Das tragbare Kit kann mit UV-härtendem Fiberglas/Vinylester oder Kohlefaser/Epoxid-Prepreg repariert werden, das bei Raumtemperatur gelagert wird, sowie mit batteriebetriebenen Aushärtungsgeräten. #insidemanufacturing #infrastructure
Reparatur mit UV-härtendem Prepreg Obwohl sich die von Custom Technologies LLC für die Infield-Verbundbrücke entwickelte Prepreg-Reparatur mit Kohlefaser/Epoxidharz als einfach und schnell erwies, hat sich durch die Verwendung von glasfaserverstärktem UV-härtendem Vinylesterharz-Prepreg ein komfortableres System entwickelt. Bildquelle: Custom Technologies LLC
Modulare, verlegbare Brücken sind für militärische Operationen und Logistik sowie für die Wiederherstellung der Verkehrsinfrastruktur nach Naturkatastrophen von entscheidender Bedeutung. Verbundstrukturen werden untersucht, um das Gewicht solcher Brücken zu reduzieren und so die Belastung von Transportfahrzeugen und Start- und Bergungsmechanismen zu verringern. Im Vergleich zu Metallbrücken können Verbundwerkstoffe zudem die Tragfähigkeit erhöhen und die Lebensdauer verlängern.
Die Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) ist ein Beispiel dafür. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) und Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) verwenden kohlenstofffaserverstärkte Epoxidlaminate (Abbildung 1). ) Design und Konstruktion). Die Möglichkeit, solche Strukturen vor Ort zu reparieren, war jedoch ein Problem, das die Einführung von Verbundwerkstoffen behinderte.
Abbildung 1: Die Verbundbrücke, ein zentrales Element im Innenfeld, wurde von Seemann Composites LLC und Materials Sciences LLC unter Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Epoxidharz-Verbundwerkstoffen entworfen und gebaut. Bildquelle: Seemann Composites LLC (links) und US Army (rechts).
Custom Technologies LLC (Millersville, Maryland, USA) erhielt 2016 ein von der US-Armee finanziertes Stipendium der Phase 1 des Small Business Innovation Research (SBIR)-Programms, um eine Reparaturmethode zu entwickeln, die von Soldaten vor Ort erfolgreich durchgeführt werden kann. Basierend auf diesem Ansatz wurde 2018 die zweite Phase des SBIR-Stipendiums vergeben, um neue Materialien und batteriebetriebene Geräte vorzustellen. Selbst wenn die Reparatur von einem Laien ohne vorherige Schulung durchgeführt wird, können mindestens 90 % der Strukturfestigkeit wiederhergestellt werden. Die Machbarkeit der Technologie wird durch eine Reihe von Analysen, Materialauswahl, Probenherstellung und mechanischen Tests sowie durch kleine und große Reparaturen ermittelt.
Der Hauptforscher in den beiden SBIR-Phasen ist Michael Bergen, Gründer und Präsident von Custom Technologies LLC. Bergen schied aus Carderock am Naval Surface Warfare Center (NSWC) aus und diente 27 Jahre lang in der Abteilung für Strukturen und Materialien, wo er die Entwicklung und Anwendung von Verbundtechnologien in der Flotte der US Navy leitete. Dr. Roger Crane kam 2015 zu Custom Technologies, nachdem er 2011 aus der US Navy ausgeschieden war und dort 32 Jahre lang gedient hatte. Seine Expertise im Bereich Verbundwerkstoffe umfasst technische Veröffentlichungen und Patente zu Themen wie neuen Verbundwerkstoffen, Prototypenherstellung, Verbindungsmethoden, multifunktionalen Verbundwerkstoffen, Strukturüberwachung und Verbundwerkstoffrestaurierung.
