Hægt er að gera við flytjanlega settið með UV-læknandi trefjagleri/vinýl ester eða koltrefjum/epoxý prepreg sem geymt er við stofuhita og rafhlöðuknúinn hertunarbúnað. #innviðaframleiðsla #innviðir
UV-læknandi prepreg plásturviðgerð Þó að koltrefja/epoxý prepreg viðgerðin sem þróuð var af Custom Technologies LLC fyrir samsettu brúna á jörðu niðri hafi reynst einföld og fljótleg, hefur notkun á glertrefjastyrktu UV-læknandi vinyl ester plastefni Prepreg þróað þægilegra kerfi . Uppruni myndar: Custom Technologies LLC
Einingabrýr sem hægt er að dreifa eru mikilvægar eignir fyrir hernaðaraðgerðir og flutninga, sem og endurreisn flutningsmannvirkja við náttúruhamfarir. Verið er að rannsaka samsett mannvirki til að draga úr þyngd slíkra brúa og draga þannig úr álagi á flutningabíla og sjósetningar-batakerfi. Í samanburði við málmbrýr hafa samsett efni einnig möguleika á að auka burðargetu og lengja endingartíma.
Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) er dæmi. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, BNA) og Materials Sciences LLC (Horsham, PA, BNA) nota koltrefjastyrkt epoxý lagskipt (Mynd 1). ) Hönnun og smíði). Hins vegar hefur hæfni til að gera við slík mannvirki á vettvangi verið vandamál sem hindrar upptöku samsettra efna.
Mynd 1 Samsett brú, lykileign Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) var hönnuð og smíðuð af Seemann Composites LLC og Materials Sciences LLC með því að nota koltrefjastyrkt epoxý plastefni samsett efni. Myndheimild: Seeman Composites LLC (til vinstri) og bandaríski herinn (hægri).
Árið 2016 fékk Custom Technologies LLC (Millersville, MD, Bandaríkin) 1. stigs styrk sem styrkt er af bandaríska hernum um nýsköpunarrannsóknir smáfyrirtækja (SBIR) til að þróa viðgerðaraðferð sem hermenn geta framkvæmt með góðum árangri á staðnum. Byggt á þessari nálgun var annar áfangi SBIR styrksins veittur árið 2018 til að sýna nýtt efni og rafhlöðuknúinn búnað, jafnvel þótt nýliði sé framkvæmt af nýliði án undangenginnar þjálfunar, er hægt að endurheimta 90% eða meira af byggingunni hráefni. styrk. Hagkvæmni tækninnar er ákvörðuð með því að framkvæma röð greiningar, efnisvals, sýnisframleiðslu og vélrænna prófunarverkefna, svo og viðgerða í litlum mæli og í fullri stærð.
Aðalrannsakandi í SBIR stigunum tveimur er Michael Bergen, stofnandi og forseti Custom Technologies LLC. Bergen lét af störfum hjá Carderock frá Naval Surface Warfare Center (NSWC) og starfaði í byggingar- og efnadeild í 27 ár, þar sem hann stjórnaði þróun og beitingu samsettrar tækni 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 í 32 ár. Sérfræðiþekking hans á samsettum efnum felur í sér tækniútgáfur og einkaleyfi, þar sem fjallað er um efni eins og ný samsett efni, frumgerðaframleiðslu, tengiaðferðir, margnota samsett efni, eftirlit með heilsu burðarvirkja og endurheimt samsettra efna.
