Das tragbare Kit kann mit UV-härtbarem Glasfaser-/Vinylester- oder Kohlefaser-/Epoxidharz-Prepreg repariert werden, das bei Raumtemperatur und batteriebetriebenen Härtungsgeräten gelagert wird. #insidemanufacturing #infrastruktur
UV-härtbare Prepreg-Patch-Reparatur Obwohl sich die von Custom Technologies LLC für die Infield-Verbundbrücke entwickelte Carbonfaser-/Epoxid-Prepreg-Reparatur als einfach und schnell erwies, hat die Verwendung von glasfaserverstärktem UV-härtbarem Vinylesterharz Prepreg ein praktischeres System entwickelt . Bildquelle: Custom Technologies LLC
Modular einsetzbare Brücken sind entscheidende Vermögenswerte für militärische taktische Operationen und Logistik sowie für die Wiederherstellung der Transportinfrastruktur bei Naturkatastrophen. Es werden Verbundkonstruktionen untersucht, um das Gewicht solcher Brücken zu reduzieren und dadurch die Belastung von Transportfahrzeugen und Start- und Bergungsmechanismen zu verringern. Im Vergleich zu Metallbrücken haben Verbundwerkstoffe zudem das Potenzial, die Tragfähigkeit zu erhöhen und die Lebensdauer zu verlängern.
Ein Beispiel ist die Advanced Modular Composite Bridge (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) und Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) verwenden kohlenstofffaserverstärkte Epoxidlaminate (Abbildung 1). ) Design und Konstruktion). Die Fähigkeit, solche Strukturen vor Ort zu reparieren, stellt jedoch ein Problem dar, das die Einführung von Verbundwerkstoffen behindert.
Abbildung 1 Verbundbrücke, wichtiger Bausteinstandort Die Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) wurde von Seemann Composites LLC und Materials Sciences LLC unter Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Epoxidharz-Verbundwerkstoffen entworfen und gebaut. Bildquelle: Seeman Composites LLC (links) und die US-Armee (rechts).
Im Jahr 2016 erhielt Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) einen von der US-Armee finanzierten Small Business Innovation Research (SBIR) Phase-1-Zuschuss zur Entwicklung einer Reparaturmethode, die von Soldaten vor Ort erfolgreich durchgeführt werden kann. Basierend auf diesem Ansatz wurde 2018 die zweite Phase des SBIR-Zuschusses vergeben, um neue Materialien und batteriebetriebene Geräte vorzustellen. Selbst wenn der Patch von einem Anfänger ohne vorherige Schulung durchgeführt wird, können 90 % oder mehr der Struktur roh wiederhergestellt werden Stärke. Die Machbarkeit der Technologie wird durch die Durchführung einer Reihe von Analysen, Materialauswahl, Probenherstellung und mechanischen Testaufgaben sowie kleinen und umfassenden Reparaturen ermittelt.
Der Hauptforscher in den beiden SBIR-Phasen ist Michael Bergen, der Gründer und Präsident von Custom Technologies LLC. Bergen zog sich aus Carderock vom Naval Surface Warfare Center (NSWC) zurück und war 27 Jahre lang in der Struktur- und Materialabteilung tätig, wo er die Entwicklung und Anwendung von Verbundtechnologien in der Flotte der US-Marine leitete. Dr. Roger Crane kam 2015 zu Custom Technologies, nachdem er 2011 aus der US-Marine ausgeschieden war, und war 32 Jahre lang im Dienst. Sein Fachwissen über Verbundwerkstoffe umfasst technische Veröffentlichungen und Patente zu Themen wie neue Verbundwerkstoffe, Prototypenherstellung, Verbindungsmethoden, multifunktionale Verbundwerkstoffe, strukturelle Gesundheitsüberwachung und Wiederherstellung von Verbundwerkstoffen.
