کیت با استفاده آسان امکان تعمیر در محل ساختارهای کامپوزیت را فراهم می کند | دنیای کامپوزیت ها

کیت قابل حمل را می توان با فایبرگلاس/وینیل استر با اشعه ماوراء بنفش یا فیبر کربن/اپوکسی که در دمای اتاق و تجهیزات پخت و پز باتری ذخیره می شود ، تعمیر کرد. #InsidEmanuFacturing
ترمیم Prepreg Patreg UV-Cablate اگرچه ترمیم فیبر کربن/اپوکسی از پیش پروژ ساخته شده توسط Custom Technologies LLC برای پل کامپوزیت infield ساده و سریع ثابت شده است ، استفاده از فیبر شیشه ای تقویت شده با فیبر وینیل استر از پیش نمایشی یک سیستم راحت تر ایجاد کرده است بشر منبع تصویر: Custom Technologies LLC
پل های قابل استفاده ماژولار دارایی های مهمی برای عملیات تاکتیکی نظامی و تدارکات و همچنین ترمیم زیرساخت های حمل و نقل در هنگام بلایای طبیعی است. ساختارهای کامپوزیت برای کاهش وزن چنین پل ها مورد مطالعه قرار می گیرد و از این طریق بار وسایل نقلیه حمل و نقل و مکانیسم های بازیابی را کاهش می دهد. در مقایسه با پل های فلزی ، مواد کامپوزیت همچنین پتانسیل افزایش ظرفیت بارگذاری و افزایش عمر خدمات را دارند.
پل کامپوزیت مدولار پیشرفته (AMCB) نمونه ای است. Seemann Composites LLC (Gulfport ، Mississippi ، US) و Science Science LLC (Horsham ، PA ، US) از لمینت های اپوکسی تقویت شده با فیبر کربن استفاده می کنند (شکل 1). ) طراحی و ساخت). با این حال ، توانایی ترمیم چنین سازه هایی در این زمینه موضوعی بوده است که مانع از پذیرش مواد کامپوزیت می شود.
شکل 1 پل کامپوزیت ، دارایی اصلی دارایی infield پیشرفته پل کامپوزیت مدولار (AMCB) توسط Seemann Composites LLC و Science Science LLC با استفاده از کامپوزیت های رزین اپوکسی تقویت شده با فیبر کربن طراحی و ساخته شد. منبع تصویر: Seeman Composites LLC (سمت چپ) و ارتش ایالات متحده (سمت راست).
در سال 2016 ، Custom Technologies LLC (Millersville ، MD ، US) یک کمک هزینه فاز 1 تحقیق در زمینه نوآوری مشاغل کوچک ارتش (SBIR) دریافت کرد تا یک روش تعمیر را تهیه کند که بتواند با موفقیت در محل توسط سربازان انجام شود. براساس این رویکرد ، مرحله دوم کمک هزینه SBIR در سال 2018 برای به نمایش گذاشتن مواد جدید و تجهیزات باتری اعطا شد ، حتی اگر این پچ توسط یک تازه کار و بدون آموزش قبلی انجام شود ، 90 ٪ یا بیشتر از ساختار می تواند به صورت خام بازیابی شود قدرت امکان سنجی این فناوری با انجام یک سری از تجزیه و تحلیل ، انتخاب مواد ، ساخت نمونه و کارهای آزمایش مکانیکی و همچنین تعمیرات در مقیاس کوچک و در مقیاس کامل تعیین می شود.
محقق اصلی در دو مرحله SBIR مایکل برگن ، بنیانگذار و رئیس جمهور Custom Technologies LLC است. برگن از Carderock از مرکز جنگ سطح نیروی دریایی (NSWC) بازنشسته شد و به مدت 27 سال در بخش سازه ها و مواد خدمت کرد ، جایی که وی مدیریت و کاربرد فن آوری های کامپوزیت را در ناوگان نیروی دریایی ایالات متحده مدیریت کرد. دکتر راجر کرین پس از بازنشستگی از نیروی دریایی ایالات متحده در سال 2011 ، در سال 2015 به فناوری های سفارشی پیوست و 32 سال خدمت کرده است. تخصص مواد کامپوزیت وی شامل نشریات فنی و حق ثبت اختراع ، موضوعاتی مانند مواد کامپوزیت جدید ، تولید نمونه اولیه ، روش های اتصال ، مواد کامپوزیت چند منظوره ، نظارت بر سلامت ساختاری و ترمیم مواد کامپوزیت است.
