisälämpötiloissa. Kovettuminen ilman lämmön tuottamista. Crane huomautti, että tämä korjaustyö voidaan tehdä tunnissa.
Molemmat paikkausjärjestelmät on testattu ja testattu. Jokaista korjausta varten vaurioitunut alue merkitään (vaihe 1), tehdään reikäsahalla ja poistetaan akkukäyttöisellä manuaalisella hiomakoneella (vaihe 2). Sitten korjattu alue leikataan 12:1-kartioon. Puhdista huivin pinta alkoholityynyllä (vaihe 3). Seuraavaksi leikkaa korjauspaikka tiettyyn kokoon, aseta se puhdistetulle pinnalle (vaihe 4) ja tiivistä se telalla ilmakuplien poistamiseksi. Lasikuitu-/UV-kovettuvan vinyyliesteriprepregin tapauksessa aseta irrotuskerros korjatulle alueelle ja koveta paikkaa langattomalla UV-lampulla kuuden minuutin ajan (vaihe 5). Hiilikuitu-/epoksiprepregin tapauksessa käytä esiohjelmoitua, yhdellä painikkeella toimivaa, akkukäyttöistä lämpöliimainta ja tyhjiöpakkaa korjattu alue 99 °C:ssa tunnin ajan.
Vaihe 5. Kun olet asettanut kuorintakerroksen korjatulle alueelle, käytä langatonta UV-lamppua kovettamaan paikkaa 6 minuuttia.
”Sitten teimme testejä arvioidaksemme laastarin tarttuvuutta ja sen kykyä palauttaa rakenteen kantavuus”, Bergen sanoi. ”Ensimmäisessä vaiheessa meidän on todistettava levityksen helppous ja kyky palauttaa vähintään 75 % lujuudesta. Tämä tehdään taivuttamalla neljän pisteen verran 4 x 48 tuuman hiilikuitu-/epoksihartsi- ja balsaydinpalkkia simuloidun vaurion korjaamisen jälkeen. Kyllä. Projektin toisessa vaiheessa käytettiin 12 x 48 tuuman paneelia, ja sen on täytettävä yli 90 %:n lujuusvaatimukset monimutkaisissa venymäkuormissa. Täytimme kaikki nämä vaatimukset ja valokuvasimme sitten korjausmenetelmät AMCB-mallissa. Kuinka käyttää kenttäteknologiaa ja -laitteita visuaalisen vertailun tarjoamiseksi.”
Projektin keskeinen osa on todistaa, että aloittelijatkin pystyvät helposti suorittamaan korjauksen. Tästä syystä Bergenillä oli idea: ”Olen luvannut näyttää asian kahdelle armeijan tekniselle yhteyshenkilöllemme: tohtori Bernard Sialle ja Ashley Gennalle. Projektin ensimmäisen vaiheen lopputarkastuksessa pyysin, ettei korjauksia tehdä. Kokenut Ashley suoritti korjauksen. Hän kiinnitti paikan toimittamamme sarjan ja käyttöohjeen avulla ja suoritti korjauksen ongelmitta.”
Kuva 2. Paristokäyttöinen, esiohjelmoitu, paristokäyttöinen lämpöliimauskone voi kovettaa hiilikuitu-/epoksikorjauslaastarin napin painalluksella ilman korjausosaamista tai kovetussyklin ohjelmointia. Kuvan lähde: Custom Technologies, LLC
Toinen keskeinen kehitysaskel on akkukäyttöinen kovetusjärjestelmä (kuva 2). ”Kenttähuollossa on käytettävissä vain akkuvirtaa”, Bergen huomautti. ”Kaikki kehittämämme korjaussarjan prosessilaitteet ovat langattomia.” Tähän sisältyy Custom Technologiesin ja lämpöliimauskoneiden toimittajan WichiTech Industries Inc:n (Randallstown, Maryland, USA) yhdessä kehittämä akkukäyttöinen lämpöliimauskone. ”Tämä akkukäyttöinen lämpöliimauslaite on esiohjelmoitu suorittamaan kovetus loppuun, joten aloittelijoiden ei tarvitse ohjelmoida kovetussykliä”, Crane sanoi. ”Heidän tarvitsee vain painaa nappia suorittaakseen asianmukaisen rampin ja liotuksen.” Tällä hetkellä käytössä olevat akut voivat kestää vuoden ennen kuin ne on ladattava uudelleen.
Projektin toisen vaiheen valmistuttua Custom Technologies valmistelee jatkoparannusehdotuksia ja kerää kiinnostuksenilmaisuja ja tukikirjeitä. ”Tavoitteenamme on kypsyttää tämä teknologia TRL 8 -tasolle ja tuoda se kentälle”, Bergen sanoi. ”Näemme potentiaalia myös ei-sotilaallisille sovelluksille.”
Selittää alan ensimmäisen kuitulujitteen taustalla olevan vanhan taiteen ja ymmärtää syvällisesti uutta kuitutiedettä ja tulevaa kehitystä.
Pian tulossa oleva ja ensimmäistä kertaa lentoon lähtevä 787 luottaa komposiittimateriaalien ja -prosessien innovaatioihin tavoitteidensa saavuttamiseksi.
Julkaisun aika: 02.09.2021