Nešiojamą rinkinį galima remontuoti naudojant kambario temperatūroje laikomą UV spinduliuose kietėjančią stiklo pluošto / vinilo esterio arba anglies pluošto / epoksidinės dervos prepregą, naudojant baterijomis maitinamą kietinimo įrangą. #gamybosviduje #infrastruktūra
UV spinduliais kietėjančio preprego lopų remontas Nors „Custom Technologies LLC“ sukurtas anglies pluošto / epoksidinės dervos preprego remontas vidiniam kompoziciniam tiltui pasirodė esąs paprastas ir greitas, stiklo pluoštu sustiprintos UV spinduliais kietėjančios vinilo esterio dervos „Prepreg“ naudojimas leido sukurti patogesnę sistemą. Paveikslėlio šaltinis: „Custom Technologies LLC“.
Moduliniai išskleidžiami tiltai yra labai svarbus karinių taktinių operacijų ir logistikos, taip pat transporto infrastruktūros atkūrimo stichinių nelaimių atveju turtas. Tiriamos kompozicinės konstrukcijos, siekiant sumažinti tokių tiltų svorį, taip sumažinant transporto priemonių ir paleidimo-atstatymo mechanizmų apkrovą. Palyginti su metaliniais tiltais, kompozicinės medžiagos taip pat gali padidinti laikomąją galią ir pailginti tarnavimo laiką.
Pažangus modulinis kompozicinis tiltas (AMCB) yra pavyzdys. „Seemann Composites LLC“ (Gulfportas, Misisipė, JAV) ir „Materials Sciences LLC“ (Horshamas, Pensilvanija, JAV) naudoja anglies pluoštu armuotus epoksidinius laminatus (1 pav.). Projektavimas ir konstrukcija). Tačiau galimybė remontuoti tokias konstrukcijas lauke buvo problema, trukdanti naudoti kompozicines medžiagas.
1 pav. Kompozitinis tiltas, pagrindinis lauko turtas. Pažangųjį modulinį kompozitinį tiltą (AMCB) suprojektavo ir pastatė „Seemann Composites LLC“ ir „Materials Sciences LLC“, naudodamos anglies pluoštu armuotus epoksidinės dervos kompozitus. Paveikslėlio šaltinis: „Seeman Composites LLC“ (kairėje) ir JAV armija (dešinėje).
2016 m. „Custom Technologies LLC“ (Millersvilis, Merilandas, JAV) gavo JAV armijos finansuojamą Mažųjų įmonių inovacijų tyrimų (SBIR) 1 etapo dotaciją, skirtą sukurti remonto metodą, kurį kareiviai galėtų sėkmingai atlikti vietoje. Remiantis šiuo metodu, 2018 m. buvo skirta antroji SBIR dotacijos fazė, skirta pristatyti naujas medžiagas ir baterijomis maitinamą įrangą, net jei lopinėjimą atlieka pradedantysis be išankstinio mokymo, 90 % ar daugiau konstrukcijos gali būti atkurtas neapdorotas stiprumas. Technologijos įgyvendinamumas nustatomas atliekant analizės, medžiagų parinkimo, pavyzdžių gamybos ir mechaninių bandymų užduotis, taip pat atliekant nedidelio ir didelio masto remontą.
Pagrindinis tyrėjas dviejuose SBIR etapuose yra Michaelas Bergenas, „Custom Technologies LLC“ įkūrėjas ir prezidentas. Bergenas išėjo į pensiją iš Karinio jūrų laivyno paviršinio karo centro (NSWC) Karderocke ir 27 metus dirbo Konstrukcijų ir medžiagų departamente, kur vadovavo kompozitinių technologijų kūrimui ir taikymui JAV karinio jūrų laivyno laivyne. Dr. Rogeris Crane'as prisijungė prie „Custom Technologies“ 2015 m., pasitraukęs iš JAV karinio jūrų laivyno 2011 m., ir išdirbo 32 metus. Jo patirtis kompozitinių medžiagų srityje apima techninius leidinius ir patentus, apimančius tokias temas kaip naujos kompozicinės medžiagos, prototipų gamyba, jungimo metodai, daugiafunkcinės kompozicinės medžiagos, konstrukcijų būklės stebėsena ir kompozicinių medžiagų restauravimas.