این دو کارشناس یک فرآیند منحصر به فرد را تهیه کرده اند که از مواد کامپوزیتی برای ترمیم ترک های موجود در روبنا آلومینیومی از کروزر موشکی هدایت شده کلاس Ticonderoga CG-47 استفاده می کند. برای جایگزینی یک هیئت مدیره پلتفرم 2 تا 4 میلیون دلار. " "بنابراین ما ثابت کردیم که می دانیم چگونه تعمیرات را در خارج از آزمایشگاه و در یک محیط خدمات واقعی انجام دهیم. اما چالش این است که روشهای فعلی دارایی نظامی خیلی موفق نیستند. این گزینه تعمیر دوبلکس پیوند خورده است [اساساً در مناطق آسیب دیده یک تخته به بالا چسبیده است] یا دارایی را از خدمات برای تعمیرات سطح انبار (سطح D) حذف کنید. از آنجا که تعمیرات سطح D مورد نیاز است ، بسیاری از دارایی ها کنار گذاشته می شوند. "
وی در ادامه گفت: آنچه مورد نیاز است روشی است که می تواند توسط سربازانی که هیچ تجربه ای در مواد کامپوزیت ندارند ، با استفاده از فقط کیت ها و کتابچه های نگهداری انجام شود. هدف ما این است که روند کار ساده کنیم: کتابچه راهنما را بخوانید ، آسیب را ارزیابی کنید و تعمیرات را انجام دهید. ما نمی خواهیم رزین های مایع را مخلوط کنیم ، زیرا این امر برای اطمینان از درمان کامل نیاز به اندازه گیری دقیق دارد. ما همچنین پس از اتمام تعمیرات ، به سیستمی که زباله خطرناک نداشته باشد ، نیاز داریم. و باید به عنوان کیت که می تواند توسط شبکه موجود مستقر شود ، بسته بندی شود. "
یک راه حل که فناوری های سفارشی با موفقیت نشان داده اند ، یک کیت قابل حمل است که از یک چسب اپوکسی سفت شده برای سفارشی کردن پچ کامپوزیت چسب با توجه به اندازه آسیب (حداکثر 12 اینچ مربع) استفاده می کند. این تظاهرات بر روی یک ماده کامپوزیت که نمایانگر یک عرشه AMCB با ضخامت 3 اینچی است ، به پایان رسید. ماده کامپوزیت دارای یک هسته چوب بالسا با ضخامت 3 اینچی (15 پوند در هر چگالی پای مکعب) و دو لایه بردار (ققنوس ، آریزونا ، ایالات متحده) C -LT 1100 فیبر کربن 0 °/90 ° پارچه بخیه دو محوره ، یک لایه از فیبر کربن C-TLX 1900 0 °/+45 °/-45 ° سه شفت و دو لایه C-LT 1100 ، در کل پنج لایه. کرین گفت: "ما تصمیم گرفتیم که این کیت از تکه های پیش ساخته در لمینت شبه ایزوتروپیک شبیه به یک محور چند محور استفاده کند تا جهت پارچه مسئله ای نباشد."
مسئله بعدی ماتریس رزین است که برای ترمیم لمینت استفاده می شود. به منظور جلوگیری از مخلوط کردن رزین مایع ، پچ از prepreg استفاده می کند. برگن توضیح داد: "با این حال ، این چالش ها ذخیره سازی است." برای تهیه یک راه حل پچ قابل حمل ، Technologies Custom با Sunrez Corp. (El Cajon ، California ، USA) همکاری کرده است تا یک فیبر شیشه ای/وینیل استر را تهیه کند که می تواند از نور ماوراء بنفش (UV) در شش دقیقه پخت نور استفاده کند. این کشور همچنین با برادران گوژون (بی سیتی ، میشیگان ، ایالات متحده) همکاری کرد ، که پیشنهاد استفاده از یک فیلم جدید اپوکسی انعطاف پذیر را نشان داد.
مطالعات اولیه نشان داده است که رزین اپوکسی مناسب ترین رزین برای فیبر کربن وینیل استر قابل استفاده از فیبر کربن است و فیبر شیشه ای شفاف به خوبی کار می کند ، اما تحت الیاف کربن مسدود کننده درمان نمی شود. بر اساس فیلم جدید برادران Gougeon ، Prepreg نهایی Epoxy به مدت 1 ساعت در دمای 210 درجه فارنهایت/99 درجه سانتیگراد درمان می شود و در دمای اتاق و بدون نیاز به فضای کم مصرف ، ماندگاری طولانی دارد. برگن گفت که در صورت نیاز به دمای انتقال شیشه بالاتر (TG) ، رزین نیز در دمای بالاتر مانند 350 درجه فارنهایت/177 درجه سانتیگراد درمان می شود. هر دو پیش نمایش در یک کیت تعمیر قابل حمل به عنوان پشته ای از تکه های از پیش استفاده شده در یک پاکت فیلم پلاستیکی تهیه شده اند.
