Das tragbare Kit kann mit UV-härteren Glasfaser-/Vinylester- oder Kohlefaser-/Epoxid-Prepreg-Speichern repariert werden, die bei Raumtemperatur und batteriebetriebenen Ausrüstungsgeräten gespeichert sind. #Insideamerufferen #infrastruktur
Reparatur von UV-härterem Prepreg-Patch Obwohl die von Custom Technologies LLC für die Infield Composite-Verbundbrücke entwickelte Carbonfaser/Epoxid-Prepreg . Bildquelle: benutzerdefinierte Technologies LLC
Modulare Einsatzbrücken sind kritische Vermögenswerte für militärische taktische Operationen und Logistik sowie die Wiederherstellung der Transportinfrastruktur bei Naturkatastrostern. Verbundstrukturen werden untersucht, um das Gewicht solcher Brücken zu verringern, wodurch die Belastung der Transportfahrzeuge und der Start-Recovery-Mechanismen verringert wird. Im Vergleich zu Metallbrücken können Verbundwerkstoffe auch die Ladungskapazität erhöhen und die Lebensdauer verlängern.
Die erweiterte modulare Verbundbrücke (AMCB) ist ein Beispiel. Seemann Composite LLC (Gulfport, Mississippi, USA) und Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) verwenden epoxy-Laminate, die mit Kohlefasern verstärkt wurden (Abbildung 1). ) Design und Konstruktion). Die Fähigkeit, solche Strukturen vor Ort zu reparieren, war jedoch ein Problem, das die Einführung von Verbundwerkstoffen behindert.
Abbildung 1 Verbundbrücke, wichtige Infield Asset Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) wurde von Seemann Compositen LLC und Materials Sciences LLC unter Verwendung von Kohlenstofffaser -verstärkten Epoxidharz -Verbundwerkstoffen entworfen und konstruiert. Bildquelle: Seeman Composites LLC (links) und die US -Armee (rechts).
Im Jahr 2016 erhielt Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) ein Phase-1-Stipendium für die von der Armee finanzierte Small Business Innovation Research (SBIR), um eine Reparaturmethode zu entwickeln, die von Soldaten erfolgreich vor Ort durchgeführt werden kann. Basierend auf diesem Ansatz wurde die zweite Phase des SBIR-Stipendium Stärke. Die Machbarkeit der Technologie wird durch Ausführen einer Reihe von Analyse-, Materialauswahl-, Probenherstellungs- und mechanischen Testaufgaben sowie durch Reparaturen kleiner Maßstäbe und umfassende Reparaturen bestimmt.
Der Hauptforscher in den beiden SBIR -Phasen ist Michael Bergen, der Gründer und Präsident von Custom Technologies LLC. Bergen zog sich aus Carderock vom Marine Surface Warfare Center (NSWC) zurück und diente 27 Jahre lang in der Abteilung für Strukturen und Materialien, wo er die Entwicklung und Anwendung von zusammengesetzten Technologien in der Flotte der US -Marine leitete. Dr. Roger Crane kam 2015 zu Custom Technologies, nachdem er sich 2011 von der US -Marine zurückgezogen hatte und seit 32 Jahren tätig ist. Sein Expertise für Verbundwerkstoffe umfasst technische Veröffentlichungen und Patente, die Themen wie neue Verbundwerkstoffe, Prototypenherstellung, Verbindungsmethoden, multifunktionale Verbundwerkstoffe, strukturelle Gesundheitsüberwachung und Verbundmaterialrestauration abdecken.
