De portable Kit kann mat UV-härtbarer Glasfaser/Vinylester oder Kuelefaser/Epoxy-Prepreg reparéiert ginn, déi bei Raumtemperatur gelagert ginn, a mat Batterie ugedriwwener Härtungsausrüstung. #insidemanufacturing #infrastruktur
UV-härtbar Prepreg-Patch-Reparatur Obwuel d'Kuelefaser/Epoxy-Prepreg-Reparatur, déi vu Custom Technologies LLC fir d'Infield-Kompositbréck entwéckelt gouf, sech als einfach a séier erwisen huet, huet d'Benotzung vu glasfaserverstäerktem UV-härtbaren Vinylesterharz-Prepreg e méi praktescht System entwéckelt. Bildquell: Custom Technologies LLC
Modular ausklappbar Brécke si kritesch Ressourcen fir militäresch taktesch Operatiounen a Logistik, souwéi fir d'Restauratioun vun der Transportinfrastruktur bei Naturkatastrophen. Et gi Kompositstrukture studéiert fir d'Gewiicht vun esou Brécken ze reduzéieren an doduerch d'Belaaschtung vun Transportmëttelen a Start- a Réckbaumechanismen ze reduzéieren. Am Verglach mat Metallbrécke hunn Kompositmaterialien och de Potenzial, d'Droekapazitéit ze erhéijen an d'Liewensdauer ze verlängeren.
D'Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) ass e Beispill. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, USA) a Materials Sciences LLC (Horsham, PA, USA) benotzen Kuelefaserverstäerkt Epoxylaminater (Figur 1). (Design a Konstruktioun). D'Fäegkeet, sou Strukturen am Feld ze reparéieren, war awer e Problem, dat d'Adoptioun vu Kompositmaterialien behënnert.
Figur 1 Kompositbréck, wichtegt Verméigen am Feld Déi fortgeschratt modular Kompositbréck (AMCB) gouf vu Seemann Composites LLC a Materials Sciences LLC mat Kuelefaserverstäerkten Epoxyharz-Kompositmaterialien entworf a gebaut. Bildquell: Seeman Composites LLC (lénks) an d'US Arméi (riets).
Am Joer 2016 krut Custom Technologies LLC (Millersville, MD, USA) e vun der US-Arméi finanzéierte Small Business Innovation Research (SBIR) Phase 1-Subventioun fir eng Reparaturmethod z'entwéckelen, déi vu Soldaten erfollegräich virun Ort duerchgefouert ka ginn. Op Basis vun dësem Usaz gouf am Joer 2018 déi zweet Phase vum SBIR-Subventioun zougesprach, fir nei Materialien an batteriebetriebene Ausrüstung ze presentéieren, wouduerch och wann de Reparatur vun engem Ufänger ouni Virausbildung duerchgefouert gëtt, 90% oder méi vun der Struktur d'Rohfestigkeit restauréiert kënne ginn. D'Machbarkeet vun der Technologie gëtt duerch d'Duerchféierung vun enger Serie vun Analysen, Materialauswiel, Proufenherstellung a mechaneschen Testaufgaben, souwéi kleng a vollstänneg Reparaturen, bestëmmt gëtt.
Den Haaptfuerscher an den zwou SBIR-Phasen ass de Michael Bergen, Grënner a President vu Custom Technologies LLC. De Bergen ass vu Carderock vum Naval Surface Warfare Center (NSWC) a Pensioun gaangen an huet 27 Joer an der Struktur- a Materialabteilung geschafft, wou hien d'Entwécklung an d'Uwendung vu Komposittechnologien an der Flott vun der US Navy geleet huet. Den Dr. Roger Crane ass 2015 bei Custom Technologies komm, nodeems hien 2011 aus der US Navy a Pensioun gaangen ass, an hien huet do 32 Joer geschafft. Seng Expertise a Kompositmaterialien ëmfaasst technesch Publikatiounen a Patenter, déi Themen wéi nei Kompositmaterialien, Prototypherstellung, Verbindungsmethoden, multifunktionell Kompositmaterialien, Iwwerwaachung vun der Strukturgesondheet a Restauratioun vu Kompositmaterialien ofdecken.