از آنجا که کیت تعمیر ممکن است برای مدت طولانی ذخیره شود ، فن آوری های سفارشی برای انجام یک مطالعه ماندگاری لازم است. برگن گفت: "ما چهار محوطه پلاستیکی سخت خریداری کردیم - یک نوع نظامی معمولی که در تجهیزات حمل و نقل مورد استفاده قرار می گیرد و نمونه هایی از چسب اپوکسی و وینیل استر را در هر محوطه قرار داده ایم." جعبه ها سپس در چهار مکان مختلف برای آزمایش قرار گرفتند: سقف کارخانه برادران Gougeon در میشیگان ، سقف فرودگاه مریلند ، تأسیسات در فضای باز در دره یوکا (صحرای کالیفرنیا) و آزمایشگاه آزمایش خوردگی در فضای باز در جنوب فلوریدا. برگن خاطرنشان می کند: "همه موارد دارای گزارش داده هستند ،" ما برای ارزیابی هر سه ماه یکبار داده و نمونه می گیریم. حداکثر دمای ثبت شده در جعبه های فلوریدا و کالیفرنیا 140 درجه فارنهایت است که برای اکثر رزین های ترمیم مناسب است. این یک چالش واقعی است. " علاوه بر این ، برادران گوژون در داخل کشور رزین اپوکسی خالص تازه توسعه یافته را آزمایش کردند. برگن گفت: "نمونه هایی که برای چند ماه در دمای 120 درجه فارنهایت قرار داده شده اند ، شروع به پلیمریزاسیون می کنند." "با این حال ، برای نمونه های مربوطه که در دمای 110 درجه فارنهایت نگهداری می شود ، شیمی رزین فقط با مقدار کمی بهبود یافته است."
تعمیر در صفحه آزمون و این مدل مقیاس AMCB تأیید شد ، که از همان لمینت و مواد اصلی به عنوان پل اصلی ساخته شده توسط Composites Seemann استفاده می کرد. منبع تصویر: Custom Technologies LLC
برای نشان دادن تکنیک تعمیر ، یک لمینت نماینده باید تولید ، آسیب دیده و تعمیر شود. کلین گفت: "در مرحله اول پروژه ، ما در ابتدا از پرتوهای 48 48 اینچی در مقیاس کوچک و آزمایش های خمش چهار نقطه ای برای ارزیابی امکان سنجی روند تعمیر خود استفاده کردیم." "سپس ، ما در مرحله دوم پروژه به پانل های 12 48 48 اینچی منتقل شدیم ، بارهای زیادی را برای تولید یک حالت استرس دو محوره برای ایجاد خرابی اعمال کردیم و سپس عملکرد ترمیم را ارزیابی کردیم. در مرحله دوم ، ما همچنین مدل AMCB را که ساختیم ساخته ایم ، تکمیل کردیم. "
برگن گفت: پنل آزمایشی که برای اثبات عملکرد تعمیر استفاده می شود با استفاده از همان سلسله لمینت ها و مواد اصلی به عنوان AMCB ساخته شده توسط کامپوزیت های Seemann ساخته شده است ، "اما ما بر اساس قضیه موازی محور ، ضخامت پانل را از 0.375 اینچ به 0.175 اینچ کاهش دادیم. بشر این مورد است. از این روش ، همراه با عناصر اضافی نظریه پرتو و نظریه لمینت کلاسیک [CLT] ، برای پیوند لحظه بی تحرکی و سفتی مؤثر AMCB در مقیاس کامل با یک محصول نسخه ی نمایشی با اندازه کوچکتر استفاده شده است که کنترل آن آسان تر و بیشتر است مقرون به صرفه سپس ، ما مدل تجزیه و تحلیل عناصر محدود [FEA] ساخته شده توسط Xcraft Inc. (بوستون ، ماساچوست ، ایالات متحده) برای بهبود طراحی تعمیرات ساختاری استفاده شد. " پارچه فیبر کربن مورد استفاده برای پانل های آزمایشی و مدل AMCB از Vectorply خریداری شد و هسته بالسا توسط کامپوزیت های هسته (بریستول ، RI ، ایالات متحده) تهیه شده است.
مرحله 1. این پنل آزمایشی قطر سوراخ 3 اینچی را برای شبیه سازی آسیب های مشخص شده در مرکز و ترمیم محیط نشان می دهد. منبع عکس برای همه مراحل: Custom Technologies LLC.