Die beiden Experten haben ein einzigartiges Verfahren entwickelt, das Verbundwerkstoffe verwendet, um die Risse im Aluminiumaufbau des Lenkwaffenkreuzers 5456 der Ticonderoga CG-47-Klasse zu reparieren. „Das Verfahren wurde entwickelt, um das Wachstum von Rissen zu reduzieren und als wirtschaftliche Alternative zu dienen.“ „Der Ersatz einer Plattformplatine kostet 2 bis 4 Millionen Dollar“, sagte Bergen. „Damit haben wir bewiesen, dass wir wissen, wie man Reparaturen außerhalb des Labors und in einer echten Serviceumgebung durchführt. Die Herausforderung besteht jedoch darin, dass die derzeitigen militärischen Einsatzmethoden nicht sehr erfolgreich sind. Die Option ist die geklebte Duplex-Reparatur (im Wesentlichen wird in beschädigten Bereichen eine Platine auf die Oberseite geklebt) oder die Anlage außer Betrieb genommen, um Reparaturen auf Lagerebene (D-Ebene) durchzuführen. Da Reparaturen auf D-Level erforderlich sind, werden viele Vermögenswerte zurückgestellt.“
Er fuhr fort, dass es eine Methode brauche, die von Soldaten ohne Erfahrung mit Verbundwerkstoffen durchgeführt werden könne und nur Bausätze und Wartungshandbücher verwende. Unser Ziel ist es, den Prozess zu vereinfachen: Lesen Sie das Handbuch, bewerten Sie den Schaden und führen Sie Reparaturen durch. Wir möchten keine flüssigen Harze mischen, da dies eine genaue Messung erfordert, um eine vollständige Aushärtung sicherzustellen. Wir brauchen auch nach Abschluss der Reparaturen ein System ohne gefährlichen Abfall. Und es muss als Bausatz verpackt sein, der im bestehenden Netzwerk bereitgestellt werden kann. ”
Eine Lösung, die Custom Technologies erfolgreich demonstriert hat, ist ein tragbares Kit, das einen gehärteten Epoxidklebstoff verwendet, um das selbstklebende Verbundpflaster entsprechend der Größe des Schadens (bis zu 12 Quadratzoll) anzupassen. Die Demonstration wurde auf einem Verbundmaterial durchgeführt, das ein 3 Zoll dickes AMCB-Deck darstellt. Das Verbundmaterial besteht aus einem 3 Zoll dicken Balsaholzkern (15 Pfund pro Kubikfuß Dichte) und zwei Schichten Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C-LT 1100 Kohlenstofffaser 0°/90° biaxial genähtes Gewebe, eine Schicht aus C-TLX 1900 Kohlefaser 0°/+45°/-45° drei Schäfte und zwei Lagen C-LT 1100, insgesamt fünf Lagen. „Wir haben beschlossen, dass der Bausatz vorgefertigte Flicken in einem quasi-isotropen Laminat ähnlich einer Mehrachse verwenden wird, sodass die Stoffrichtung kein Problem darstellt“, sagte Crane.
Das nächste Problem ist die Harzmatrix, die für die Laminatreparatur verwendet wird. Um das Mischen von flüssigem Harz zu vermeiden, wird für das Pflaster Prepreg verwendet. „Diese Herausforderungen liegen jedoch bei der Lagerung“, erklärte Bergen. Um eine lagerfähige Pflasterlösung zu entwickeln, hat Custom Technologies mit Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornien, USA) zusammengearbeitet, um ein Glasfaser/Vinylester-Prepreg zu entwickeln, das mit ultraviolettem Licht (UV) in sechs Minuten lichthärtend ist. Es arbeitete auch mit Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA) zusammen, die die Verwendung einer neuen flexiblen Epoxidfolie vorschlugen.
Frühe Studien haben gezeigt, dass Epoxidharz das am besten geeignete Harz für Carbonfaser-Prepregs ist. UV-härtbare Vinylester und durchscheinende Glasfasern funktionieren gut, härten jedoch nicht unter lichtblockierenden Carbonfasern aus. Basierend auf der neuen Folie von Gougeon Brothers wird das fertige Epoxidharz-Prepreg 1 Stunde lang bei 210 °F/99 °C ausgehärtet und ist bei Raumtemperatur lange haltbar – eine Lagerung bei niedrigen Temperaturen ist nicht erforderlich. Bergen sagte, dass, wenn eine höhere Glasübergangstemperatur (Tg) erforderlich ist, das Harz auch bei einer höheren Temperatur, beispielsweise 350 °F/177 °C, ausgehärtet wird. Beide Prepregs werden in einem tragbaren Reparaturset als Stapel von Prepreg-Flicken geliefert, die in einer Plastikfolienhülle versiegelt sind.