Die beiden Experten haben ein einzigartiges Verfahren entwickelt, das zusammengesetzte Materialien zum Reparieren der Risse im Aluminium-Aufbau der Ticonderoga CG-47-Lenkwaren-Raketenkreuzer 5456 repariert. „Der Prozess wurde entwickelt, um das Wachstum von Rissen zu verringern und als wirtschaftliche Alternative zu dienen zum Ersatz eines Plattformausschusses von 2 bis 4 Millionen Dollar “, sagte Bergen. „Wir haben also bewiesen, dass wir wissen, wie wir Reparaturen außerhalb des Labors und in einer realen Serviceumgebung durchführen können. Die Herausforderung besteht jedoch darin, dass aktuelle militärische Vermögensmethoden nicht sehr erfolgreich sind. Die Option ist die Reparatur von Duplex-Reparaturen (im Grunde genommen in beschädigten Bereichen kleben Sie eine Platine nach oben] oder entfernen Sie den Vermögenswert vom Service für Lagerhause-Level-Reparaturen (D-Level). Da Reparaturen auf D-Level erforderlich sind, werden viele Vermögenswerte beiseite gelegt. “
Er fuhr fort, dass es eine Methode ist, die von Soldaten ohne Erfahrung in Verbundwerkstoffen durchgeführt werden kann, die nur Kits und Wartungshandbücher verwendet werden. Unser Ziel ist es, den Prozess einfach zu machen: Lesen Sie das Handbuch, bewerten Sie die Schäden und führen Sie Reparaturen durch. Wir möchten keine flüssigen Harze mischen, da dies eine genaue Messung erfordert, um eine vollständige Heilung zu gewährleisten. Wir brauchen auch ein System ohne gefährliche Abfall nach Abschluss der Reparaturen. Und es muss als Kit verpackt werden, das vom vorhandenen Netzwerk bereitgestellt werden kann. ”
Eine Lösung, die benutzerdefinierte Technologien erfolgreich demonstriert haben, ist ein tragbares Kit, das ein hartgesottenes Epoxidklebstoff verwendet, um den klebenden Verbundstoff entsprechend der Größe des Schadens (bis zu 12 Quadratzoll) anzupassen. Die Demonstration wurde an einem Verbundmaterial abgeschlossen, das ein 3-Zoll-dicker AMCB-Deck darstellt. Das Verbundmaterial hat einen 3 -Zoll -dicken Balssaholzkern (15 Pfund pro kubischer Fußdichte) und zwei Schichten VectorPly (Phoenix, Arizona, USA) c -Lt 1100 Kohlefaser 0 °/90 ° Bixialgenäht, eine Schicht von C-TLX 1900 Kohlefaser 0 °/+45 °/-45 ° Drei Wellen und zwei Schichten C-LT 1100, insgesamt fünf Schichten. "Wir haben beschlossen, dass das Kit vorgefertigte Patches in einem quasi-isotropen Laminat verwendet wird, das einer mehreren Achse ähnelt, so dass die Stoffrichtung kein Problem ist", sagte Crane.
Das nächste Problem ist die Harzmatrix, die für die Laminatreparatur verwendet wird. Um das Mischen von Flüssigkeitsharz zu vermeiden, verwendet der Patch Prepreg. "Diese Herausforderungen sind jedoch die Lagerung", erklärte Bergen. Um eine aufgestellte Patch -Lösung zu entwickeln, hat Custom Technologies eine Partnerschaft mit Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornien, USA) entwickelt, um ein Glasfaser/Vinylester -Prepreg zu entwickeln, das in sechs Minuten Lichthärtung ultraviolettes Licht (UV) verwenden kann. Es arbeitete auch mit Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA) zusammen, was die Verwendung eines neuen flexiblen Epoxidfilms vorschlug.
Frühe Studien haben gezeigt, dass Epoxidharz das am besten geeignete Harz für Kohlefaser-Prepregs-UV-härtliche Vinylester und durchscheinende Glasfaser-Funktionen ist, aber nicht unter lichtblockierende Kohlefaser heilen. Basierend auf dem neuen Film von Gougeon Brothers wird der endgültige Epoxid-Prepreg 1 Stunde bei 210 ° F/99 ° C geheilt und hat eine lange Haltbarkeit bei Raumtemperatur-und es ist nicht erforderlich. Bergen sagte, wenn eine höhere Glasübergangstemperatur (TG) erforderlich ist, wird das Harz auch bei einer höheren Temperatur wie 350 ° F/177 ° C geheilt. Beide Prepregs sind in einem tragbaren Reparaturkit als Stapel Prepreg -Patches in einem Kunststofffilmumschlag bereitgestellt.