Du ekspertai sukūrė unikalų procesą, kurio metu naudojamos kompozicinės medžiagos, skirtos įtrūkimams Ticonderoga CG-47 klasės valdomųjų raketų kreiserio 5456 aliuminio antstate remontuoti. „Šis procesas buvo sukurtas siekiant sumažinti įtrūkimų augimą ir būti ekonomiška alternatyva 2–4 mln. dolerių kainuojančios platformos plokštės keitimui“, – sakė Bergenas. „Taigi įrodėme, kad žinome, kaip atlikti remontą ne laboratorijoje, o realioje eksploatavimo aplinkoje. Tačiau iššūkis yra tas, kad dabartiniai karinių įrenginių metodai nėra labai sėkmingi. Galimas dvipusis remontas (iš esmės pažeistose vietose priklijuojant plokštę prie viršaus) arba įrenginio pašalinimas iš eksploatacijos sandėlio lygio (D lygio) remontui. Kadangi reikalingas D lygio remontas, daugelis įrenginių atidedami.“
Jis tęsė, kad reikia metodo, kurį galėtų atlikti kariai, neturintys patirties su kompozicinėmis medžiagomis, naudodami tik rinkinius ir priežiūros vadovus. Mūsų tikslas – supaprastinti procesą: perskaityti vadovą, įvertinti žalą ir atlikti remontą. Nenorime maišyti skystų dervų, nes tam reikia tikslaus matavimo, kad būtų užtikrintas visiškas sukietėjimas. Mums taip pat reikia sistemos, kurioje po remonto nebūtų pavojingų atliekų. Ji turi būti supakuota kaip rinkinys, kurį galėtų naudoti esamas tinklas.“
Vienas iš „Custom Technologies“ sėkmingai pademonstruotų sprendimų yra nešiojamas rinkinys, kuriame naudojami grūdinti epoksidiniai klijai, skirti lipniam kompozitiniam lopui pritaikyti pagal pažeidimo dydį (iki 12 kvadratinių colių). Demonstracija buvo atlikta naudojant kompozicinę medžiagą, vaizduojančią 3 colių storio AMCB denį. Kompozitinė medžiaga turi 3 colių storio balsos medienos šerdį (tankis 15 svarų kubinei pėdai) ir du sluoksnius „Vectorply“ (Finiksas, Arizona, JAV) C-LT 1100 anglies pluošto 0°/90° dviašio dygsnio audinio, vieną sluoksnį C-TLX 1900 anglies pluošto 0°/+45°/-45° tris ašis ir du sluoksnius C-LT 1100, iš viso penkis sluoksnius. „Nusprendėme, kad rinkinyje bus naudojami iš anksto pagaminti lopai kvazizotropiniame laminate, panašiame į daugiaašį, kad audinio kryptis nebūtų problema“, – sakė Crane'as.
Kitas klausimas – laminato remontui naudojama dervos matrica. Siekiant išvengti skystos dervos maišymo, lopas bus gaminamas iš preprego. „Tačiau iššūkiai yra sandėliavimas“, – aiškino Bergenas. Siekdama sukurti sandėliuojamą lopo sprendimą, „Custom Technologies“ bendradarbiauja su „Sunrez Corp.“ (El Cajon, Kalifornija, JAV), kad sukurtų stiklo pluošto / vinilo esterio prepregą, kuris gali būti apdorotas ultravioletiniais spinduliais (UV) per šešias minutes ir kietėti šviesoje. Ji taip pat bendradarbiavo su „Gougeon Brothers“ (Bei Sitis, Mičiganas, JAV), kuri pasiūlė naudoti naują lanksčią epoksidinę plėvelę.
Ankstyvieji tyrimai parodė, kad epoksidinė derva yra tinkamiausia anglies pluošto prepregams – UV spinduliuose kietėjantis vinilo esteris ir permatomas stiklo pluoštas gerai veikia, tačiau nesukietėja po šviesą blokuojančiu anglies pluoštu. Remiantis nauja „Gougeon Brothers“ plėvele, galutinis epoksidinis prepregas kietinamas 1 valandą 99 °C temperatūroje ir ilgai galioja kambario temperatūroje – nereikia laikyti žemoje temperatūroje. Bergenas teigė, kad jei reikalinga aukštesnė stiklėjimo temperatūra (Tg), derva taip pat kietės aukštesnėje temperatūroje, pavyzdžiui, 177 °C. Abu prepregai tiekiami nešiojamame remonto rinkinyje kaip prepregų lopų krūvelė, užsandarinta plastikinėje plėvelėje.
