Hægt er að gera við flytjanlega búnaðinn með UV-herðanlegu trefjaplasti/vínýl ester eða kolefnisplasti/epoxý prepreg sem geymt er við stofuhita og rafhlöðuknúnum herðingarbúnaði. #innanframleiðsla #innviðir
Viðgerð á prepreg-plástrum sem hert er með útfjólubláu ljósi Þó að viðgerðin á kolefnisþráðum/epoxý-prepreg, sem Custom Technologies LLC þróaði fyrir samsetta brú innandyra, hafi reynst einföld og fljótleg, þá hefur notkun á glerþráðastyrktum, útfjólubláu-herðandi vínýl ester plastefni, sem Prepreg hefur þróað þægilegra kerfi. Mynd: Custom Technologies LLC
Einangranlegar brýr eru mikilvægar auðlindir fyrir hernaðaraðgerðir og flutninga, sem og endurreisn samgöngumannvirkja eftir náttúruhamfarir. Samsettar byggingar eru rannsakaðar til að draga úr þyngd slíkra brúa og þar með minnka álag á flutningatæki og björgunarbúnað. Samsett efni, samanborið við málmbrýr, hafa einnig möguleika á að auka burðargetu og lengja líftíma þeirra.
Dæmi um þetta er Advanced Modular Composite Bridge (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, Bandaríkjunum) og Materials Sciences LLC (Horsham, Pennsylvaníu, Bandaríkjunum) nota kolefnisstyrkt epoxy-lagskipt efni (Mynd 1). (Hönnun og smíði). Hins vegar hefur möguleikinn á að gera við slíkar mannvirki á vettvangi verið vandamál sem hindrar notkun samsettra efna.
Mynd 1 Samsett brú, lykileign innan svæðisins. Háþróuð mátbrú úr samsettu efni (AMCB) var hönnuð og smíðuð af Seemann Composites LLC og Materials Sciences LLC úr kolefnistrefjastyrktum epoxy resínsamsetningum. Mynd: Seeman Composites LLC (vinstri) og bandaríski herinn (hægri).
Árið 2016 fékk Custom Technologies LLC (Millersville, Maryland, Bandaríkin) styrk frá bandaríska hernum til rannsókna á nýsköpun í smáfyrirtækjum (SBIR) í fyrsta áfanga til að þróa viðgerðaraðferð sem hermenn geta framkvæmt á staðnum með góðum árangri. Byggt á þessari aðferð var annar áfangi SBIR-styrksins veittur árið 2018 til að sýna fram á ný efni og rafhlöðuknúin búnað, jafnvel þótt viðgerðin sé framkvæmd af byrjanda án fyrri þjálfunar, er hægt að endurheimta 90% eða meira af burðarvirkinu. Hagkvæmni tækninnar er ákvörðuð með því að framkvæma röð greininga, efnisvals, sýnaframleiðslu og vélrænna prófana, sem og viðgerðir í smáum stíl og í stórum stíl.
Aðalrannsakandinn í tveimur SBIR-áföngum er Michael Bergen, stofnandi og forseti Custom Technologies LLC. Bergen lét af störfum hjá Carderock í sjóhernaðarmiðstöðinni Naval Surface Warfare Center (NSWC) og starfaði í byggingar- og efnisdeildinni í 27 ár, þar sem hann stjórnaði þróun og notkun samsettra efna í flota bandaríska sjóhersins. Dr. Roger Crane gekk til liðs við Custom Technologies árið 2015 eftir að hafa látið af störfum hjá bandaríska sjóhernum árið 2011 og hefur starfað þar í 32 ár. Sérþekking hans á samsettum efnum felur í sér tæknilegar útgáfur og einkaleyfi, sem fjalla um efni eins og ný samsett efni, frumgerðagerð, tengiaðferðir, fjölnota samsett efni, eftirlit með burðarvirkjaheilsu og endurgerð samsettra efna.
