Seti portativ mund të riparohet me fibra qelqi/ester vinili që shërohet me rrezet UV ose me fibra karboni/epoksi të parapërgatitura, të ruajtura në temperaturë ambienti dhe me pajisje shëruese që punojnë me bateri. #brendaprodhimit #infrastrukturë
Riparimi i një copëze prepreg që kurohet me rrezet UV Edhe pse riparimi i prepreg me fibra karboni/epoksi i zhvilluar nga Custom Technologies LLC për urën kompozite të fushës së brendshme rezultoi i thjeshtë dhe i shpejtë, përdorimi i rrëshirës Prepreg të vinil esterit që kurohet me rrezet UV të përforcuar me fibra qelqi ka zhvilluar një sistem më të përshtatshëm. Burimi i imazhit: Custom Technologies LLC
Urat modulare të zhvendosshme janë asete kritike për operacionet taktike ushtarake dhe logjistikën, si dhe për restaurimin e infrastrukturës së transportit gjatë fatkeqësive natyrore. Strukturat kompozite po studiohen për të zvogëluar peshën e urave të tilla, duke zvogëluar kështu barrën mbi mjetet e transportit dhe mekanizmat e lëshimit-rikuperimit. Krahasuar me urat metalike, materialet kompozite kanë gjithashtu potencialin për të rritur kapacitetin mbajtës të ngarkesës dhe për të zgjatur jetëgjatësinë e shërbimit.
Ura e Përbërë Modulare e Avancuar (AMCB) është një shembull. Seemann Composites LLC (Gulfport, Misisipi, SHBA) dhe Materials Sciences LLC (Horsham, PA, SHBA) përdorin laminate epoksi të përforcuara me fibra karboni (Figura 1). Projektimi dhe ndërtimi). Megjithatë, aftësia për të riparuar struktura të tilla në terren ka qenë një problem që pengon përdorimin e materialeve kompozite.
Figura 1 Urë kompozite, aset kyç në terren Ura e Avancuar Modulare Kompozite (AMCB) u projektua dhe u ndërtua nga Seemann Composites LLC dhe Materials Sciences LLC duke përdorur kompozite me rrëshirë epoksi të përforcuar me fibra karboni. Burimi i imazhit: Seeman Composites LLC (majtas) dhe Ushtria Amerikane (djathtas).
Në vitin 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, SHBA) mori një grant të Fazës 1 të Kërkimit për Inovacionin në Bizneset e Vogla (SBIR) të financuar nga Ushtria Amerikane për të zhvilluar një metodë riparimi që mund të kryhet me sukses në vend nga ushtarët. Bazuar në këtë qasje, faza e dytë e grantit SBIR u dha në vitin 2018 për të shfaqur materiale të reja dhe pajisje me bateri, edhe nëse arna kryhet nga një fillestar pa trajnim paraprak, 90% ose më shumë e strukturës mund të rikthehet në forcën e papërpunuar. Mundësia e teknologjisë përcaktohet duke kryer një sërë analizash, përzgjedhjen e materialeve, prodhimin e mostrave dhe detyrat e testimit mekanik, si dhe riparime në shkallë të vogël dhe të plotë.
Studiuesi kryesor në dy fazat e SBIR është Michael Bergen, themeluesi dhe presidenti i Custom Technologies LLC. Bergen doli në pension nga Carderock i Qendrës së Luftës Sipërfaqësore Detare (NSWC) dhe shërbeu në Departamentin e Strukturave dhe Materialeve për 27 vjet, ku ai menaxhoi zhvillimin dhe zbatimin e teknologjive kompozite në flotën e Marinës Amerikane. Dr. Roger Crane u bashkua me Custom Technologies në vitin 2015 pasi doli në pension nga Marina Amerikane në vitin 2011 dhe ka shërbyer për 32 vjet. Ekspertiza e tij në materialet kompozite përfshin botime teknike dhe patenta, që mbulojnë tema të tilla si materialet e reja kompozite, prodhimi i prototipeve, metodat e lidhjes, materialet kompozite shumëfunksionale, monitorimi i shëndetit strukturor dhe restaurimi i materialeve kompozite.