Déi zwee Experten hunn e spezielle Prozess entwéckelt, deen Kompositmaterialien benotzt fir d'Rëss am Aluminium-Iwwerbau vum Ticonderoga CG-47 Klass Gesteierten Rakéitekräisser 5456 ze reparéieren. „De Prozess gouf entwéckelt fir d'Wuesstum vu Rëss ze reduzéieren an als wirtschaftlech Alternativ zum Ersatz vun enger Plattformbrett vun 2 bis 4 Milliounen Dollar ze déngen“, sot de Bergen. „Also hu mir bewisen, datt mir wëssen, wéi Reparaturen ausserhalb vum Laboratoire an an engem realen Déngschtëmfeld duerchgefouert ginn. Mee d'Erausfuerderung ass, datt déi aktuell Methode fir militäresch Verméigen net ganz erfollegräich sinn. D'Optioun ass eng gebonnen Duplex-Reparatur [am Fong a beschiedegte Beräicher eng Brett uewen drop kleben] oder den Verméigen aus dem Déngscht ze huelen fir Reparaturen op Lagerniveau (D-Niveau). Well Reparaturen op D-Niveau noutwendeg sinn, ginn vill Verméigen op d'Säit geluecht.“
Hie sot weider, datt et néideg ass, eng Method ze benotzen, déi vu Soldaten ouni Erfahrung mat Kompositmaterialien duerchgefouert ka ginn, andeems se nëmme Kits a Wartungshandbücher benotzen. Eist Zil ass et, de Prozess einfach ze maachen: d'Handbuch liesen, de Schued evaluéieren a Reparaturen duerchféieren. Mir wëllen keng flësseg Harzer vermëschen, well dëst eng präzis Miessung erfuerdert, fir eng komplett Aushärtung ze garantéieren. Mir brauchen och e System ouni geféierlechen Offäll nodeems d'Reparaturen ofgeschloss sinn. An et muss als Kit verpackt ginn, deen vum bestehenden Netzwierk agesat ka ginn.
Eng Léisung, déi Custom Technologies erfollegräich demonstréiert huet, ass e portable Kit, deen en gehärteten Epoxy-Klebstoff benotzt, fir de klebende Komposit-Patch no der Gréisst vum Schued (bis zu 12 Quadratzoll) unzepassen. D'Demonstratioun gouf op engem Kompositmaterial ofgeschloss, deen en 3 Zoll déckt AMCB-Deck representéiert. De Kompositmaterial huet en 3 Zoll décke Balsaholzkär (Dicht vun 15 Pond pro Kubikmeter) an zwou Schichten Vectorply (Phoenix, Arizona, US) C-LT 1100 Kuelefaser 0°/90° biaxial genähte Stoff, eng Schicht C-TLX 1900 Kuelefaser 0°/+45°/-45° dräi Wellen an zwou Schichten C-LT 1100, insgesamt fënnef Schichten. "Mir hunn decidéiert, datt de Kit prefabrizéiert Patches an engem quasi-isotropen Laminat benotzt, ähnlech wéi engem Multiachs, sou datt d'Stoffrichtung kee Problem wäert sinn", sot de Crane.
Déi nächst Fro ass d'Harzmatrix, déi fir d'Laminatreparatur benotzt gëtt. Fir ze vermeiden, datt flëssegt Harz vermëscht gëtt, gëtt fir de Patch Prepreg benotzt. „Dës Erausfuerderunge sinn awer d'Lagerung“, erkläert de Bergen. Fir eng späicherbar Patch-Léisung z'entwéckelen, huet Custom Technologies sech mat Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornien, USA) zesummegedoen, fir e Glasfaser/Vinylester-Prepreg z'entwéckelen, deen ultraviolett Liicht (UV) a sechs Minutte Liichthärtung benotze kann. Si huet och mat Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA) zesummegeschafft, déi d'Benotzung vun engem neie flexible Epoxyfilm virgeschloen hunn.
Fréi Studien hunn gewisen, datt Epoxyharz dat gëeegentst Harz fir Kuelefaser-Prepregs ass - UV-härtbaren Vinylester an duerchsiichteg Glasfaser funktionéieren gutt, härten awer net ënner liichtblockéierender Kuelefaser. Baséierend op dem neie Film vu Gougeon Brothers gëtt de fäerdegen Epoxy-Prepreg 1 Stonn bei 99 °C ausgehärtet an huet eng laang Haltbarkeet bei Raumtemperatur - keng Lagerung bei niddreger Temperatur ass néideg. De Bergen sot, datt wann eng méi héich Glasiwwergangstemperatur (Tg) erfuerderlech ass, den Harz och bei enger méi héijer Temperatur, wéi 177 °C, ausgehärtet gëtt. Béid Prepregs ginn an engem portable Reparaturset als Stapel Prepreg-Patches geliwwert, déi an enger Plastikfolie versiegelt sinn.