Da das Reparaturset für lange Zeit gespeichert werden kann, sind benutzerdefinierte Technologien erforderlich, um eine Haltbarkeitsstudie durchzuführen. „Wir haben vier harte Plastikgehäuse gekauft - einen typischen militärischen Typ, der in Transportausrüstung verwendet wird - und Proben von Epoxidkleber und Vinylester -Prepreg in jedes Gehäuse eingefügt“, sagte Bergen. Die Kisten wurden dann an vier verschiedenen Orten zum Testen platziert: das Dach der Gougeon Brothers Factory in Michigan, das Dach des Flughafens Maryland, die Outdoor -Einrichtung im Yucca Valley (kalifornische Wüste) und das Outdoor -Korrosionstestlabor in Südflorida. Alle Fälle haben Datenlogger, wie Bergen darauf hinweist: „Wir nehmen alle drei Monate Daten und Materialproben zur Bewertung. Die in den Kisten in Florida und Kalifornien aufgezeichnete maximale Temperatur beträgt 140 ° F, was für die meisten Restaurierungsharze gut ist. Es ist eine echte Herausforderung. “ Darüber hinaus testeten Gougeon Brothers das neu entwickelte reine Epoxidharz intern. "Proben, die seit mehreren Monaten in einem Ofen bei 120 ° F platziert wurden, beginnen zu polymerisieren", sagte Bergen. "Für die entsprechenden Proben, die bei 110 ° F gehalten wurden, verbesserte sich die Harzchemie jedoch nur um eine geringe Menge."
Die Reparatur wurde auf der Testplatine und dieses Skalenmodell von AMCB verifiziert, das dasselbe Laminat und Kernmaterial wie die ursprüngliche Brücke verwendete, die von Seemann -Verbundwerkstoffen erstellt wurde. Bildquelle: benutzerdefinierte Technologies LLC
Um die Reparaturtechnik zu demonstrieren, muss ein repräsentatives Laminat hergestellt, beschädigt und repariert werden. "In der ersten Phase des Projekts haben wir zunächst kleine 4 x 48-Zoll-Strahlen und Vier-Punkte-Biegetests verwendet, um die Machbarkeit unseres Reparaturprozesses zu bewerten", sagte Klein. „Dann haben wir in der zweiten Phase des Projekts auf 12 x 48 Zoll Panels übergegangen, Lasten angelegt, um einen biaxialen Spannungszustand zu erzeugen, um einen Ausfall zu verursachen, und dann die Reparaturleistung bewertet. In der zweiten Phase haben wir auch das AMCB -Modell abgeschlossen, das wir Wartung erstellt haben. “
Bergen sagte, dass das Testpanel, das verwendet wurde, um die Reparaturleistung unter Verwendung derselben Linie von Laminaten und Kernmaterialien zu beweisen wie AMCB, die von Seemann -Verbundwerkstoffen hergestellt wurden. . Dies ist der Fall. Die Methode wurde zusammen mit den zusätzlichen Elementen der Strahltheorie und der klassischen Laminattheorie [CLT] verwendet, um das Trägheitsmoment und die wirksame Steifheit der vollwertigen AMCB mit einem kleineren Demo-Produkt zu verknüpfen, das leichter zu handhaben ist und mehr kostengünstig. Anschließend wurde das von Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) entwickelte Finite -Elemente -Modell [FEA] verwendet, um das Design struktureller Reparaturen zu verbessern. “ Das für die Testpaneele und das AMCB -Modell verwendete Kohlefasergewebe wurde von Vectorply gekauft, und der Balsa -Kern wurde von Kernverbundwerkstoffen (Bristol, RI, USA) bereitgestellt.
Schritt 1. In diesem Testfeld wird ein 3 -Zoll -Lochdurchmesser angezeigt, um den in der Mitte gekennzeichneten Schäden zu simulieren und den Umfang zu reparieren. Fotoquelle für alle Schritte: benutzerdefinierte Technologies LLC.
Schritt 2. Verwenden Sie eine batteriebetriebene Handschühle, um das beschädigte Material zu entfernen und das Reparaturpflaster mit einer 12: 1-Verjüngung beizusetzen.