Të dy ekspertët kanë zhvilluar një proces unik që përdor materiale kompozite për të riparuar çarjet në superstrukturën e aluminit të kryqëzorit me raketa të drejtuara të klasit Ticonderoga CG-47 5456. "Procesi u zhvillua për të zvogëluar rritjen e çarjeve dhe për të shërbyer si një alternativë ekonomike ndaj zëvendësimit të një bordi platforme prej 2 deri në 4 milionë dollarë", tha Bergen. "Pra, ne vërtetuam se dimë si të kryejmë riparime jashtë laboratorit dhe në një mjedis real shërbimi. Por sfida është se metodat aktuale të aseteve ushtarake nuk janë shumë të suksesshme. Opsioni është riparimi i dyfishtë i lidhur [kryesisht në zonat e dëmtuara. Ngjitni një bord në majë] ose hiqni asetin nga shërbimi për riparime në nivel depoje (niveli D). Për shkak se kërkohen riparime në nivel D, shumë asete lihen mënjanë."
Ai vazhdoi duke thënë se ajo që nevojitet është një metodë që mund të kryhet nga ushtarë pa përvojë në materialet kompozite, duke përdorur vetëm komplete dhe manuale mirëmbajtjeje. Qëllimi ynë është ta bëjmë procesin të thjeshtë: lexoni manualin, vlerësoni dëmin dhe kryeni riparime. Ne nuk duam të përziejmë rrëshira të lëngshme, pasi kjo kërkon matje të sakta për të siguruar shërimin e plotë. Gjithashtu na duhet një sistem pa mbetje të rrezikshme pasi të përfundojnë riparimet. Dhe duhet të paketohet si një komplet që mund të vendoset nga rrjeti ekzistues.
Një zgjidhje që Custom Technologies e demonstroi me sukses është një komplet portativ që përdor një ngjitës epoksi të forcuar për të personalizuar copën ngjitëse kompozite sipas madhësisë së dëmtimit (deri në 12 inç katrorë). Demonstrimi u krye në një material kompozit që përfaqëson një kuvertë AMCB me trashësi 3 inç. Materiali kompozit ka një bërthamë druri balsa me trashësi 3 inç (dendësi 15 paund për këmbë kub) dhe dy shtresa pëlhure të qepur biaksiale me fibër karboni C-LT 1100 0°/90° Vectorply (Phoenix, Arizona, SHBA), një shtresë me fibër karboni C-TLX 1900 0°/+45°/-45° me tre boshte dhe dy shtresa C-LT 1100, gjithsej pesë shtresa. "Ne vendosëm që kompleti do të përdorë copëza të parafabrikuara në një laminat kuazi-izotropik të ngjashëm me një shumë-bosht në mënyrë që drejtimi i pëlhurës të mos jetë problem", tha Crane.
Çështja tjetër është matrica e rrëshirës që përdoret për riparimin e laminateve. Për të shmangur përzierjen e rrëshirës së lëngshme, ngjitësi do të përdorë prepreg. "Megjithatë, këto sfida janë ruajtja", shpjegoi Bergen. Për të zhvilluar një zgjidhje për ngjitësin që mund të ruhet, Custom Technologies është partnerizuar me Sunrez Corp. (El Cajon, Kaliforni, SHBA) për të zhvilluar një prepreg me fibra qelqi/ester vinili që mund të përdorë dritën ultravjollcë (UV) në gjashtë minuta kurimi me dritë. Gjithashtu bashkëpunoi me Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, SHBA), të cilët sugjeruan përdorimin e një filmi të ri epoksi fleksibël.
Studimet e hershme kanë treguar se rrëshira epoksi është rrëshira më e përshtatshme për prepreg-et e fibrave të karbonit - esteri vinil i shërueshëm me rrezet UV dhe fibra e qelqit të tejdukshëm funksionojnë mirë, por nuk thahen nën fibra karboni që bllokojnë dritën. Bazuar në filmin e ri të Gougeon Brothers, prepreg-i përfundimtar epoksi thahet për 1 orë në 210°F/99°C dhe ka një afat të gjatë ruajtjeje në temperaturë ambienti - nuk ka nevojë për ruajtje në temperaturë të ulët. Bergen tha se nëse kërkohet një temperaturë më e lartë e tranzicionit të qelqit (Tg), rrëshira do të thahet gjithashtu në një temperaturë më të lartë, siç është 350°F/177°C. Të dy prepreg-et ofrohen në një komplet riparimi portativ si një pirg me copa prepreg të vulosura në një zarf filmi plastik.