Die beiden Experten haben ein einzigartiges Verfahren entwickelt, das Verbundwerkstoffe zur Reparatur von Rissen in der Aluminium-Überstruktur des Lenkwaffenkreuzers 5456 der Ticonderoga CG-47-Klasse verwendet. „Das Verfahren wurde entwickelt, um das Risswachstum zu reduzieren und eine kostengünstige Alternative zum 2 bis 4 Millionen Dollar teuren Austausch einer Plattformplatte zu bieten“, sagte Bergen. „Damit haben wir bewiesen, dass wir Reparaturen außerhalb des Labors und in einer realen Einsatzumgebung durchführen können. Die Herausforderung besteht jedoch darin, dass die derzeitigen Methoden für militärische Anlagen nicht sehr erfolgreich sind. Die Alternative besteht in der Reparatur durch geklebte Duplex-Verbindungen [im Wesentlichen wird eine Platte auf die beschädigten Bereiche geklebt] oder in der Stilllegung der Anlage für Reparaturen auf Lagerebene (D-Ebene). Da Reparaturen auf D-Ebene erforderlich sind, werden viele Anlagen außer Betrieb genommen.“
Er führte weiter aus, dass eine Methode benötigt werde, die auch von Soldaten ohne Erfahrung mit Verbundwerkstoffen mithilfe von Bausätzen und Wartungshandbüchern durchgeführt werden könne. Unser Ziel sei es, den Prozess zu vereinfachen: Handbuch lesen, Schaden beurteilen und Reparaturen durchführen. Wir wollen keine flüssigen Harze anmischen, da dies genaue Messungen erfordert, um eine vollständige Aushärtung zu gewährleisten. Außerdem benötigen wir ein System, das nach Abschluss der Reparaturen keine gefährlichen Abfälle erzeugt. Und es muss als Bausatz verpackt sein, der im bestehenden Netzwerk eingesetzt werden kann.
Eine von Custom Technologies erfolgreich vorgeführte Lösung ist ein tragbares Kit, das einen gehärteten Epoxidkleber verwendet, um den selbstklebenden Verbundflicken je nach Größe des Schadens (bis zu 12 Quadratzoll) anzupassen. Die Vorführung wurde an einem Verbundmaterial durchgeführt, das ein 3 Zoll dickes AMCB-Deck darstellt. Das Verbundmaterial hat einen 3 Zoll dicken Balsaholzkern (Dichte 15 Pfund pro Kubikfuß) und zwei Lagen Vectorply (Phoenix, Arizona, USA) C-LT 1100 Kohlefaser 0°/90° biaxial genähtes Gewebe, eine Lage C-TLX 1900 Kohlefaser 0°/+45°/-45° drei Schäfte und zwei Lagen C-LT 1100, insgesamt fünf Lagen. „Wir haben entschieden, dass das Kit vorgefertigte Flicken in einem quasi-isotropen Laminat ähnlich einem Mehrachsenlaminat verwendet, sodass die Geweberichtung kein Problem darstellt“, sagte Crane.
Das nächste Problem ist die für die Laminatreparatur verwendete Harzmatrix. Um das Einmischen von flüssigem Harz zu vermeiden, wird für den Flicken Prepreg verwendet. „Die Herausforderungen liegen jedoch in der Lagerung“, erklärte Bergen. Um eine lagerfähige Flickenlösung zu entwickeln, hat Custom Technologies mit der Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornien, USA) zusammengearbeitet, um ein Glasfaser-/Vinylester-Prepreg zu entwickeln, das mit ultraviolettem Licht (UV) innerhalb von sechs Minuten aushärtet. Darüber hinaus kooperierte das Unternehmen mit Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), die die Verwendung einer neuen flexiblen Epoxidfolie vorschlugen.
Erste Studien haben gezeigt, dass Epoxidharz das am besten geeignete Harz für Kohlefaser-Prepregs ist. UV-härtende Vinylester und transluzente Glasfasern eignen sich gut, härten aber unter lichtundurchlässiger Kohlefaser nicht aus. Basierend auf der neuen Folie von Gougeon Brothers wird das fertige Epoxid-Prepreg eine Stunde lang bei 99 °C ausgehärtet und ist bei Raumtemperatur lange haltbar – eine Lagerung bei niedrigen Temperaturen ist nicht erforderlich. Bergen erklärte, dass das Harz bei Bedarf einer höheren Glasübergangstemperatur (Tg) auch bei einer höheren Temperatur, beispielsweise 177 °C, ausgehärtet wird. Beide Prepregs werden in einem tragbaren Reparaturset als Stapel von Prepreg-Flicken in einer Kunststofffolienhülle geliefert.