Well de Reparatursatz fir eng laang Zäit gelagert ka ginn, muss Custom Technologies eng Haltbarkeetsstudie duerchféieren. „Mir hunn véier haart Plastikgehäuse kaaft - eng typesch militäresch Aart, déi an Transportmëttel benotzt gëtt - a Prouwe vun Epoxyklebstoff a Vinylester-Prepreg an all Gehäuse geluecht“, sot de Bergen. D'Këschte goufen dann op véier verschiddene Plazen fir d'Tester placéiert: den Daach vun der Fabréck vu Gougeon Brothers a Michigan, den Daach vum Fluchhafen zu Maryland, d'Ariichtung dobaussen am Yucca Valley (Wüst a Kalifornien) an de Korrosiounstestlaboratoire dobaussen a Südflorida. All Këschte hunn Datenlogger, betount de Bergen: „Mir huelen all dräi Méint Daten- a Materialprouwen fir d'Evaluatioun. Déi maximal Temperatur, déi an de Këschten a Florida a Kalifornien opgeholl gouf, ass 140°F, wat gutt ass fir déi meescht Restauratiounsharzer. Et ass eng richteg Erausfuerderung.“ Zousätzlech huet Gougeon Brothers den nei entwéckelte puren Epoxyharz intern getest. „Prouwen, déi e puer Méint an engem Uewen bei 120°F geluecht goufen, fänken un ze polymeriséieren“, sot de Bergen. „Wéi och ëmmer, fir déi entspriechend Proben, déi bei 110°F gehale goufen, huet sech d'Harzchemie nëmmen ëm e klenge Betrag verbessert.“
D'Reparatur gouf op der Testplack an dësem Skalamodell vun AMCB verifizéiert, deen datselwecht Laminat a Kärmaterial benotzt huet wéi déi ursprénglech Bréck, déi vu Seemann Composites gebaut gouf. Bildquell: Custom Technologies LLC
Fir d'Reparaturtechnik ze demonstréieren, muss e representatiivt Laminat hiergestallt, beschiedegt a reparéiert ginn. „An der éischter Phas vum Projet hu mir ufanks kleng 4 x 48-Zoll-Träger a Véierpunkt-Bietester benotzt, fir d'Machbarkeet vun eisem Reparaturprozess ze evaluéieren“, sot de Klein. „Duerno si mir an der zweeter Phas vum Projet op 12 x 48 Zoll-Paneeler iwwergaangen, hunn Belaaschtungen ugewannt, fir e biaxialen Spannungszoustand ze generéieren, deen e Versoen verursaacht, an duerno d'Reparaturleistung evaluéiert. An der zweeter Phas hu mir och den AMCB-Modell fäerdeg gestallt, deen mir fir d'Maintenance gebaut hunn.“
De Bergen sot, datt den Testpanel, deen benotzt gouf fir d'Reparaturleistung ze beweisen, mat der selwechter Linn vu Laminaten a Kärmaterialien hiergestallt gouf wéi AMCB, dee vu Seemann Composites hiergestallt gëtt, "awer mir hunn d'Paneldicke vun 0,375 Zoll op 0,175 Zoll reduzéiert, baséiert op dem Parallelachs-Theorem. Dëst ass de Fall. D'Method, zesumme mat den zousätzlechen Elementer vun der Balkentheorie an der klassescher Laminattheorie [CLT], gouf benotzt fir den Trägheetsmoment an d'effektiv Steifheet vum Vollskala-AMCB mat engem méi klenge Demoprodukt ze verbannen, dat méi einfach ze handhaben a méi kosteneffektiv ass. Duerno hu mir De Finite-Element-Analyse-Modell [FEA], deen vun XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) entwéckelt gouf, gouf benotzt fir den Design vu strukturelle Reparaturen ze verbesseren." De Kuelefaserstoff, deen fir d'Testpanelen an den AMCB-Modell benotzt gouf, gouf vu Vectorply kaaft, an de Balsakär gouf vu Core Composites (Bristol, RI, US) hiergestallt.
Schrëtt 1. Dësen Testpanel weist en Duerchmiesser vun engem Lach mat engem Duerchmiesser vun 3 Zoll fir e Schued ze simuléieren, deen an der Mëtt markéiert ass, an den Ëmfang ze reparéieren. Fotoquell fir all Schrëtt: Custom Technologies LLC.
Schrëtt 2. Benotzt eng batteriebetriebene manuell Schleifmaschinn fir dat beschiedegt Material ze entfernen an d'Reparaturfläch mat enger 12:1-Konizitéit zouzemaachen.