Da das Reparaturset über einen längeren Zeitraum gelagert werden kann, muss Custom Technologies eine Haltbarkeitsstudie durchführen. „Wir haben vier Gehäuse aus Hartplastik gekauft – ein typischer militärischer Typ, der in Transportausrüstung verwendet wird – und in jedes Gehäuse Proben von Epoxidkleber und Vinylester-Prepreg gegeben“, sagte Bergen. Die Kisten wurden dann zum Testen an vier verschiedenen Orten platziert: auf dem Dach der Gougeon Brothers-Fabrik in Michigan, auf dem Dach des Flughafens Maryland, in der Außenanlage im Yucca Valley (Kalifornische Wüste) und im Außenlabor für Korrosionstests im Süden Floridas. Alle Fälle verfügen über Datenlogger, betont Bergen: „Wir entnehmen alle drei Monate Daten- und Materialproben zur Auswertung. Die in den Kisten in Florida und Kalifornien gemessene Höchsttemperatur beträgt 140 °F, was für die meisten Restaurierungsharze gut ist. Es ist eine echte Herausforderung.“ Darüber hinaus testete Gougeon Brothers intern das neu entwickelte reine Epoxidharz. „Proben, die mehrere Monate lang in einem Ofen bei 120 °F platziert wurden, beginnen zu polymerisieren“, sagte Bergen. „Bei den entsprechenden Proben, die bei 110 °F aufbewahrt wurden, verbesserte sich die Harzchemie jedoch nur geringfügig.“
Die Reparatur wurde an der Testplatine und diesem maßstabsgetreuen AMCB-Modell verifiziert, bei dem das gleiche Laminat und Kernmaterial wie bei der ursprünglichen Brücke von Seemann Composites verwendet wurde. Bildquelle: Custom Technologies LLC
Zur Demonstration der Reparaturtechnik muss ein repräsentatives Laminat hergestellt, beschädigt und repariert werden. „In der ersten Phase des Projekts verwendeten wir zunächst kleine 4 x 48-Zoll-Träger und Vierpunkt-Biegetests, um die Durchführbarkeit unseres Reparaturprozesses zu bewerten“, sagte Klein. „Dann sind wir in der zweiten Phase des Projekts auf 12 x 48 Zoll große Platten umgestiegen, haben Lasten aufgebracht, um einen biaxialen Spannungszustand zu erzeugen, der zum Versagen führte, und haben dann die Reparaturleistung bewertet. In der zweiten Phase haben wir auch das von uns erstellte AMCB-Modell „Maintenance“ fertiggestellt.“
Bergen sagte, dass die Testplatte, die zum Nachweis der Reparaturleistung verwendet wurde, aus der gleichen Reihe von Laminaten und Kernmaterialien hergestellt wurde wie AMCB von Seemann Composites, „aber wir haben die Plattendicke basierend auf dem Parallelachsen-Theorem von 0,375 Zoll auf 0,175 Zoll reduziert.“ . Dies ist der Fall. Die Methode wurde zusammen mit den zusätzlichen Elementen der Balkentheorie und der klassischen Laminattheorie [CLT] verwendet, um das Trägheitsmoment und die effektive Steifigkeit des AMCB in Originalgröße mit einem kleineren Demoprodukt zu verknüpfen, das einfacher zu handhaben ist und mehr kostengünstig. Dann haben wir das von XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) entwickelte Finite-Elemente-Analysemodell (FEA) verwendet, um das Design von Strukturreparaturen zu verbessern.“ Das für die Testplatten und das AMCB-Modell verwendete Kohlefasergewebe wurde von Vectorply gekauft und der Balsakern wurde von Core Composites (Bristol, RI, USA) bereitgestellt.
Schritt 1. Diese Testplatte weist einen Lochdurchmesser von 3 Zoll auf, um in der Mitte markierte Schäden zu simulieren und den Umfang zu reparieren. Fotoquelle für alle Schritte: Custom Technologies LLC.
Schritt 2. Entfernen Sie das beschädigte Material mit einem batteriebetriebenen Handschleifer und umschließen Sie das Reparaturpflaster mit einem 12:1-Konus.