Da das Reparaturset möglicherweise lange gelagert wird, musste Custom Technologies eine Haltbarkeitsstudie durchführen. „Wir kauften vier Hartplastikgehäuse – ein typisches Militärmodell, das in Transportausrüstung verwendet wird – und füllten jedes Gehäuse mit Proben von Epoxidkleber und Vinylester-Prepreg“, so Bergen. Die Kästen wurden dann zu Tests an vier verschiedenen Orten aufgestellt: auf dem Dach der Fabrik von Gougeon Brothers in Michigan, auf dem Dach des Flughafens von Maryland, in der Außenanlage im Yucca Valley (in der kalifornischen Wüste) und im Korrosionsprüflabor im Freien in Südflorida. Alle Kästen sind mit Datenloggern ausgestattet, erklärt Bergen. „Wir entnehmen alle drei Monate Daten und Materialproben zur Auswertung. Die in den Kästen in Florida und Kalifornien gemessene Maximaltemperatur beträgt 140 °F, was für die meisten Restaurationsharze in Ordnung ist. Das 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 liegen, beginnen zu polymerisieren“, sagte Bergen. „Bei den entsprechenden Proben, die bei 43 °C aufbewahrt wurden, verbesserte sich die Harzchemie jedoch nur geringfügig.“
Die Reparatur wurde anhand des Testbretts und dieses maßstabsgetreuen Modells der AMCB verifiziert. Dabei wurde dasselbe Laminat und Kernmaterial wie bei der Originalbrücke von Seemann Composites verwendet. Bildquelle: Custom Technologies LLC
Um die Reparaturtechnik zu demonstrieren, muss ein repräsentatives Laminat hergestellt, beschädigt und repariert werden. „In der ersten Projektphase nutzten wir zunächst kleine 4 x 48 Zoll große Balken und führten Vierpunktbiegeversuche durch, um die Durchführbarkeit unseres Reparaturverfahrens zu prüfen“, so Klein. „In der zweiten Projektphase wechselten wir dann zu 12 x 48 Zoll großen Platten, erzeugten durch Belastung einen zweiachsigen Spannungszustand und führten so zum Versagen. Anschließend bewerteten wir die Reparaturleistung. In der zweiten Phase stellten wir auch das von uns erstellte AMCB-Modell für die Wartung fertig.“
Bergen sagte, dass das zum Nachweis der Reparaturleistung verwendete Testpanel aus denselben Laminaten und Kernmaterialien hergestellt wurde wie das von Seemann Composites produzierte AMCB, „aber wir haben basierend auf dem Theorem der parallelen Achsen die Paneldicke von 0,375 Zoll auf 0,175 Zoll reduziert. Das ist der Fall. Diese Methode wurde zusammen mit 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 und kostengünstiger ist. Dann haben wir das von XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) entwickelte Modell der Finite-Elemente-Analyse [FEA] verwendet, um die Konstruktion der Strukturreparaturen zu verbessern.“ Das für die Testpanels und das AMCB-Modell verwendete Kohlefasergewebe wurde von Vectorply bezogen, und der Balsakern wurde von Core Composites (Bristol, RI, USA) bereitgestellt.
Schritt 1. Dieses Testpanel weist ein Loch mit einem Durchmesser von 7,5 cm auf, um einen Schaden in der Mitte zu simulieren und den Umfang zu reparieren. Bildquelle für alle Schritte: Custom Technologies LLC.
Schritt 2. Entfernen Sie mit einem akkubetriebenen Handschleifer das beschädigte Material und umschließen Sie den Reparaturflicken mit einem 12:1-Konus.