Sérfræðingarnir tveir hafa þróað einstaka aðferð sem notar samsett efni til að gera við sprungur í ályfirbyggingu Ticonderoga CG-47-flokks stýriflaugaskrúfuskipsins 5456. „Aðferðin var þróuð til að draga úr vexti sprungna og vera hagkvæmur valkostur við að skipta um pallborð sem kostar 2 til 4 milljónir dollara,“ sagði Bergen. „Þannig sönnuðum við að við kunnum að framkvæma viðgerðir utan rannsóknarstofunnar og í raunverulegu þjónustuumhverfi. En áskorunin er sú að núverandi aðferðir við hernaðareignir eru ekki mjög árangursríkar. Möguleikinn er tvíhliða viðgerð [í grundvallaratriðum á skemmdum svæðum að líma borð ofan á] eða taka eignina úr notkun fyrir viðgerðir á vöruhúsastigi (D-stigi). Þar sem viðgerðir á D-stigi eru nauðsynlegar eru margar eignir lagðar til hliðar.“
Hann hélt áfram og sagði að það sem þyrfti væri aðferð sem hermenn án reynslu af samsettum efnum gætu framkvæmt, með því að nota eingöngu sett og viðhaldshandbækur. Markmið okkar er að gera ferlið einfalt: lesið handbókina, metið skemmdirnar og framkvæmið viðgerðir. Við viljum ekki blanda fljótandi plastefnum saman, þar sem það krefst nákvæmrar mælingar til að tryggja fullkomna herðingu. Við þurfum líka kerfi án hættulegs úrgangs eftir að viðgerðum er lokið. Og það verður að vera pakkað sem sett sem hægt er að nota af núverandi neti.
Ein lausn sem Custom Technologies sýndi fram á með góðum árangri er flytjanlegur pakki sem notar hert epoxy-lím til að aðlaga límplötuna að stærð skemmdarinnar (allt að 12 fertommur). Sýnikennslan var gerð á samsettu efni sem er 3 tommu þykkt AMCB-þilfar. Samsetta efnið hefur 3 tommu þykkan kjarna úr balsaviði (15 pund á rúmfet) og tvö lög af Vectorply (Phoenix, Arisóna, Bandaríkjunum) C-LT 1100 kolefnisþráðum 0°/90° tvíása saumuðu efni, eitt lag af C-TLX 1900 kolefnisþráðum 0°/+45°/-45° þremur ásum og tvö lög af C-LT 1100, samtals fimm lög. „Við ákváðum að pakkinn myndi nota forsmíðaðar plástur í hálf-ísótrópísku lagskiptu efni svipað og fjölása svo að stefna efnisins yrði ekki vandamál,“ sagði Crane.
Næsta mál er plastefnisgrunnurinn sem notaður er til viðgerða á lagskiptu efni. Til að forðast blöndun fljótandi plastefnis verður notað forplast í viðgerðina. „Þessar áskoranir eru þó geymsla,“ útskýrði Bergen. Til að þróa geymsluhæfa lausn fyrir viðgerðina hefur Custom Technologies tekið höndum saman við Sunrez Corp. (El Cajon, Kaliforníu, Bandaríkjunum) til að þróa forplast úr glerþráðum/vínýlester sem getur herðst með útfjólubláu ljósi (UV) á sex mínútum. Það vann einnig með Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, Bandaríkjunum), sem lögðu til notkunar á nýrri sveigjanlegri epoxy-filmu.
Snemmbúnar rannsóknir hafa sýnt að epoxy plastefni er hentugasta plastefnið fyrir koltrefjaprepregs - UV-herðanlegt vínylester og gegnsæ glertrefjar virka vel en herða ekki undir ljósblokkandi koltrefjum. Samkvæmt nýju filmu Gougeon Brothers er fullunna epoxy prepregen plastefnið hert í 1 klukkustund við 99°C og hefur langan geymsluþol við stofuhita - engin þörf á lágum hita. Bergen sagði að ef hærra glerumskiptahitastig (Tg) er krafist, þá herðist plastefnið einnig við hærra hitastig, svo sem 177°C. Báðar prepregs plastefnin eru afhent í flytjanlegu viðgerðarsetti sem stafli af prepreg plástrum innsigluðum í plastfilmuhjúpi.