Sérfræðingarnir tveir hafa þróað einstakt ferli sem notar samsett efni til að gera við sprungur í ál yfirbyggingu Ticonderoga CG-47 flokks stýrðu eldflaugaskipsins 5456. „Ferlið var þróað til að draga úr vexti sprungna og til að þjóna sem hagkvæmur valkostur til að skipta um pallborð upp á 2 til 4 milljónir dollara,“ sagði Bergen. „Þannig að við sönnuðum að við kunnum að framkvæma viðgerðir utan rannsóknarstofu og í raunverulegu þjónustuumhverfi. En áskorunin er sú að núverandi hernaðarlegar aðferðir eru ekki mjög árangursríkar. Valmöguleikinn er bundin tvíhliða viðgerð [í grundvallaratriðum á skemmdum svæðum Límdu plötu ofan á] eða taktu eignina úr notkun fyrir viðgerðir á lagerstigi (D-stigi). Vegna þess að þörf er á viðgerðum á D-stigi eru margar eignir lagðar til hliðar.“
Hann hélt áfram að segja að það sem þyrfti er aðferð sem hægt er að framkvæma af hermönnum sem hafa enga reynslu af samsettum efnum, með því að nota eingöngu sett og viðhaldshandbækur. Markmið okkar er að gera ferlið einfalt: lesa handbókina, meta skemmdirnar og framkvæma viðgerðir. Við viljum ekki blanda fljótandi kvoða, þar sem það krefst nákvæmrar mælingar til að tryggja fullkomna lækningu. Við þurfum líka kerfi án spilliefna eftir að viðgerð er lokið. Og það verður að vera pakkað sem setti sem hægt er að dreifa af núverandi neti. ”
Ein lausn sem Custom Technologies sýndi með góðum árangri er flytjanlegt sett sem notar hert epoxý lím til að sérsníða samsetta límplásturinn í samræmi við stærð skemmdarinnar (allt að 12 fertommu). Sýningunni var lokið á samsettu efni sem táknar 3 tommu þykkt AMCB þilfari. Samsetta efnið er með 3 tommu þykkan balsaviðarkjarna (15 pund á rúmfótþéttleika) og tvö lög af Vectorply (Phoenix, Arizona, Bandaríkjunum) C -LT 1100 koltrefjum 0°/90° tvíása saumað efni, eitt lag af C-TLX 1900 koltrefjar 0°/+45°/-45° þrjú skaft og tvö lög af C-LT 1100, alls fimm lög. "Við ákváðum að settið muni nota forsmíðaða plástra í hálf-ísótrópískum lagskiptum svipað og fjölás þannig að efnisstefnan verði ekki vandamál," sagði Crane.
Næsta tölublað er plastefni sem notað er til lagskiptaviðgerðar. Til að forðast að blanda saman fljótandi plastefni mun plásturinn nota prepreg. „Þessar áskoranir eru hins vegar geymsla,“ útskýrði Bergen. Til að þróa geymsluplásturslausn, hefur Custom Technologies átt í samstarfi við Sunrez Corp. (El Cajon, Kaliforníu, Bandaríkjunum) til að þróa glertrefja/vinyl ester prepreg sem getur notað útfjólubláu ljós (UV) á sex mínútum ljósþurrkun. Það var einnig í samstarfi við Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, Bandaríkjunum), sem lagði til notkun á nýrri sveigjanlegri epoxýfilmu.
Fyrstu rannsóknir hafa sýnt að epoxý plastefni er heppilegasta plastefnið fyrir prepregs úr koltrefjum-UV-læknandi vinyl ester og hálfgagnsær glertrefjar virka vel, en læknast ekki undir ljósblokkandi koltrefjum. Byggt á nýrri filmu Gougeon Brothers, er endanleg epoxý prepreg hert í 1 klukkustund við 210°F/99°C og hefur langan geymsluþol við stofuhita - engin þörf á geymslu við lágan hita. Bergen sagði að ef krafist er hærra glerhitastigs (Tg) mun plastefnið einnig læknast við hærra hitastig, svo sem 350°F/177°C. Báðar prepregnar eru í færanlegu viðgerðarsetti sem stafla af prepreg plástrum innsigluðum í plastfilmuumslagi.