Kadangi remonto rinkinys gali būti sandėliuojamas ilgą laiką, „Custom Technologies“ privalo atlikti galiojimo laiko tyrimą. „Įsigijome keturis kieto plastiko korpusus – tipišką karinį tipą, naudojamą transporto įrangoje – ir į kiekvieną korpusą įdėjome epoksidinių klijų ir vinilo esterio preprego pavyzdžių“, – sakė Bergenas. Dėžės buvo pastatytos keturiose skirtingose vietose bandymams atlikti: ant „Gougeon Brothers“ gamyklos Mičigane stogo, Merilando oro uosto stogo, lauko įrenginio Jukos slėnyje (Kalifornijos dykumoje) ir lauko korozijos bandymų laboratorijos pietų Floridoje. Visuose korpusuose yra duomenų kaupikliai, pabrėžia Bergenas: „Duomenų ir medžiagų mėginius imame vertinimui kas tris mėnesius. Maksimali temperatūra, užfiksuota dėžėse Floridoje ir Kalifornijoje, yra 140 °F, o tai yra gera daugumai restauravimo dervų. Tai tikras iššūkis.“ Be to, „Gougeon Brothers“ atliko vidinius naujai sukurtos grynos epoksidinės dervos bandymus. „Mėginiai, kurie kelis mėnesius buvo įdėti į krosnį 120 °F temperatūroje, pradeda polimerizuotis“, – sakė Bergenas. „Tačiau atitinkamuose mėginiuose, laikomuose 110 °F temperatūroje, dervos cheminė sudėtis pagerėjo tik nežymiai.“
Remontas buvo patikrintas bandymų lentoje ir šiame AMCB makete, kuriame buvo panaudota ta pati laminato ir šerdies medžiaga kaip ir originaliame „Seemann Composites“ pagamintame tilte. Vaizdo šaltinis: „Custom Technologies LLC“.
Norint pademonstruoti remonto techniką, reikia pagaminti, pažeisti ir suremontuoti reprezentatyvų laminatą. „Pirmajame projekto etape iš pradžių naudojome mažas 4 x 48 colių sijas ir keturių taškų lenkimo bandymus, kad įvertintume mūsų remonto proceso įgyvendinamumą“, – sakė Kleinas. „Tada, antrajame projekto etape, perėjome prie 12 x 48 colių plokščių, pritaikėme apkrovas, kad sukurtume dviašį įtempį, kuris sukeltų gedimą, ir tada įvertinome remonto našumą. Antrajame etape taip pat baigėme kurti AMCB modelį, kurį sukūrėme techninės priežiūros srityje.“
Bergenas teigė, kad bandymų plokštė, naudota remonto našumui įrodyti, buvo pagaminta naudojant tą pačią laminatų ir šerdies medžiagų liniją kaip ir „Seemann Composites“ gaminama AMCB, „tačiau, remdamiesi lygiagrečių ašių teorema, sumažinome plokštės storį nuo 0,375 colio iki 0,175 colio. Taip yra šiuo atveju. Šis metodas kartu su papildomais sijų teorijos ir klasikinės laminatų teorijos [CLT] elementais buvo naudojamas susieti viso mastelio AMCB inercijos momentą ir efektyvųjį standumą su mažesnio dydžio demonstraciniu produktu, kurį lengviau valdyti ir kuris yra ekonomiškesnis. Tada mes... „XCraft Inc.“ (Bostonas, Masačusetsas, JAV) sukurtas baigtinių elementų analizės [FEA] modelis buvo panaudotas konstrukcijų remonto projektavimui tobulinti.“ Bandymų plokštėms ir AMCB modeliui naudotas anglies pluošto audinys buvo įsigytas iš „Vectorply“, o balzos medienos šerdį pagamino „Core Composites“ (Bristolis, Rod Ailandas, JAV).
1 veiksmas. Šioje bandymo plokštėje pavaizduota 3 colių skersmens skylė, skirta imituoti centre pažymėtą pažeidimą ir pataisyti perimetrą. Visų veiksmų nuotraukų šaltinis: „Custom Technologies LLC“.
2 veiksmas. Pažeistai medžiagai pašalinti naudokite akumuliatorinį rankinį šlifuoklį ir užsandarinkite taisomą vietą 12:1 smailiu antgaliu.