Þar sem viðgerðarbúnaðurinn gæti verið geymdur í langan tíma þarf Custom Technologies að framkvæma geymsluþolsrannsókn. „Við keyptum fjögur hörð plastílát – dæmigerða hernaðargerð sem notuð er í flutningatækjum – og settum sýni af epoxylími og vinyl ester prepreg í hvert ílát,“ sagði Bergen. Kassarnir voru síðan settir á fjóra mismunandi staði til prófunar: þak verksmiðju Gougeon Brothers í Michigan, þak flugvallarins í Maryland, útiaðstöðuna í Yucca Valley (eyðimörk Kaliforníu) og úti tæringarprófunarstofan í suðurhluta Flórída. Öll kassarnir eru með gagnaskráningarvélar, bendir Bergen á, „Við tökum gögn og efnissýni til mats á þriggja mánaða fresti. Hámarkshitastig sem mælst hefur í kössunum í Flórída og Kaliforníu er 140°F, sem er gott fyrir flestar endurreisnarplastefni. Það er mikil áskorun.“ Að auki prófaði Gougeon Brothers innvortis nýþróaða hreina epoxy plastefnið. „Sýni sem hafa verið sett í ofn við 120°F í nokkra mánuði byrja að fjölliðast,“ sagði Bergen. „Hins vegar, fyrir samsvarandi sýni sem geymd voru við 110°F, batnaði efnasamsetning plastefnisins aðeins lítillega.“
Viðgerðin var staðfest á prófunarplötunni og þessari stærðarlíkani af AMCB, sem notaði sama lagskipt efni og kjarnaefni og upprunalega brúin sem Seemann Composites smíðaði. Mynd: Custom Technologies LLC
Til að sýna fram á viðgerðartæknina verður að framleiða, skemma og gera við dæmigerða lagskiptu plötu. „Í fyrsta áfanga verkefnisins notuðum við upphaflega litla 4 x 48 tommu bjálka og fjögurra punkta beygjuprófanir til að meta hagkvæmni viðgerðarferlisins okkar,“ sagði Klein. „Síðan skiptum við yfir í 12 x 48 tommu spjöld í öðrum áfanga verkefnisins, beittu álagi til að mynda tvíása spennu sem veldur bilun og metum síðan viðgerðarframmistöðuna. Í öðrum áfanga kláruðum við einnig AMCB líkanið sem við smíðuðum fyrir viðhald.“
Bergen sagði að prófunarplatan sem notuð var til að sanna viðgerðarafköstin hefði verið framleidd með sömu tegund lagskipta og kjarnaefna og AMCB sem Seemann Composites framleiðir, „en við minnkuðum þykkt spjaldsins úr 0,375 tommum í 0,175 tommur, byggt á samsíða ás setningunni. Þetta er raunin. Aðferðin, ásamt viðbótarþáttum geislafræðinnar og klassískrar lagskiptafræði [CLT], var notuð til að tengja tregðumomentið og virkan stífleika fullrar AMCB við minni sýnivöru sem er auðveldari í meðförum og hagkvæmari. Síðan notuðum við líkanið úr endanlegum þáttum greiningar [FEA], sem þróað var af XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, Bandaríkjunum), til að bæta hönnun burðarvirkjaviðgerða.“ Kolefnisþráðarefnið sem notað var í prófunarplöturnar og AMCB líkanið var keypt frá Vectorply og balsakjarninn var framleiddur af Core Composites (Bristol, Rhode Island, Bandaríkjunum).
Skref 1. Þessi prófunarspjald sýnir 3 tommu gat í þvermál til að líkja eftir skemmdum sem merktar eru í miðjunni og gera við ummálið. Mynd fyrir öll skref: Custom Technologies LLC.
Skref 2. Notið rafhlöðuknúna handkvörn til að fjarlægja skemmt efni og lokið viðgerðarplástnum með 12:1 keilu.