„Wir wollen auf dem Testbrett einen größeren Schaden simulieren, als er auf dem Brückendeck im Feld auftreten könnte“, erklärte Bergen. „Unsere Methode besteht darin, mit einer Lochsäge ein Loch mit einem Durchmesser von 7,5 cm zu bohren. Anschließend entfernen wir den beschädigten Materialstopfen und bearbeiten ihn mit einem handgeführten Druckluftschleifer mit einer 12:1-Schrägfläche.“
Crane erklärte, dass bei einer Carbonfaser-/Epoxid-Reparatur das Prepreg nach dem Entfernen des beschädigten Plattenmaterials und dem Anbringen einer geeigneten Schälung auf die gewünschte Breite und Länge zugeschnitten wird, um der Verjüngung des beschädigten Bereichs zu entsprechen. „Für unsere Testplatte sind hierfür vier Lagen Prepreg erforderlich, damit das Reparaturmaterial mit der Oberseite der unbeschädigten Carbonplatte übereinstimmt. Anschließend werden die drei Decklagen Carbon-/Epoxid-Prepreg auf dem reparierten Teil konzentriert. Jede weitere Lage überragt die untere Schicht um 2,5 cm, wodurch eine gleichmäßige Kraftübertragung vom intakten umgebenden Material auf den reparierten Bereich gewährleistet wird.“ Die Gesamtdauer dieser Reparatur – einschließlich Vorbereitung der Reparaturstelle, Zuschneiden und Auftragen des Reparaturmaterials sowie Aushärtung – beträgt etwa 2,5 Stunden.
Bei Kohlefaser-/Epoxid-Prepreg wird der Reparaturbereich vakuumverpackt und mit einem batteriebetriebenen Thermobonder eine Stunde lang bei 210 °F/99 °C ausgehärtet.
Obwohl die Reparatur von Carbon-/Epoxidharzen einfach und schnell ist, erkannte das Team den Bedarf an einer komfortableren Lösung zur Wiederherstellung der Leistung. Dies führte zur Erforschung von UV-härtenden Prepregs. „Das Interesse an Sunrez-Vinylesterharzen beruht auf früheren Erfahrungen des Firmengründers Mark Livesay im Marinebereich“, erklärte Bergen. „Wir haben Sunrez zunächst ein quasi-isotropes Glasgewebe aus ihrem Vinylester-Prepreg bereitgestellt und die Aushärtungskurve unter verschiedenen Bedingungen ausgewertet. Da Vinylesterharz zudem im Gegensatz zu Epoxidharz keine geeignete Sekundärhaftung bietet, sind weitere Anstrengungen erforderlich, um verschiedene Haftvermittler für die Haftschicht zu evaluieren und den für die Anwendung geeigneten zu bestimmen.“
Ein weiteres Problem besteht darin, dass Glasfasern nicht die gleichen mechanischen Eigenschaften wie Kohlenstofffasern bieten. „Im Vergleich zu Kohlenstoff-/Epoxid-Flicken wird dieses Problem durch eine zusätzliche Schicht aus Glas-/Vinylester gelöst“, sagte Crane. „Der Grund, warum nur eine zusätzliche Schicht erforderlich ist, liegt darin, dass Glas ein schwereres Gewebe ist.“ Dadurch entsteht ein geeigneter Flicken, der selbst bei sehr kalten bis eisigen Temperaturen im Feld innerhalb von sechs Minuten angebracht und verbunden werden kann. Er härtet ohne Wärmezufuhr aus. Crane betonte, dass diese Reparaturarbeiten innerhalb einer Stunde abgeschlossen sein können.
Beide Flickensysteme wurden vorgeführt und getestet. Für jede Reparatur wird der zu beschädigende Bereich markiert (Schritt 1), mit einer Lochsäge erstellt und dann mit einem akkubetriebenen Handschleifer entfernt (Schritt 2). Anschließend wird der reparierte Bereich im Verhältnis 12:1 verjüngt. Die Oberfläche des Schals mit einem Alkoholtupfer reinigen (Schritt 3). Anschließend wird der Reparaturflicken auf die gewünschte Größe zugeschnitten, auf die gereinigte Oberfläche gelegt (Schritt 4) und mit einer Rolle festgedrückt, um Luftblasen zu entfernen. Bei Glasfaser-/UV-härtendem Vinylester-Prepreg wird die Trennschicht auf die reparierte Stelle gelegt und der Flicken sechs Minuten lang mit einer kabellosen UV-Lampe ausgehärtet (Schritt 5). Bei Kohlefaser-/Epoxid-Prepreg wird der reparierte Bereich mit einem vorprogrammierten, akkubetriebenen Thermobonder mit Ein-Knopf-Bedienung vakuumverpackt und eine Stunde lang bei 210 °F/99 °C ausgehärtet.