„Mir wëlle méi Schued um Testbrett simuléieren, wéi een um Bréckendeck um Terrain kéint gesinn“, erkläert de Bergen. „Eis Method ass also, eng Lächersäg ze benotzen, fir e Lach mat engem Duerchmiesser vun 3 Zoll ze maachen. Dann zéien mir de Stopfen aus dem beschiedegte Material eraus a benotzen eng Hand-pneumatesch Schleifmaschinn, fir e Lach am Verhältnes vun 12:1 ze veraarbechten.“
De Crane huet erkläert, datt fir d'Reparatur vu Kuelefaser/Epoxy, nodeems dat "beschiedegt" Panelmaterial ewechgeholl an e passenden Tuch opgedroe gouf, de Prepreg op Breet a Längt geschnidden gëtt, fir der Konizitéit vun der beschiedegter Regioun unzepassen. "Fir eis Testpanel brauche mir véier Schichten Prepreg, fir datt d'Reparaturmaterial mat der Uewerfläch vum ursprénglechen onbeschiedegte Kuelefaserpanel konsequent bleift. Duerno ginn déi dräi Ofdeckungsschichten aus Kuelefaser/Epoxy-Prepreg op den reparéierten Deel konzentréiert. All Schicht erstreckt sech op alle Säiten vun der ënneschter Schicht ëm 1 Zoll, wat fir eng graduell Laaschtiwwerdroung vum "gudde" Ëmgéigendmaterial op déi reparéiert Regioun suergt." Déi total Zäit fir dës Reparatur - inklusiv Virbereedung vun der Reparaturregioun, d'Ausschneiden an d'Plazéiere vum Restauratiounsmaterial an d'Aushärtung - dauert ongeféier 2,5 Stonnen.
Fir Kuelefaser/Epoxy-Prepreg gëtt d'Reparaturfläch vakuumverpackt an eng Stonn laang bei 99 °C mat engem batteriebetriebenen Thermobinder gehärtet.
Obwuel d'Reparatur vu Kuelestoff/Epoxy einfach a séier ass, huet d'Team de Besoin fir eng méi praktesch Léisung erkannt, fir d'Leeschtung erëm hierzestellen. Dëst huet zu der Exploratioun vun ultraviolett (UV) härtende Prepregs gefouert. „Den Interessi un de Sunrez Vinylesterharzer baséiert op fréierer Marineerfarung mam Grënner vun der Firma, Mark Livesay“, erkläert de Bergen. „Mir hunn Sunrez fir d'éischt mat hirem Vinylester-Prepreg e quasi-isotropescht Glasgewebe geliwwert, an hunn d'Härtungskurve ënner verschiddene Konditiounen evaluéiert. Zousätzlech, well mir wëssen, datt Vinylesterharz net wéi Epoxyharz ass, dat eng gëeegent sekundär Haftungsleistung bitt, sinn zousätzlech Efforte gebraucht, fir verschidde Kopplungsmëttel fir d'Klebstoffschicht ze evaluéieren an ze bestëmmen, wéi ee fir d'Applikatioun gëeegent ass.“
En anert Problem ass, datt Glasfasere net déiselwecht mechanesch Eegeschafte wéi Kuelestofffasere kënnen hunn. „Am Verglach mat Kuelestoff/Epoxy-Patch gëtt dëst Problem geléist andeems eng extra Schicht Glas/Vinylester benotzt gëtt“, sot de Crane. „De Grond, firwat nëmmen eng zousätzlech Schicht gebraucht gëtt, ass datt d'Glasmaterial e méi schwéiert Stoff ass.“ Dëst ergëtt e passenden Patch, deen och bei ganz kalen/fréierenden Temperaturen am Feld bannent sechs Minutten ugewannt a kombinéiert ka ginn. Aushärtung ouni Hëtzt ze liwweren. De Crane huet drop higewisen, datt dës Reparaturaarbechten bannent enger Stonn ofgeschloss kënne ginn.
Béid Patch-Systemer goufen demonstréiert a getest. Fir all Reparatur gëtt déi ze beschiedegt Plaz markéiert (Schrëtt 1), mat enger Lächersäg erstallt an dann mat engem batteriebetriebenen Handschleifer ewechgeholl (Schrëtt 2). Dann schneiden mir déi reparéiert Plaz an eng Konus vun 12:1. Botzt d'Uewerfläch vum Schal mat engem Alkoholpad (Schrëtt 3). Schneit dann de Reparaturpatch op eng gewëssen Gréisst, leet en op déi gereinegt Uewerfläch (Schrëtt 4) a konsolidéiert en mat enger Roll fir Loftblosen ze entfernen. Fir Glasfaser/UV-härtende Vinylester-Prepreg, leet dann d'Schlësselaag op déi reparéiert Plaz an härt de Patch mat enger kabelloser UV-Lampe fir sechs Minutten aus (Schrëtt 5). Fir Kuelefaser/Epoxy-Prepreg, benotzt en virprogramméierten, batteriebetriebenen Thermobinder mat engem Knäppchen, fir déi reparéiert Plaz bei 99°C fir eng Stonn ze vakuumverpacken an auszehärten.