„Norime imituoti didesnį pažeidimo laipsnį bandymų lentoje, nei galima pamatyti ant tilto denio lauke“, – aiškino Bergenas. „Todėl mūsų metodas yra naudoti skylėms gręžti skirtą pjūklą, kad padarytume 3 colių skersmens skylę. Tada ištraukiame pažeistos medžiagos kamštį ir rankiniu pneumatiniu šlifuokliu apdirbame 12:1 skarą.“
Crane paaiškino, kad anglies pluošto / epoksidinės dervos remontui, pašalinus „pažeistą“ plokštės medžiagą ir uždėjus tinkamą juostelę, prepregas bus supjaustytas pagal pažeistos vietos plotį ir ilgį. „Mūsų bandomajai plokštei reikia keturių preprego sluoksnių, kad remonto medžiaga atitiktų originalios nepažeistos anglies pluošto plokštės viršų. Po to trys dengiamieji anglies pluošto / epoksidinės preprego sluoksniai yra sutelkti ant šios remontuojamos dalies. Kiekvienas paskesnis sluoksnis tęsiasi 2,5 cm į visas apatinio sluoksnio puses, o tai užtikrina laipsnišką apkrovos perkėlimą iš „geros“ aplinkinės medžiagos į remontuojamą vietą.“ Bendras šio remonto laikas, įskaitant remonto vietos paruošimą, restauravimo medžiagos pjovimą ir uždėjimą bei kietinimo procedūros taikymą, yra maždaug 2,5 valandos.
Anglies pluošto / epoksidinės preprego remonto vieta vakuuminiu būdu supakuojama ir kietinama 99 °C temperatūroje vieną valandą, naudojant baterijomis maitinamą terminį klijavimo įrenginį.
Nors anglies/epoksidinės dervos remontas yra paprastas ir greitas, komanda suprato, kad reikia patogesnio sprendimo, kaip atkurti eksploatacines savybes. Tai paskatino tyrinėti ultravioletiniais (UV) spinduliais kietėjančius prepregus. „Sunrez vinilo esterio dervomis susidomėjimas grindžiamas ankstesne karinio jūrų laivyno patirtimi su bendrovės įkūrėju Marku Livesay“, – aiškino Bergenas. „Pirmiausia „Sunrez“ pateikėme kvazizotropinį stiklo audinį, naudodami jų vinilo esterio prepregą, ir įvertinome kietėjimo kreivę skirtingomis sąlygomis. Be to, kadangi žinome, kad vinilo esterio derva, kaip epoksidinė derva, neužtikrina tinkamo antrinio sukibimo, reikia papildomų pastangų, kad būtų galima įvertinti įvairius klijų sluoksnio surišimo agentus ir nustatyti, kuris iš jų tinka konkrečiam atvejui.“
Kita problema yra ta, kad stiklo pluoštai negali užtikrinti tokių pačių mechaninių savybių kaip anglies pluoštai. „Palyginti su anglies / epoksidinės dervos lopais, ši problema išsprendžiama naudojant papildomą stiklo / vinilo esterio sluoksnį“, – sakė Crane'as. „Priežastis, kodėl reikia tik vieno papildomo sluoksnio, yra ta, kad stiklo medžiaga yra sunkesnis audinys.“ Taip gaunamas tinkamas lopas, kurį galima uždėti ir sujungti per šešias minutes net esant labai žemai / užšalimo temperatūrai lauko viduje. Kietėjimas nesiskiria nuo šilumos tiekimo. Crane'as pabrėžė, kad šį remonto darbą galima atlikti per valandą.
Abi lopų sistemos buvo pademonstruotos ir išbandytos. Kiekvienam taisymui pažeista vieta pažymima (1 veiksmas), išgręžiama skylių pjūklu ir pašalinama naudojant akumuliatorinį rankinį šlifuoklį (2 veiksmas). Tada supjaustoma sutaisyta vieta 12:1 kūgio formos gabalėliais. Šaliko paviršių nuvalykite alkoholio kempine (3 veiksmas). Toliau supjaustykite remonto lopą iki tam tikro dydžio, uždėkite jį ant nuvalyto paviršiaus (4 veiksmas) ir sutvirtinkite voleliu, kad pašalintumėte oro burbuliukus. Stiklo pluošto / UV spinduliuose kietėjančio vinilo esterio preprego atveju užtepkite apsauginį sluoksnį ant sutaisytos vietos ir šešias minutes kietinkite lopą belaide UV lempa (5 veiksmas). Anglies pluošto / epoksidinės dervos preprego atveju naudokite iš anksto užprogramuotą, vieno mygtuko, akumuliatoriniu būdu maitinamą terminio surišimo įrenginį, kad vakuuminiu būdu supakuotumėte ir kietintumėte sutaisytą vietą 99 °C temperatūroje vieną valandą.