"Wir wollen einen höheren Schadensgrad auf der Testkarte simulieren, als auf dem Brückendeck im Feld zu sehen sein könnte", erklärte Bergen. „Unsere Methode besteht also darin, eine Lochsäge zu verwenden, um ein 3-Zoll-Durchmesserloch zu erstellen. Dann ziehen wir den Stecker des beschädigten Materials heraus und verwenden einen handgehaltenen pneumatischen Mühle, um einen 12: 1-Schal zu verarbeiten. “
Crane erklärte, dass bei der Reparatur von Kohlefaser/Epoxid -Reparatur das „beschädigte“ Panelmaterial entfernt und ein geeigneter Schal angelegt wird, das Prepreg auf Breite und Länge geschnitten wird, um der Verjüngung des beschädigten Bereichs zu entsprechen. „Für unser Testfeld erfordert dies vier Schichten Prepreg, um das Reparaturmaterial mit der Oberseite des ursprünglichen, unbeschädigten Kohlenstoffpanels übereinzustimmen. Danach konzentrieren sich die drei Abdeckschichten von Kohlenstoff/Epoxid -Prepreg auf das reparierte Teil. Jede aufeinanderfolgende Schicht erstreckt sich auf allen Seiten der unteren Schicht 1 Zoll, was eine allmähliche Lastübertragung vom „guten“ umgebenden Material in den reparierten Bereich bietet. “ Die Gesamtzeit für die Vorbereitung des Reparaturbereichs in der Reparatur, die das Wiederherstellungsmaterial schneiden und platziert und das Aushärtungsverfahren 2,5 Stunden anwendet.
Für Kohlefaser/Epoxid-Prepreg ist der Reparaturbereich vakuumverpackt und für eine Stunde bei 210 ° F/99 ° C unter Verwendung eines batteriebetriebenen thermischen Baueres für eine Stunde geheilt.
Obwohl die Carbon/Epoxy -Reparatur einfach und schnell ist, erkannte das Team die Notwendigkeit einer bequemeren Lösung zur Wiederherstellung der Leistung. Dies führte zur Erforschung von Ultravioletten (UV) -Hinungsvorregungen. "Das Interesse an Sunrez Vinylesterharzen basiert auf früheren Marineerfahrungen mit dem Gründer des Unternehmens Mark Livesay", erklärte Bergen. „Wir haben Sunrez zum ersten Mal ein quasi-isotropes Glasgewebe versorgt, wobei wir ihre Vinylester-Prepreg unter Verwendung des Vinylester-Vorgangs untersuchten, und die Aushärtungskurve unter verschiedenen Bedingungen bewertet. Da wir wissen, dass Vinylesterharz nicht wie Epoxidharz ist, das eine geeignete sekundäre Adhäsionsleistung liefert. Daher sind zusätzliche Anstrengungen erforderlich, um verschiedene Kopplungsmittel der Kleberschicht zu bewerten und zu bestimmen, welche für die Anwendung geeignet sind. “
Ein weiteres Problem ist, dass Glasfasern nicht die gleichen mechanischen Eigenschaften wie Kohlenstofffasern liefern können. "Im Vergleich zum Kohlenstoff-/Epoxy -Patch wird dieses Problem unter Verwendung einer zusätzlichen Schicht aus Glas/Vinylester gelöst", sagte Crane. "Der Grund, warum nur eine zusätzliche Schicht benötigt wird, ist, dass das Glasmaterial ein schwererer Stoff ist." Dies erzeugt ein geeignetes Pflaster, das auch bei sehr kalten/eiskalten Infield -Temperaturen innerhalb von sechs Minuten angewendet und kombiniert werden kann. Härten ohne Wärme. Crane wies darauf hin, dass diese Reparaturarbeiten innerhalb einer Stunde abgeschlossen werden können.
Beide Patch -Systeme wurden demonstriert und getestet. Für jede Reparatur ist der zu beschädigende Bereich markiert (Schritt 1), erzeugt mit einer Lochsäge und dann mit einem batteriebetriebenen manuellen Schleifer entfernt (Schritt 2). Schneiden Sie dann den reparierten Bereich in eine 12: 1 -Verjüngung. Reinigen Sie die Oberfläche des Schals mit einem Alkoholpolster (Schritt 3). Schneiden Sie als nächstes den Reparaturpflaster auf eine bestimmte Größe, legen Sie ihn auf die gereinigte Oberfläche (Schritt 4) und konsolidieren Sie ihn mit einer Walze, um Luftblasen zu entfernen. Für Glasfaser/UV-Härte-Vinylester-Präparat platzieren Sie die Freisetzungsschicht auf den reparierten Bereich und heilen Sie das Pflaster sechs Minuten lang mit einer kabellosen UV-Lampe (Schritt 5). Verwenden Sie für Carbon Faser/Epoxy Prepreg einen vorprogrammierten, batteriebetriebenen thermischen Bauer, um den reparierten Bereich bei 210 ° F/99 ° C für eine Stunde zu saugen.