Schrëtt 5. Nodeems Dir d'Peeling-Schicht op déi reparéiert Plaz applizéiert hutt, benotzt eng kabellos UV-Lampe fir de Patch 6 Minutten ze härten.
„Dann hu mir Tester duerchgefouert fir d'Adhäsioun vum Patch an seng Fäegkeet ze evaluéieren, d'Droekapazitéit vun der Struktur erëm hierzestellen“, sot de Bergen. „An der éischter Phas musse mir d'Liichtegkeet vun der Uwendung an d'Fäegkeet beweisen, op d'mannst 75% vun der Stäerkt erëmzefannen. Dëst gëtt duerch Véierpunktbéien op engem 4 x 48 Zoll groussen Kuelefaser/Epoxyharz- a Balsakärbalke gemaach, nodeems de simuléierte Schued reparéiert gouf. Jo. Déi zweet Phas vum Projet huet e 12 x 48 Zoll groussen Panel benotzt, a muss méi wéi 90% Stäerktfuerderunge bei komplexe Spannungsbelaaschtungen erfëllen. Mir hunn all dës Ufuerderunge erfëllt an duerno d'Reparaturmethoden um AMCB-Modell fotograféiert. Wéi een Infield-Technologie an Ausrüstung benotzt fir eng visuell Referenz ze bidden.“
E Schlësselaspekt vum Projet ass et ze beweisen, datt Ufänger d'Reparatur ouni Problemer ausféiere kënnen. Aus dësem Grond hat de Bergen eng Iddi: „Ech hunn versprach, eisen zwee technesche Kontaktpersounen an der Arméi ze demonstréieren: den Dr. Bernard Sia an d'Ashley Genna. An der leschter Iwwerpréiwung vun der éischter Phase vum Projet hunn ech gefrot, datt keng Reparaturen néideg sinn. Déi erfuerene Ashley huet d'Reparatur duerchgefouert. Mat dem Kit an dem Handbuch, deen mir zur Verfügung gestallt hunn, huet si de Patch ugewannt an d'Reparatur ouni Problemer ofgeschloss.“
Figur 2 Déi batteriebetriebene, virprogramméiert, batteriebetriebene Wärmebindungsmaschinn kann de Kuelefaser-/Epoxy-Reparaturfleck mat engem Knäppchendréck aushärten, ouni datt Reparaturkenntnisser oder Programméierung vum Härtungszyklus gebraucht ginn. Bildquell: Custom Technologies, LLC
Eng aner Schlësselentwécklung ass dat batteriebetriebent Härtungssystem (Figur 2). „Duerch d'Maintenance am Feld hutt Dir nëmme Batteriestroum“, huet de Bergen ënnerstrach. „Déi ganz Prozessausrüstung am Reparaturkit, deen mir entwéckelt hunn, ass drahtlos.“ Dëst beinhalt d'batteriebetrieben Thermobonding-Maschinn, déi gemeinsam vu Custom Technologies an dem Thermobonding-Maschinnliwwerant WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA) entwéckelt gouf. „Dësen batteriebetriebenen Thermobonding-Maschinn ass virprogramméiert fir d'Härtung ofzeschléissen, sou datt Ufänger den Härtungszyklus net programméiere mussen“, sot de Crane. „Si brauche just e Knäppchen ze drécken fir déi richteg Ramp an d'Wäschung ofzeschléissen.“ Déi Batterien, déi de Moment benotzt ginn, kënnen e Joer daueren, ier se mussen nei gelueden ginn.
Mat der Fäerdegstellung vun der zweeter Phase vum Projet preparéiert Custom Technologies weider Verbesserungsvirschléi a sammelt Bréiwer mat Interesse a Begréissung. „Eist Zil ass et, dës Technologie op TRL 8 ze reifen an se an de Feld ze bréngen“, sot de Bergen. „Mir gesinn och de Potenzial fir net-militäresch Uwendungen.“
Erkläert déi al Konscht hannert der éischter Faserverstäerkung an der Industrie, an huet e grëndlecht Verständnis vun der neier Faserwëssenschaft an zukünfteg Entwécklung.
Demnächst kënnt de 787 fir d'éischt Kéier am Fliger a baséiert op Innovatiounen a Kompositmaterialien a Prozesser fir seng Ziler z'erreechen.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 02.09.2021