Schritt 5. Nachdem Sie die Abziehschicht auf die reparierte Stelle aufgetragen haben, härten Sie den Flicken 6 Minuten lang mit einer kabellosen UV-Lampe aus.
„Anschließend führten wir Tests durch, um die Haftfähigkeit des Flickens und seine Fähigkeit, die Tragfähigkeit der Struktur wiederherzustellen, zu bewerten“, sagte Bergen. „In der ersten Phase mussten wir die einfache Anwendung und die Fähigkeit, mindestens 75 % der Festigkeit wiederherzustellen, nachweisen. Dies erfolgte durch Vierpunktbiegung an einem 4 x 48 Zoll großen Träger aus Kohlefaser/Epoxidharz und Balsakern nach der Reparatur des simulierten Schadens. In der zweiten Projektphase wurde eine 12 x 48 Zoll große Platte verwendet, die unter komplexen Dehnungsbelastungen eine Festigkeit von über 90 % aufweisen musste. Wir haben alle diese Anforderungen erfüllt und anschließend die Reparaturmethoden am AMCB-Modell fotografiert. Wie man Feldtechnologie und -ausrüstung nutzt, um eine visuelle Referenz zu schaffen.“
Ein wichtiger Aspekt des Projekts ist es, zu beweisen, dass auch Laien die Reparatur problemlos durchführen können. Deshalb hatte Bergen eine Idee: „Ich habe unseren beiden technischen Ansprechpartnern in der Armee, Dr. Bernard Sia und Ashley Genna, versprochen, es ihnen zu demonstrieren. Bei der abschließenden Überprüfung der ersten Projektphase habe ich darum gebeten, keine Reparaturen durchzuführen. Die erfahrene Ashley führte die Reparatur durch. Mithilfe des von uns bereitgestellten Kits und Handbuchs brachte sie den Flicken an und schloss die Reparatur problemlos ab.“
Abbildung 2: Die batteriebetriebene, vorprogrammierte Thermoklebemaschine kann den Reparaturflicken aus Kohlefaser/Epoxid auf Knopfdruck aushärten, ohne dass Reparaturkenntnisse oder die Programmierung eines Aushärtungszyklus erforderlich sind. Bildquelle: Custom Technologies, LLC
Eine weitere wichtige Entwicklung ist das batteriebetriebene Aushärtungssystem (Abbildung 2). „Bei der Wartung vor Ort wird ausschließlich Batteriestrom benötigt“, betonte Bergen. „Die gesamte Prozessausrüstung in unserem Reparaturkit ist kabellos.“ Dazu gehört auch die batteriebetriebene Thermobonding-Maschine, die gemeinsam von Custom Technologies und dem Thermobonding-Maschinenlieferanten WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA) entwickelt wurde. „Dieser batteriebetriebene Thermobonder ist für die vollständige Aushärtung vorprogrammiert, sodass Anfänger den Aushärtungszyklus nicht selbst programmieren müssen“, sagte Crane. „Sie müssen lediglich einen Knopf drücken, um die richtige Rampe und Einweichzeit zu absolvieren.“ Die derzeit verwendeten Batterien halten ein Jahr, bevor sie wieder aufgeladen werden müssen.
Nach Abschluss der zweiten Projektphase bereitet Custom Technologies weitere Verbesserungsvorschläge vor und sammelt Interessenbekundungen sowie Unterstützungsschreiben. „Unser Ziel ist es, diese Technologie auf TRL 8 zu bringen und praxistauglich zu machen“, sagte Bergen. „Wir sehen auch Potenzial für nichtmilitärische Anwendungen.“
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Beitragszeit: 02.09.2021