Meqenëse kompleti i riparimit mund të ruhet për një kohë të gjatë, Custom Technologies duhet të kryejë një studim mbi jetëgjatësinë e tij. "Ne blemë katër kuti plastike të forta - një lloj tipik ushtarak i përdorur në pajisjet e transportit - dhe vendosëm mostra të ngjitësit epoksi dhe esterit vinil të parapërgatitur në secilën kuti", tha Bergen. Kutitë u vendosën më pas në katër vende të ndryshme për testim: çatia e fabrikës Gougeon Brothers në Michigan, çatia e aeroportit të Maryland, objekti i jashtëm në Luginën Yucca (shkretëtira e Kalifornisë) dhe laboratori i testimit të korrozionit në natyrë në Floridën jugore. Të gjitha rastet kanë regjistrues të dhënash, thekson Bergen, "Ne marrim mostra të dhënash dhe materialesh për vlerësim çdo tre muaj. Temperatura maksimale e regjistruar në kuti në Florida dhe Kaliforni është 140°F, gjë që është e mirë për shumicën e rrëshirave të restaurimit. Është një sfidë e vërtetë." Përveç kësaj, Gougeon Brothers testuan brenda rrëshirën e pastër epoksi të zhvilluar rishtazi. "Mostrat që janë vendosur në një furrë në 120°F për disa muaj fillojnë të polimerizohen", tha Bergen. "Megjithatë, për mostrat përkatëse të mbajtura në 110°F, kimia e rrëshirës u përmirësua vetëm me një sasi të vogël."
Riparimi u verifikua në tabelën e provës dhe në këtë model në shkallë të AMCB-së, i cili përdori të njëjtin material laminati dhe bërthame si ura origjinale e ndërtuar nga Seemann Composites. Burimi i imazhit: Custom Technologies LLC
Për të demonstruar teknikën e riparimit, duhet të prodhohet, dëmtohet dhe riparohet një laminat përfaqësues. "Në fazën e parë të projektit, fillimisht përdorëm trarë të vegjël 4 x 48 inç dhe teste përkuljeje me katër pika për të vlerësuar fizibilitetin e procesit tonë të riparimit", tha Klein. "Pastaj, kaluam në panele 12 x 48 inç në fazën e dytë të projektit, aplikuam ngarkesa për të gjeneruar një gjendje stresi biaksial për të shkaktuar dështim dhe më pas vlerësuam performancën e riparimit. Në fazën e dytë, përfunduam gjithashtu modelin AMCB që ndërtuam Mirëmbajtjen."
Bergen tha se paneli i testimit i përdorur për të vërtetuar performancën e riparimit u prodhua duke përdorur të njëjtën linjë laminatesh dhe materialesh thelbësore si AMCB i prodhuar nga Seemann Composites, "por ne e zvogëluam trashësinë e panelit nga 0.375 inç në 0.175 inç, bazuar në teoremën e boshtit paralel. Ky është rasti. Metoda, së bashku me elementët shtesë të teorisë së trarëve dhe teorisë klasike të laminateve [CLT], u përdor për të lidhur momentin e inercisë dhe ngurtësinë efektive të AMCB në shkallë të plotë me një produkt demo me madhësi më të vogël që është më i lehtë për t'u trajtuar dhe më ekonomik. Pastaj, ne... Modeli i analizës së elementeve të fundme [FEA] i zhvilluar nga XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, SHBA) u përdor për të përmirësuar projektimin e riparimeve strukturore." Pëlhura e fibrave të karbonit e përdorur për panelet e testimit dhe modelin AMCB u ble nga Vectorply, dhe bërthama balsa u prodhua nga Core Composites (Bristol, RI, SHBA) e ofruar.
Hapi 1. Ky panel testimi shfaq një diametër vrime prej 3 inçësh për të simuluar dëmtimin e shënuar në qendër dhe për të riparuar perimetrin. Burimi i fotos për të gjitha hapat: Custom Technologies LLC.
Hapi 2. Përdorni një mulli manual me bateri për të hequr materialin e dëmtuar dhe për të mbyllur copën e riparimit me një skaj konik 12:1.