„Wir wollen auf dem Testbrett einen höheren Schadensgrad simulieren, als er auf dem Brückendeck im Feld zu sehen wäre“, erklärte Bergen. „Unsere Methode besteht also darin, mit einer Lochsäge ein Loch mit einem Durchmesser von 3 Zoll zu bohren. Anschließend ziehen wir den Pfropfen des beschädigten Materials heraus und bearbeiten mit einem handgeführten Druckluftschleifer einen 12:1-Schal.“
Crane erklärte, dass für die Reparatur von Kohlefaser/Epoxidharz das Prepreg nach dem Entfernen des „beschädigten“ Plattenmaterials und dem Anbringen einer geeigneten Schalung auf Breite und Länge zugeschnitten wird, um der Verjüngung des beschädigten Bereichs zu entsprechen. „Für unser Testpaneel sind vier Lagen Prepreg erforderlich, damit das Reparaturmaterial mit der Oberseite des unbeschädigten Original-Carbonpaneels übereinstimmt. Anschließend werden die drei Deckschichten aus Carbon/Epoxidharz-Prepreg auf das reparierte Teil konzentriert. Jede nachfolgende Schicht erstreckt sich auf allen Seiten der unteren Schicht um 1 Zoll, was eine allmähliche Lastübertragung vom „guten“ umgebenden Material auf den reparierten Bereich ermöglicht.“ Die Gesamtzeit für die Durchführung dieser Reparatur – einschließlich Vorbereitung des Reparaturbereichs, Schneiden und Platzieren des Restaurationsmaterials und Anwendung des Aushärtungsverfahrens – beträgt etwa 2,5 Stunden.
Bei Kohlefaser-/Epoxidharz-Prepregs wird der Reparaturbereich vakuumverpackt und eine Stunde lang bei 210 °F/99 °C mit einem batteriebetriebenen Thermobonder ausgehärtet.
Obwohl die Reparatur von Kohlenstoff/Epoxid einfach und schnell ist, erkannte das Team den Bedarf an einer bequemeren Lösung zur Wiederherstellung der Leistung. Dies führte zur Erforschung ultraviolett (UV) aushärtender Prepregs. „Das Interesse an Sunrez-Vinylesterharzen basiert auf früheren Marineerfahrungen mit dem Firmengründer Mark Livesay“, erklärte Bergen. „Wir haben Sunrez zunächst mit ihrem Vinylester-Prepreg mit einem quasi-isotropen Glasgewebe ausgestattet und die Aushärtungskurve unter verschiedenen Bedingungen bewertet. Da wir außerdem wissen, dass Vinylesterharz nicht wie Epoxidharz eine geeignete Sekundärklebeleistung bietet, sind zusätzliche Anstrengungen erforderlich, um verschiedene Haftvermittler für die Klebeschicht zu bewerten und zu bestimmen, welches für die Anwendung geeignet ist.“
Ein weiteres Problem besteht darin, dass Glasfasern nicht die gleichen mechanischen Eigenschaften wie Kohlenstofffasern bieten können. „Im Vergleich zu Kohlenstoff/Epoxid-Patches wird dieses Problem durch die Verwendung einer zusätzlichen Schicht aus Glas/Vinylester gelöst“, sagte Crane. „Der Grund, warum nur eine zusätzliche Schicht benötigt wird, liegt darin, dass das Glasmaterial ein schwereres Gewebe ist.“ Dadurch entsteht ein geeignetes Pflaster, das auch bei sehr kalten/eiskalten Innenfeldtemperaturen innerhalb von sechs Minuten angebracht und kombiniert werden kann. Aushärten ohne Wärmezufuhr. Crane wies darauf hin, dass diese Reparaturarbeiten innerhalb einer Stunde abgeschlossen werden können.
Beide Patchsysteme wurden vorgeführt und getestet. Bei jeder Reparatur wird die zu beschädigende Stelle markiert (Schritt 1), mit einer Lochsäge erstellt und anschließend mit einem Akku-Handschleifer abgetragen (Schritt 2). Schneiden Sie dann den reparierten Bereich im Verhältnis 12:1 zu. Reinigen Sie die Oberfläche des Schals mit einem Alkoholtupfer (Schritt 3). Als nächstes schneiden Sie das Reparaturpflaster auf eine bestimmte Größe zu, legen es auf die gereinigte Oberfläche (Schritt 4) und verfestigen es mit einer Rolle, um Luftblasen zu entfernen. Bei Glasfaser-/UV-härtenden Vinylester-Prepregs legen Sie dann die Trennschicht auf die reparierte Stelle und härten das Pflaster sechs Minuten lang mit einer kabellosen UV-Lampe aus (Schritt 5). Verwenden Sie bei Kohlefaser-/Epoxidharz-Prepregs einen vorprogrammierten, batteriebetriebenen Ein-Knopf-Thermobonder, um den reparierten Bereich eine Stunde lang bei 99 °C (210 °F) zu vakuumieren und auszuhärten.