„Við viljum líkja eftir meiri skemmdum á prófunarborðinu en sjá má á brúarþilfari úti í náttúrunni,“ útskýrði Bergen. „Aðferð okkar er því að nota gatasög til að búa til 3 tommu þvermál gat. Síðan drögum við út tappann úr skemmda efninu og notum handknúna loftkvörn til að vinna úr 12:1 klút.“
Crane útskýrði að fyrir viðgerðir á kolefnisþráðum/epoxý, þegar „skemmda“ spjaldið hefur verið fjarlægt og viðeigandi trefill settur á, verður forpregið skorið í breidd og lengd til að passa við keilu skemmda svæðisins. „Fyrir prófunarspjaldið okkar þarf fjögur lög af forpreg til að halda viðgerðarefninu í samræmi við efri hluta upprunalegu óskemmdu kolefnisspjaldsins. Eftir það eru þrjú þekjandi lög af kolefnis-/epoxý-forpreg einbeitt á þennan viðgerðahluta. Hvert lag nær 2,5 cm á allar hliðar neðra lagsins, sem tryggir stigvaxandi álagsflutning frá „góða“ nærliggjandi efninu yfir á viðgerðasvæðið.“ Heildartíminn sem það tekur að framkvæma þessa viðgerð - þar með talið undirbúning viðgerðarsvæðis, skurð og ásetningu viðgerðarefnisins og herðingarferli - er um það bil 2,5 klukkustundir.
Fyrir koltrefja-/epoxý-prepreg er viðgerðarsvæðið lofttæmt og hert við 99°C í eina klukkustund með rafhlöðuknúnum hitalími.
Þótt viðgerðir á kolefni/epoxý séu einfaldar og fljótlegar, þá gerði teymið sér grein fyrir þörfinni fyrir þægilegri lausn til að endurheimta afköst. Þetta leiddi til könnunar á útfjólubláum (UV) herðandi forpregs. „Áhuginn á Sunrez vínyl ester plastefnum byggist á fyrri reynslu sjóherðingar með stofnanda fyrirtækisins, Mark Livesay,“ útskýrði Bergen. „Við gáfum Sunrez fyrst hálf-ísótrópískt glerefni, með því að nota vínyl ester forpreg þeirra, og metum herðingarferilinn við mismunandi aðstæður. Þar að auki, þar sem við vitum að vínyl ester plastefni er ekki eins og epoxý plastefni sem veitir viðeigandi auka viðloðun, þarf frekari vinnu til að meta ýmis tengiefni fyrir límlag og ákvarða hver hentar fyrir notkunina.“
Annað vandamál er að glerþræðir geta ekki boðið upp á sömu vélrænu eiginleika og kolefnisþræðir. „Í samanburði við kolefnis-/epoxýpláss er þetta vandamál leyst með því að nota aukalag af gleri/vínýl ester,“ sagði Crane. „Ástæðan fyrir því að aðeins eitt viðbótarlag er þörf er sú að glerefnið er þyngra efni.“ Þetta framleiðir hentugan plást sem hægt er að setja á og sameina á sex mínútum, jafnvel við mjög kalt/frost hitastig innandyra. Herðing án þess að veita hita. Crane benti á að þessari viðgerðarvinnu sé hægt að ljúka á klukkustund.
Bæði viðgerðarkerfin hafa verið sýnd og prófuð. Fyrir hverja viðgerð er svæðið sem á að skemma merkt (skref 1), búið til með gatasög og síðan fjarlægt með rafhlöðuknúinni handkvörn (skref 2). Síðan er viðgerðarsvæðið skorið í 12:1 keilu. Hreinsið yfirborð trefilsins með sprittþurrku (skref 3). Næst er viðgerðarplásturinn skorinn í ákveðna stærð, settur á hreinsaða yfirborðið (skref 4) og þjappað saman með rúllu til að fjarlægja loftbólur. Fyrir glerþráða/UV-herðandi vínýl ester forpreg, setjið síðan losunarlagið á viðgerðarsvæðið og herðið plásturinn með þráðlausri útfjólubláum lampa í sex mínútur (skref 5). Fyrir koltrefja/epoxý forpreg, notið forforritaða, rafhlöðuknúna hitalímvél með einum hnappi til að lofttæma og herða viðgerðarsvæðið við 99°C í eina klukkustund.