Schritt 5. Verwenden Sie nach dem Platzieren der Schälenschicht auf den reparierten Bereich eine kabellose UV -Lampe, um den Patch 6 Minuten lang zu heilen.
"Dann haben wir Tests durchgeführt, um die Haftfähigkeit des Patches und seine Fähigkeit zur Wiederherstellung der tragenden Kapazität der Struktur zu bewerten", sagte Bergen. „In der ersten Stufe müssen wir die einfache Anwendung und die Fähigkeit beweisen, mindestens 75% der Stärke wiederzugewinnen. Dies geschieht durch Biegen von Vierpunkten auf einem 4 x 48 Zoll großen Kohlefaser/Epoxidharz und einem Balsa-Kernstrahl nach Reparatur des simulierten Schadens. Ja. Die zweite Phase des Projekts verwendete ein 12 x 48 -Zoll -Feld und muss bei komplexen Dehnungslasten mehr als 90% Festigkeitsanforderungen aufweisen. Wir haben all diese Anforderungen erfüllt und dann die Reparaturmethoden auf dem AMCB -Modell fotografiert. So verwenden Sie die Infield -Technologie und -geräte, um eine visuelle Referenz zu liefern. “
Ein wesentlicher Aspekt des Projekts besteht darin, zu beweisen, dass Anfänger die Reparatur problemlos abschließen können. Aus diesem Grund hatte Bergen eine Idee: „Ich habe versprochen, unseren beiden technischen Kontakten in der Armee zu demonstrieren: Dr. Bernard Sia und Ashley Genna. In der endgültigen Überprüfung der ersten Phase des Projekts habe ich keine Reparaturen gebeten. Erfahrene Ashley führte die Reparatur durch. Mit dem von uns bereitgestellten Kit und Handbuch setzte sie den Patch an und schloss die Reparatur ohne Probleme ab. “
Abbildung 2 Die vorprogrammierte, batteriebetriebene Härtung, batteriebetriebene thermische Bindungsmaschine kann das Kohlefaser-/Epoxid-Reparatur-Patch an einem Knopfdruck heilen, ohne dass Reparaturwissen oder Härtungszyklusprogrammierung erforderlich ist. Bildquelle: benutzerdefinierte Technologies, LLC
Eine weitere wichtige Entwicklung ist das batteriebetriebene Härtungssystem (Abbildung 2). „Durch die Wartung in der Innenfeld haben Sie nur Batteriestrom“, betonte Bergen. "Alle Prozessgeräte im von uns entwickelten Reparaturkit sind drahtlos." Dies umfasst batteriebetriebene thermische Bindung, die gemeinsam von benutzerdefinierten Technologien und Thermal-Bonding-Maschinenlieferant Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA) entwickelt wurden. "Dieser batteriebetriebene thermische Bauer ist vorprogrammiert, um die Aushärtung abzuschließen, sodass Anfänger den Härtungszyklus nicht programmieren müssen", sagte Crane. "Sie müssen nur eine Taste drücken, um die richtige Rampe zu vervollständigen und einweichen zu können." Die derzeit verwendeten Batterien können ein Jahr dauern, bevor sie wieder aufgeladen werden müssen.
Nach Abschluss der zweiten Phase des Projekts erstellt Custom Technologies Vorschläge für Follow-up-Verbesserungen und sammelt Briefe von Interesse und Unterstützung. "Unser Ziel ist es, diese Technologie auf TRL 8 zu reifen und sie auf das Feld zu bringen", sagte Bergen. "Wir sehen auch das Potenzial für nicht-militärische Anwendungen."
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Postzeit: SEP-02-2021