“Ne duam të simulojmë një shkallë më të lartë dëmtimi në tabelën e provës sesa mund të shihet në kuvertën e urës në terren”, shpjegoi Bergen. “Pra, metoda jonë është të përdorim një sharrë vrimash për të bërë një vrimë me diametër 3 inç. Pastaj, heqim tapën e materialit të dëmtuar dhe përdorim një mulli pneumatik dore për të përpunuar një shall 12:1.”
Crane shpjegoi se për riparimin e fibrave të karbonit/epoksit, pasi të hiqet materiali i panelit "i dëmtuar" dhe të aplikohet një shall i përshtatshëm, prepreg-i do të pritet në gjerësi dhe gjatësi që të përputhet me konin e zonës së dëmtuar. "Për panelin tonë të testimit, kjo kërkon katër shtresa prepreg-i për ta mbajtur materialin e riparimit në përputhje me pjesën e sipërme të panelit origjinal të padëmtuar të karbonit. Pas kësaj, tre shtresat mbuluese të prepreg-it të karbonit/epoksit përqendrohen në këtë në pjesën e riparuar. Çdo shtresë pasuese shtrihet 1 inç në të gjitha anët e shtresës së poshtme, gjë që siguron një transferim gradual të ngarkesës nga materiali "i mirë" përreth në zonën e riparuar." Koha totale për të kryer këtë riparim - duke përfshirë përgatitjen e zonës së riparimit, prerjen dhe vendosjen e materialit të restaurimit dhe aplikimin e procedurës së tharjes - është afërsisht 2.5 orë.
Për prepreg-in me fibra karboni/epoksi, zona e riparimit paketohet në vakum dhe thahet në 210°F/99°C për një orë duke përdorur një mjet lidhës termik me bateri.
Edhe pse riparimi me karbon/epoksi është i thjeshtë dhe i shpejtë, ekipi njohu nevojën për një zgjidhje më të përshtatshme për të rikthyer performancën. Kjo çoi në eksplorimin e prepreg-eve që shërohen me ultravjollcë (UV). "Interesi për rrëshirat e vinil ester Sunrez bazohet në përvojën e mëparshme detare me themeluesin e kompanisë, Mark Livesay," shpjegoi Bergen. "Ne së pari i dhamë Sunrez një pëlhurë qelqi kuazi-izotropike, duke përdorur prepreg-in e tyre të vinil esterit, dhe vlerësuam kurbën e shërimit në kushte të ndryshme. Përveç kësaj, për shkak se e dimë që rrëshira e vinil ester nuk është si rrëshira epoksi që ofron performancë të përshtatshme sekondare të ngjitjes, kërkohen përpjekje shtesë për të vlerësuar agjentë të ndryshëm të bashkimit të shtresave ngjitëse dhe për të përcaktuar se cili është i përshtatshëm për aplikimin."
Një problem tjetër është se fibrat e qelqit nuk mund të ofrojnë të njëjtat veti mekanike si fibrat e karbonit. "Krahasuar me copën e karbonit/epoksit, ky problem zgjidhet duke përdorur një shtresë shtesë qelqi/ester vinili", tha Crane. "Arsyeja pse nevojitet vetëm një shtresë shtesë është se materiali i qelqit është një pëlhurë më e rëndë". Kjo prodhon një copë të përshtatshme që mund të aplikohet dhe kombinohet brenda gjashtë minutash edhe në temperatura shumë të ftohta/ngrirëse në fushë. Tharja pa siguruar nxehtësi. Crane theksoi se kjo punë riparimi mund të përfundojë brenda një ore.
Të dy sistemet e arnimit janë demonstruar dhe testuar. Për çdo riparim, zona që do të dëmtohet shënohet (hapi 1), krijohet me një sharrë vrimash dhe më pas hiqet duke përdorur një makinë prerëse manuale me bateri (hapi 2). Pastaj priteni zonën e riparuar në një prerje konike 12:1. Pastroni sipërfaqen e shallit me një sfungjer alkooli (hapi 3). Më pas, priteni arnimin e riparimit në një madhësi të caktuar, vendoseni atë në sipërfaqen e pastruar (hapi 4) dhe konsolidojeni atë me një rul për të hequr flluskat e ajrit. Për prepreg vinil ester që thahet me fibra qelqi/UV, vendosni shtresën e çlirimit në zonën e riparuar dhe thajeni arnimin me një llambë UV pa tel për gjashtë minuta (hapi 5). Për prepreg me fibra karboni/epoksi, përdorni një lidhës termik të paraprogramuar, me një buton, të mundësuar nga bateria, për të paketuar me vakum dhe tharë zonën e riparuar në 210°F/99°C për një orë.