مرحله 2. برای از بین بردن مواد آسیب دیده از یک چرخ دستی دستی باتری استفاده کنید و پچ تعمیر را با یک نوار 12: 1 محصور کنید.
برگن توضیح داد: "ما می خواهیم میزان خسارت بالاتری را در صفحه آزمایش شبیه سازی کنیم تا آنچه در عرشه پل در این زمینه دیده می شود." "بنابراین روش ما استفاده از اره سوراخ برای ایجاد سوراخ به قطر 3 اینچی است. سپس ، ما پلاگین مواد آسیب دیده را بیرون می کشیم و از یک چرخ دستی پنوماتیک دستی برای پردازش روسری 12: 1 استفاده می کنیم. "
جرثقیل توضیح داد که برای ترمیم فیبر کربن/اپوکسی ، پس از برداشتن مواد پانل "آسیب دیده" و روسری مناسب ، پیش از این به عرض و طول برش داده می شود تا با ضعف منطقه آسیب دیده مطابقت داشته باشد. وی گفت: "برای پنل آزمایشی ما ، این نیاز به چهار لایه prepreg دارد تا مواد تعمیر را با بالای صفحه اصلی کربن آسیب دیده سازگار نگه دارند. پس از آن ، سه لایه پوشش دهنده کربن/اپوکسی از قبل روی این قسمت در قسمت ترمیم شده متمرکز شده اند. هر لایه پی در پی 1 اینچ در همه طرف های لایه تحتانی امتداد دارد ، که انتقال تدریجی بار از مواد اطراف "خوب" را به منطقه تعمیر شده ارائه می دهد. " زمان کل برای انجام این تعمیر از جمله تهیه محل تعمیر ، برش و قرار دادن مواد ترمیم و استفاده از روش پخت و پز-به طور تقریبی 2.5 ساعت.
برای فیبر کربن/اپوکسی prepreg ، محل تعمیر بسته بندی شده و در دمای 210 درجه فارنهایت/99 درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت با استفاده از یک باتری حرارتی باتری انجام می شود.
اگرچه ترمیم کربن/اپوکسی ساده و سریع است ، تیم نیاز به یک راه حل راحت تر برای بازگرداندن عملکرد را تشخیص داد. این امر منجر به اکتشاف پیش فرض های ماوراء بنفش (UV) شد. برگن توضیح داد: "علاقه به رزین های Sunrez Vinyl Ester بر اساس تجربه قبلی دریایی با بنیانگذار این شرکت مارک Livesay است." وی گفت: "ما برای اولین بار پارچه شیشه ای شبه ایزوتروپیک را با استفاده از prepreg وینیل استر آنها تهیه کردیم و منحنی پخت را در شرایط مختلف ارزیابی کردیم. علاوه بر این ، زیرا می دانیم که رزین وینیل استر مانند رزین اپوکسی نیست که عملکرد چسبندگی ثانویه مناسب را فراهم می کند ، بنابراین تلاش های اضافی برای ارزیابی عوامل مختلف اتصال لایه چسب و تعیین اینکه کدام یک برای برنامه مناسب است لازم است. "
مشکل دیگر این است که الیاف شیشه ای نمی توانند همان ویژگی های مکانیکی مانند الیاف کربن را ارائه دهند. کرین گفت: "در مقایسه با پچ کربن/اپوکسی ، این مشکل با استفاده از یک لایه اضافی از شیشه/وینیل استر حل می شود." "دلیل نیاز به یک لایه اضافی این است که مواد شیشه ای پارچه ای سنگین تر است." این یک وصله مناسب را تولید می کند که می تواند در طی شش دقیقه حتی در دمای بسیار سرد/انجماد آن نیز استفاده شود و ترکیب شود. درمان بدون ایجاد گرما. جرثقیل خاطرنشان کرد: این کار تعمیر می تواند طی یک ساعت انجام شود.
هر دو سیستم پچ نشان داده شده و آزمایش شده اند. برای هر تعمیر ، منطقه آسیب دیده مشخص می شود (مرحله 1) ، با یک اره سوراخ ایجاد شده و سپس با استفاده از یک چرخ دستی دستی باتری (مرحله 2) برداشته می شود. سپس منطقه تعمیر شده را به یک نوار 12: 1 برش دهید. سطح روسری را با یک پد الکل تمیز کنید (مرحله 3). در مرحله بعد ، وصله تعمیر را به اندازه مشخص برش دهید ، آن را روی سطح تمیز شده (مرحله 4) قرار دهید و آن را با غلتک تثبیت کنید تا حباب های هوا را از بین ببرید. برای فیبر شیشه ای/وینیل استر با فیبر شیشه ای Prepreg ، سپس لایه رهاسازی را روی قسمت تعمیر شده قرار داده و پچ را با یک لامپ UV بی سیم به مدت شش دقیقه درمان کنید (مرحله 5). برای فیبر کربن/اپوکسی prepreg ، از قبل از برنامه ریزی شده ، یک دکمه ای ، باتری با باتری استفاده کنید تا بسته های خلاء را به مدت یک ساعت در دمای 210 درجه فارنهایت/99 درجه سانتیگراد درمان کنید.