Þar sem viðgerðarsettið gæti verið geymt í langan tíma, þarf Custom Technologies að framkvæma geymsluþolsrannsókn. „Við keyptum fjóra harða plasthólf - dæmigerða hergerð sem notuð er í flutningabúnað - og settum sýnishorn af epoxýlími og vinyl ester prepreg í hverja girðingu,“ sagði Bergen. Kassarnir voru síðan settir á fjóra mismunandi staði til prófunar: þaki Gougeon Brothers verksmiðjunnar í Michigan, þaki Maryland flugvallarins, útiaðstöðunni í Yucca Valley (Kaliforníueyðimörkinni) og tæringarprófunarstofu utandyra í suðurhluta Flórída. Öll tilvik eru með gagnaskrártæki, bendir Bergen á, „Við tökum gögn og efnissýni til mats á þriggja mánaða fresti. Hámarkshiti skráð í kössunum í Flórída og Kaliforníu er 140°F, sem er gott fyrir flest endurreisnarkvoða. Þetta er algjör áskorun." Að auki prófuðu Gougeon Brothers hið nýþróaða hreina epoxýplastefni. „Sýni sem hafa verið sett í ofn við 120°F í nokkra mánuði byrja að fjölliða,“ sagði Bergen. „Hins vegar, fyrir samsvarandi sýni sem geymd voru við 110 ° F, batnaði plastefnisefnafræðin aðeins um lítið magn.
Viðgerðin var staðfest á prófunarborðinu og þessu mælikvarðalíkani af AMCB, sem notaði sama lagskipt og kjarnaefni og upprunalega brúin byggð af Seemann Composites. Uppruni myndar: Custom Technologies LLC
Til að sýna fram á viðgerðartæknina þarf að framleiða, skemma og gera við dæmigert lagskipt. "Í fyrsta áfanga verkefnisins notuðum við upphaflega 4 x 48 tommu geisla í litlum mæli og fjögurra punkta beygjupróf til að meta hagkvæmni viðgerðarferlisins okkar," sagði Klein. „Þá fórum við yfir í 12 x 48 tommu spjöld í öðrum áfanga verkefnisins, beittum álagi til að mynda tvíása álagsástand til að valda bilun og metum síðan viðgerðarframmistöðu. Í öðrum áfanga kláruðum við líka AMCB líkanið sem við smíðuðum Maintenance.“
Bergen sagði að prófunarborðið sem notað var til að sanna frammistöðu viðgerðarinnar væri framleitt með því að nota sömu ætt af lagskiptum og kjarnaefnum og AMCB framleitt af Seemann Composites, "en við minnkuðum þykkt spjaldsins úr 0,375 tommum í 0,175 tommur, byggt á samhliða ása setningunni. . Þetta er málið. Aðferðin, ásamt viðbótarþáttum geislafræðinnar og klassískrar lagskiptafræðinnar [CLT], var notuð til að tengja tregðu augnablikið og áhrifaríkan stífleika AMCB í fullri stærð við smærri kynningarvöru sem er auðveldara að meðhöndla og fleira. hagkvæmt. Síðan, við Endanlegt frumefnagreiningarlíkan [FEA] sem þróað var af XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, Bandaríkjunum) var notað til að bæta hönnun burðarvirkjaviðgerða.“ Koltrefjaefnið sem notað var fyrir prófunarplöturnar og AMCB líkanið var keypt frá Vectorply og balsakjarninn var framleiddur af Core Composites (Bristol, RI, Bandaríkjunum).
Skref 1. Þetta prófunarborð sýnir 3 tommu holuþvermál til að líkja eftir skemmdum merktum í miðjunni og gera við ummálið. Myndauppspretta fyrir öll skref: Custom Technologies LLC.
Skref 2. Notaðu rafhlöðuknúna handvirka kvörn til að fjarlægja skemmda efnið og umlykja viðgerðarplásturinn með 12:1 taper.