Skref 5. Eftir að þú hefur sett afhýðingarlagið á viðgerðarsvæðið skaltu nota þráðlausa útfjólubláa lampa til að herða plásturinn í 6 mínútur.
„Síðan framkvæmdum við prófanir til að meta viðloðun plástursins og getu hans til að endurheimta burðarþol mannvirkisins,“ sagði Bergen. „Í fyrsta áfanga þurfum við að sanna að það sé auðvelt að setja það upp og að það geti endurheimt að minnsta kosti 75% af styrknum. Þetta er gert með fjögurra punkta beygju á 4 x 48 tommu kolefnisþráða/epoxýplastefni og balsakjarna eftir að búið er að gera við hermt tjón. Já. Í öðrum áfanga verkefnisins var notaður 12 x 48 tommu spjald og það verður að uppfylla kröfur um styrk sem ná yfir 90% við flókin álag. Við uppfylltum allar þessar kröfur og ljósmynduðum síðan viðgerðaraðferðirnar á AMCB líkaninu. Hvernig á að nota tækni og búnað á vettvangi til að fá sjónræna tilvísun.“
Lykilatriði verkefnisins er að sanna að byrjendur geti auðveldlega lokið viðgerðinni. Þess vegna fékk Bergen hugmynd: „Ég hef lofað að sýna tveimur tæknilegum tengiliðum okkar í hernum, Dr. Bernard Sia og Ashley Genna, þetta. Í lokaúttekt á fyrsta áfanga verkefnisins bað ég um að engar viðgerðir yrðu gerðar. Reynslumikla Ashley framkvæmdi viðgerðina. Með því að nota búnaðinn og handbókina sem við fengum setti hún plásturinn á og lauk viðgerðinni án vandræða.“
Mynd 2. Rafhlaðaknúna, forforritaða, rafhlöðuknúna hitalímingarvélin getur herðið viðgerðarplásturinn fyrir kolefnisþræði/epoxý með því að ýta á takka, án þess að þörf sé á þekkingu á viðgerðum eða forritun á herðingarferli. Mynd: Custom Technologies, LLC
Önnur lykilþróun er rafhlöðuknúið herðingarkerfi (mynd 2). „Með viðhaldi á vettvangi er aðeins rafhlaðan knúin,“ benti Bergen á. „Allur vinnslubúnaðurinn í viðgerðarsettinu sem við þróuðum er þráðlaus.“ Þetta felur í sér rafhlöðuknúna hitalímingu sem Custom Technologies og WichiTech Industries Inc., birgja hitalímingavélarinnar (Randallstown, Maryland, Bandaríkin), þróuðu í sameiningu. „Þessi rafhlöðuknúna hitalímingavél er forrituð til að ljúka herðingu, þannig að byrjendur þurfa ekki að forrita herðingarferlið,“ sagði Crane. „Þeir þurfa bara að ýta á hnapp til að ljúka réttri rampi og liggja í bleyti.“ Rafhlöðurnar sem nú eru í notkun geta enst í eitt ár áður en þarf að hlaða þær.
Með lok annars áfanga verkefnisins er Custom Technologies að undirbúa tillögur að úrbótum og safna áhugasömum og stuðningsbréfum. „Markmið okkar er að þroska þessa tækni upp í TRL 8 og koma henni á vettvang,“ sagði Bergen. „Við sjáum einnig möguleika á notkun utan hernaðar.“
Útskýrir gömlu listina á bak við fyrstu trefjastyrkingu iðnaðarins og hefur ítarlega þekkingu á nýrri trefjavísindum og framtíðarþróun.
787, sem kemur brátt í loftið í fyrsta skipti, treystir á nýjungar í samsettum efnum og ferlum til að ná markmiðum sínum.
Birtingartími: 2. september 2021