مرحله 5 پس از قرار دادن لایه لایه برداری در قسمت تعمیر شده ، از یک لامپ UV بی سیم استفاده کنید تا به مدت 6 دقیقه وصله را درمان کنید.
برگن گفت: "سپس ما آزمایشاتی را برای ارزیابی چسبندگی پچ و توانایی آن در بازگرداندن ظرفیت بارگذاری سازه انجام دادیم." وی گفت: "در مرحله اول ، ما باید سهولت کاربرد و توانایی بازیابی حداقل 75 ٪ از قدرت را اثبات کنیم. این کار با خم شدن چهار امتیازی روی یک رزین کربن 4 48 اینچ کربن/اپوکسی و پرتو هسته بالسا پس از ترمیم آسیب شبیه سازی شده انجام می شود. بله در مرحله دوم این پروژه از یک پانل 12 48 اینچی استفاده شده است و باید بیش از 90 ٪ نیاز استحکام را در زیر بارهای کرنش پیچیده نشان دهد. ما با تمام این شرایط آشنا شدیم و سپس از روش های تعمیر در مدل AMCB عکس گرفتیم. نحوه استفاده از فناوری و تجهیزات Infield برای ارائه مرجع بصری. "
جنبه اصلی این پروژه اثبات این است که تازه کارها می توانند به راحتی تعمیر را تکمیل کنند. به همین دلیل ، برگن ایده ای داشت: "من قول داده ام كه ​​به دو تماس فنی ما در ارتش نشان دهم: دکتر برنارد سیا و اشلی ژنا. در بررسی نهایی مرحله اول پروژه ، من درخواست تعمیرات نکردم. اشلی باتجربه تعمیر را انجام داد. او با استفاده از کیت و کتابچه راهنمای تهیه شده ، او را به کار برد و تعمیر را بدون هیچ مشکلی انجام داد. "
شکل 2 دستگاه با اتصال حرارتی از قبل برنامه ریزی شده با باتری ، باتری می تواند بدون نیاز به دانش تعمیر یا برنامه نویسی چرخه پخت ، وصله تعمیر فیبر کربن/اپوکسی را با فشار یک دکمه درمان کند. منبع تصویر: فن آوری های سفارشی ، LLC
پیشرفت مهم دیگر سیستم پخت باتری است (شکل 2). برگن خاطرنشان كرد: "از طریق تعمیر و نگهداری infield ، شما فقط باتری دارید." "تمام تجهیزات فرآیند موجود در کیت تعمیر که ما ایجاد کردیم بی سیم است." این شامل اتصال حرارتی با باتری است که به طور مشترک توسط فناوری های سفارشی و ماشین سازنده اتصال حرارتی Wichitech Industries Inc. (Randallstown ، Maryland ، USA) ساخته شده است. کرین گفت: "این کارآزمایی حرارتی باتری برای تکمیل پخت از قبل برنامه ریزی شده است ، بنابراین تازه کار نیازی به برنامه ریزی چرخه پخت ندارد." "آنها فقط باید یک دکمه را فشار دهند تا سطح شیب دار مناسب و خیس شود." باتری هایی که در حال حاضر در حال استفاده هستند می توانند یک سال قبل از شارژ مجدد دوام بیاورند.
با اتمام مرحله دوم پروژه ، Technologies Custom در حال تهیه پیشنهادات بهبود پیگیری و جمع آوری نامه های مورد علاقه و پشتیبانی است. برگن گفت: "هدف ما این است که این فناوری را به TRL 8 بالغ کنیم و آن را به میدان بیاوریم." "ما همچنین پتانسیل برنامه های غیر نظامی را می بینیم."
هنر قدیمی در اولین تقویت فیبر صنعت را توضیح می دهد و درک عمیقی از علم فیبر جدید و توسعه آینده دارد.
به زودی و برای اولین بار پرواز می کند ، 787 برای دستیابی به اهداف خود به نوآوری های موجود در مواد کامپوزیت و فرآیندها متکی است