„Við viljum líkja eftir meiri skemmdum á prófunarborðinu en gæti sést á brúarþilfari á vettvangi,“ útskýrði Bergen. „Þannig að aðferðin okkar er að nota gatsög til að búa til 3 tommu gat í þvermál. Síðan tökum við tappann úr skemmda efninu og notum handkvörn til að vinna úr 12:1 trefil.“
Crane útskýrði að fyrir viðgerðir á koltrefjum/epoxý, þegar „skemmda“ spjaldið hefur verið fjarlægt og viðeigandi trefil er settur á, verður forpregið skorið í breidd og lengd til að passa við mjókkun skemmda svæðisins. „Fyrir prófunarborðið okkar þarf fjögur lög af prepreg til að halda viðgerðarefninu í samræmi við toppinn á upprunalegu óskemmdu kolefnispjaldinu. Eftir það eru þekjulögin þrjú af kolefni/epoxý prepreg samþjöppuð á þetta á viðgerða hlutanum. Hvert lag í röð nær 1 tommu á allar hliðar neðra lagsins, sem veitir hægfara álagsflutning frá „góða“ nærliggjandi efni til viðgerðarsvæðisins. Heildartími til að framkvæma þessa viðgerð, þar á meðal undirbúningur viðgerðarsvæðis, klippa og setja endurreisnarefnið og beita hersluaðferðinni - um það bil 2,5 klst.
Fyrir koltrefja/epoxý prepreg er viðgerðarsvæðið lofttæmispakkað og hert við 210°F/99°C í eina klukkustund með því að nota rafhlöðuknúið hitabindiefni.
Þrátt fyrir að viðgerðir á kolefni/epoxý séu einföld og fljótleg, viðurkenndi teymið þörfina fyrir þægilegri lausn til að endurheimta árangur. Þetta leiddi til könnunar á útfjólubláum (UV) læknandi prepregs. "Áhuginn á Sunrez vinyl ester kvoða er byggður á fyrri reynslu sjóhersins með stofnanda fyrirtækisins Mark Livesay," útskýrði Bergen. „Við útveguðum Sunrez fyrst hálf-ísótrópískt glerefni, með því að nota vinyl ester prepreg þeirra, og metum herðunarferilinn við mismunandi aðstæður. Þar að auki, vegna þess að við vitum að vinyl ester plastefni er ekki eins og epoxý plastefni sem veitir viðeigandi auka viðloðun árangur, svo frekari viðleitni er krafist til að meta ýmis límlagstengingarefni og ákvarða hver þeirra hentar fyrir notkunina.
Annað vandamál er að glertrefjar geta ekki veitt sömu vélrænni eiginleika og koltrefjar. „Í samanburði við kolefnis-/epoxýplástur er þetta vandamál leyst með því að nota aukalag af gleri/vinylester,“ sagði Crane. „Ástæðan fyrir því að aðeins þarf eitt lag til viðbótar er sú að glerefnið er þyngra efni. Þetta framleiðir hentugan plástur sem hægt er að setja á og sameina innan sex mínútna, jafnvel við mjög kalt/fryst hitastig. Ráðhús án þess að veita hita. Crane benti á að hægt væri að ljúka þessari viðgerð innan klukkustundar.
Bæði plástrakerfin hafa verið sýnd og prófuð. Fyrir hverja viðgerð er svæðið sem á að skemma merkt (skref 1), búið til með gatsög og síðan fjarlægt með rafhlöðuknúnri handkvörn (skref 2). Skerið síðan viðgerða svæðið í 12:1 mjókkandi. Hreinsaðu yfirborð trefilsins með sprittpúða (skref 3). Næst skaltu skera viðgerðarplásturinn í ákveðna stærð, setja hann á hreinsaða yfirborðið (skref 4) og festa hann saman með rúllu til að fjarlægja loftbólur. Fyrir glertrefja/UV-herðandi vinyl ester prepreg skaltu setja losunarlagið á viðgerða svæðið og herða plásturinn með þráðlausum UV lampa í sex mínútur (skref 5). Fyrir koltrefja/epoxý prepreg, notaðu fyrirfram forritað, eins hnapps, rafhlöðuknúið hitabindiefni til að ryksuga og herða viðgerða svæðið við 210°F/99°C í eina klukkustund.