Hapi 5. Pasi të keni vendosur shtresën qëruese në zonën e riparuar, përdorni një llambë UV pa tel për të tharë copën për 6 minuta.
“Pastaj kryem teste për të vlerësuar ngjitshmërinë e copës dhe aftësinë e saj për të rivendosur kapacitetin mbajtës të ngarkesës së strukturës”, tha Bergen. “Në fazën e parë, duhet të vërtetojmë lehtësinë e aplikimit dhe aftësinë për të rikuperuar të paktën 75% të forcës. Kjo bëhet me anë të përkuljes me katër pika në një tra me fibra karboni/rrëshirë epoksi dhe bërthamë balsa 4 x 48 inç, pas riparimit të dëmtimit të simuluar. Po. Faza e dytë e projektit përdori një panel 12 x 48 inç dhe duhet të shfaqë kërkesa për forcë më shumë se 90% nën ngarkesa komplekse të tendosjes. Ne i plotësuam të gjitha këto kërkesa dhe më pas fotografuam metodat e riparimit në modelin AMCB. Si të përdoret teknologjia dhe pajisjet në terren për të ofruar një referencë vizuale.”
Një aspekt kyç i projektit është të provojë se fillestarët mund ta përfundojnë lehtësisht riparimin. Për këtë arsye, Bergen pati një ide: “Kam premtuar t’ua demonstroj dy kontakteve tona teknike në Ushtri: Dr. Bernard Sia dhe Ashley Genna. Në shqyrtimin përfundimtar të fazës së parë të projektit, nuk kërkova riparime. Ashley me përvojë kreu riparimin. Duke përdorur kompletin dhe manualin që i dhamë, ajo vendosi arnimin dhe e përfundoi riparimin pa asnjë problem.”
Figura 2 Makina e ngjitjes termike me bateri, e programuar paraprakisht dhe e mundësuar nga bateria, mund të thajë copën e riparimit me fibra karboni/epoksi me shtypjen e një butoni, pa pasur nevojë për njohuri riparimi ose programim të ciklit të tharjes. Burimi i imazhit: Custom Technologies, LLC
Një tjetër zhvillim kyç është sistemi i kurimit me bateri (Figura 2). "Përmes mirëmbajtjes në terren, ju keni vetëm energji nga bateria", theksoi Bergen. "Të gjitha pajisjet e procesit në kitin e riparimit që kemi zhvilluar janë pa tel." Kjo përfshin lidhjen termike me bateri të zhvilluar bashkërisht nga Custom Technologies dhe furnizuesi i makinerive të lidhjes termike WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, SHBA). "Ky lidhës termik me bateri është i programuar paraprakisht për të përfunduar kurimin, kështu që fillestarët nuk kanë nevojë të programojnë ciklin e kurimit", tha Crane. "Ata thjesht duhet të shtypin një buton për të përfunduar rampin dhe zhytjen e duhur." Bateritë që përdoren aktualisht mund të zgjasin për një vit para se të kenë nevojë të rimbushen.
Me përfundimin e fazës së dytë të projektit, Custom Technologies po përgatit propozime për përmirësime pasuese dhe po mbledh letra interesi dhe mbështetjeje. “Qëllimi ynë është ta përpunojmë këtë teknologji në TRL 8 dhe ta sjellim në praktikë”, tha Bergen. “Ne gjithashtu shohim potencialin për zbatime jo-ushtarake.”
Shpjegon artin e vjetër që qëndron pas përforcimit të parë me fibra në industri dhe ka një kuptim të thellë të shkencës së fibrave të reja dhe zhvillimit të ardhshëm.
Së shpejti dhe duke fluturuar për herë të parë, 787 mbështetet në inovacionet në materialet dhe proceset kompozite për të arritur qëllimet e tij.
Koha e postimit: 02 shtator 2021