5 veiksmas. Užtepus lupimo sluoksnį ant pataisytos vietos, 6 minutes kietinkite pleistrą belaide UV lempa.
„Tada atlikome bandymus, kad įvertintume lopo lipnumą ir jo gebėjimą atkurti konstrukcijos laikomąją galią“, – sakė Bergenas. „Pirmajame etape turime įrodyti, kad jį lengva uždėti ir kad galima atkurti bent 75 % stiprumo. Tai atliekama keturių taškų lenkiant 4 x 48 colių anglies pluošto / epoksidinės dervos ir balzos šerdies siją, pataisius imituojamą pažeidimą. Taip. Antrajame projekto etape buvo naudojama 12 x 48 colių plokštė, kuri turi atitikti daugiau nei 90 % stiprumo reikalavimus esant sudėtingoms deformacijos apkrovoms. Mes įvykdėme visus šiuos reikalavimus, o tada nufotografavome remonto metodus AMCB modelyje. Kaip naudoti lauko technologijas ir įrangą, kad būtų galima vizualiai pateikti pavyzdį.“
Svarbus projekto aspektas – įrodyti, kad pradedantieji gali lengvai atlikti remontą. Dėl šios priežasties Bergenui kilo mintis: „Pažadėjau pademonstruoti tai dviem mūsų techniniams kontaktams armijoje: dr. Bernardui Sia ir Ashley Genna. Baigdamas pirmąjį projekto etapą, paprašiau neremontuoti. Remontą atliko patyrusi Ashley. Naudodama mūsų pateiktą rinkinį ir vadovą, ji užklijavo lopą ir be jokių problemų atliko remontą.“
2 pav. Baterijomis maitinamas iš anksto užprogramuotas terminio sujungimo aparatas gali sukietinti anglies pluošto / epoksidinės dervos taisymo lopą vienu mygtuko paspaudimu, nereikalaujant remonto žinių ar kietėjimo ciklo programavimo. Paveikslėlio šaltinis: „Custom Technologies, LLC“.
Dar vienas svarbus patobulinimas – baterijomis maitinama kietinimo sistema (2 pav.). „Atliekant techninę priežiūrą lauke, energija gaunama tik iš baterijų“, – pabrėžė Bergenas. „Visa mūsų sukurto remonto rinkinio proceso įranga yra belaidė.“ Tai apima baterijomis maitinamą terminio sujungimo įrenginį, kurį kartu sukūrė „Custom Technologies“ ir terminio sujungimo mašinų tiekėja „WichiTech Industries Inc.“ (Randallstown, Merilandas, JAV). „Šis baterijomis maitinamas terminio sujungimo įrenginys yra iš anksto užprogramuotas užbaigti kietinimą, todėl pradedantiesiems nereikia programuoti kietinimo ciklo“, – sakė Crane'as. „Jiems tereikia paspausti mygtuką, kad užbaigtų tinkamą rampą ir mirkymą.“ Šiuo metu naudojamos baterijos gali veikti metus, prieš jas įkraunant.
Užbaigus antrąjį projekto etapą, „Custom Technologies“ rengia tolesnius patobulinimų pasiūlymus ir renka susidomėjimo bei palaikymo laiškus. „Mūsų tikslas – subrandinti šią technologiją iki TRL 8 lygio ir pritaikyti ją praktiškai“, – sakė Bergenas. „Mes taip pat matome potencialą nekarinėms reikmėms.“
Paaiškina senąjį pramonės pluošto armatūros kūrimo meną ir puikiai išmano naują pluošto mokslą bei būsimą plėtrą.
Netrukus pasirodysiantis ir pirmą kartą skraidantis 787, siekdamas savo tikslų, pasikliauja kompozicinių medžiagų ir procesų inovacijomis.
Įrašo laikas: 2021 m. rugsėjo 2 d.