Skref 5. Eftir að flögnunarlagið hefur verið komið fyrir á viðgerða svæðinu, notaðu þráðlausan UV lampa til að lækna plásturinn í 6 mínútur.
„Þá gerðum við prófanir til að meta viðloðun plástursins og getu hans til að endurheimta burðargetu mannvirkisins,“ sagði Bergen. „Á fyrsta stigi þurfum við að sanna hversu auðvelt er að nota og getu til að endurheimta að minnsta kosti 75% af styrkleikanum. Þetta er gert með því að beygja fjögurra punkta á 4 x 48 tommu koltrefja/epoxýplastefni og balsakjarna geisla eftir að búið er að gera við eftirlíka skemmdina. Já. Annar áfangi verkefnisins notaði 12 x 48 tommu spjaldið og verður að sýna meira en 90% styrkleikakröfur undir flóknu álagi. Við uppfylltum allar þessar kröfur og mynduðum síðan viðgerðaraðferðirnar á AMCB líkaninu. Hvernig á að nota innheimtutækni og búnað til að veita sjónræna tilvísun.
Lykilatriði verkefnisins er að sanna að nýliði geti auðveldlega klárað viðgerðina. Af þessum sökum fékk Bergen hugmynd: „Ég hef lofað að sýna tveimur tæknilegum tengiliðum okkar í hernum: Dr. Bernard Sia og Ashley Genna. Í lokaúttekt á fyrsta áfanga verksins bað ég um engar viðgerðir. Reyndur Ashley framkvæmdi viðgerðina. Með því að nota settið og handbókina sem við útveguðum setti hún plásturinn á og kláraði viðgerðina án vandræða.“
Mynd 2 Rafhlöðuknúna, forforritaða, rafhlöðuknúna varmatengingarvélin getur læknað koltrefja/epoxýviðgerðarplásturinn með því að ýta á hnapp, án þess að þörf sé á viðgerðarþekkingu eða forritun á hertunarlotu. Uppruni myndar: Custom Technologies, LLC
Önnur lykilþróun er rafhlöðuknúið herðakerfi (Mynd 2). „Með viðhaldi innanlands hefurðu aðeins rafhlöðuorku,“ benti Bergen á. „Allur vinnslubúnaðurinn í viðgerðarbúnaðinum sem við þróuðum er þráðlaus. Þetta felur í sér rafhlöðuknúna varmatengingu sem er þróuð í sameiningu af Custom Technologies og birgir WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, Bandaríkjunum) vél. „Þessi rafhlöðuknúna varmabindiefni er forforritað til að ljúka herðingu, svo nýliðar þurfa ekki að forrita hertunarferlið,“ sagði Crane. „Þeir þurfa bara að ýta á takka til að klára rétta rampinn og liggja í bleyti. Rafhlöðurnar sem nú eru í notkun geta varað í eitt ár áður en þær þarf að endurhlaða.
Þegar öðrum áfanga verkefnisins er lokið er Custom Technologies að undirbúa eftirfylgnitillögur um umbætur og safna áhuga- og stuðningsbréfum. „Markmið okkar er að þroska þessa tækni í TRL 8 og koma henni á vettvang,“ sagði Bergen. „Við sjáum líka möguleika á umsóknum utan hernaðar.
Útskýrir gamla listina á bak við fyrstu trefjastyrkingu iðnaðarins og hefur djúpstæðan skilning á nýjum trefjavísindum og framtíðarþróun.
Væntanlegur og flýgur í fyrsta skipti, 787 treystir á nýjungar í samsettum efnum og ferlum til að ná markmiðum sínum
Pósttími: 02-02-2021