Schritt 5. Nachdem Sie die Peeling-Schicht auf die reparierte Stelle aufgetragen haben, härten Sie das Pflaster mit einer kabellosen UV-Lampe 6 Minuten lang aus.
„Dann haben wir Tests durchgeführt, um die Haftfähigkeit des Pflasters und seine Fähigkeit, die Tragfähigkeit der Struktur wiederherzustellen, zu bewerten“, sagte Bergen. „In der ersten Phase müssen wir die einfache Anwendung und die Fähigkeit zur Wiederherstellung von mindestens 75 % der Festigkeit nachweisen. Dies erfolgt durch Vierpunktbiegung an einem 4 x 48 Zoll großen Träger aus Kohlefaser/Epoxidharz und Balsakern nach der Reparatur des simulierten Schadens. Ja. In der zweiten Phase des Projekts wurde ein 12 x 48 Zoll großes Paneel verwendet, das unter komplexen Dehnungsbelastungen Festigkeitsanforderungen von mehr als 90 % aufweisen muss. Wir haben alle diese Anforderungen erfüllt und anschließend die Reparaturmethoden am AMCB-Modell fotografiert. Wie man Infield-Technologie und -Ausrüstung nutzt, um eine visuelle Referenz zu schaffen.“
Ein wichtiger Aspekt des Projekts besteht darin, zu beweisen, dass Anfänger die Reparatur problemlos durchführen können. Aus diesem Grund hatte Bergen eine Idee: „Ich habe versprochen, es unseren beiden technischen Kontakten in der Armee vorzuführen: Dr. Bernard Sia und Ashley Genna. Bei der abschließenden Überprüfung der ersten Phase des Projekts habe ich darum gebeten, keine Reparaturen vorzunehmen. Der erfahrene Ashley führte die Reparatur durch. Mithilfe des von uns bereitgestellten Kits und der Anleitung brachte sie den Flicken an und schloss die Reparatur ohne Probleme ab.“
Abbildung 2: Das batteriebetriebene, vorprogrammierte, batteriebetriebene Thermoklebegerät kann den Kohlefaser-/Epoxidharz-Reparaturflicken auf Knopfdruck aushärten, ohne dass Reparaturkenntnisse oder die Programmierung des Aushärtungszyklus erforderlich sind. Bildquelle: Custom Technologies, LLC
Eine weitere wichtige Entwicklung ist das batteriebetriebene Aushärtungssystem (Abbildung 2). „Durch die Wartung vor Ort steht Ihnen nur Batteriestrom zur Verfügung“, betonte Bergen. „Die gesamte Prozessausrüstung in dem von uns entwickelten Reparaturset ist drahtlos.“ Dazu gehört die batteriebetriebene Thermoklebemaschine, die gemeinsam von Custom Technologies und dem Thermoklebemaschinenlieferanten WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA) entwickelt wurde. „Dieser batteriebetriebene thermische Bonder ist für die vollständige Aushärtung vorprogrammiert, sodass Anfänger den Aushärtungszyklus nicht programmieren müssen“, sagte Crane. „Sie müssen nur einen Knopf drücken, um den richtigen Rampen- und Einweichvorgang abzuschließen.“ Die derzeit verwendeten Batterien können ein Jahr lang halten, bevor sie aufgeladen werden müssen.
Nach Abschluss der zweiten Phase des Projekts bereitet Custom Technologies weitere Verbesserungsvorschläge vor und sammelt Interessen- und Unterstützungsschreiben. „Unser Ziel ist es, diese Technologie auf TRL 8 zu reifen und in die Praxis umzusetzen“, sagte Bergen. „Wir sehen auch Potenzial für nichtmilitärische Anwendungen.“
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 02.09.2021