کیت آسان برای استفاده، تعمیر سازه‌های کامپوزیتی را در محل امکان‌پذیر می‌کند | دنیای کامپوزیت‌ها

این کیت قابل حمل را می‌توان با الیاف شیشه/وینیل استر یا الیاف کربن/اپوکسی پیش‌آغشته‌ی پخت‌شونده با اشعه‌ی فرابنفش که در دمای اتاق نگهداری می‌شوند و تجهیزات پخت باتری‌دار تعمیر کرد. #insidemanufacturing #infrastructure
تعمیر وصله پیش‌پرگ قابل پخت با اشعه ماوراء بنفش اگرچه تعمیر پیش‌پرگ فیبر کربن/اپوکسی که توسط Custom Technologies LLC برای پل کامپوزیتی infield توسعه داده شده است، ساده و سریع بوده است، اما استفاده از رزین وینیل استر پیش‌پرگ تقویت شده با فیبر شیشه‌ای قابل پخت با اشعه ماوراء بنفش، سیستم راحت‌تری را توسعه داده است. منبع تصویر: Custom Technologies LLC
پل‌های مدولار قابل استقرار، دارایی‌های حیاتی برای عملیات تاکتیکی نظامی و لجستیک و همچنین بازسازی زیرساخت‌های حمل و نقل در هنگام بلایای طبیعی هستند. سازه‌های کامپوزیتی برای کاهش وزن چنین پل‌هایی مورد مطالعه قرار می‌گیرند و در نتیجه بار وارده بر وسایل نقلیه حمل و نقل و مکانیسم‌های بازیابی-به آب‌اندازی کاهش می‌یابد. در مقایسه با پل‌های فلزی، مواد کامپوزیتی همچنین پتانسیل افزایش ظرفیت تحمل بار و افزایش طول عمر مفید را دارند.
پل کامپوزیت مدولار پیشرفته (AMCB) نمونه‌ای از این دست است. شرکت‌های Seemann Composites LLC (گلفپورت، می‌سی‌سی‌پی، ایالات متحده) و Materials Sciences LLC (هورشام، پنسیلوانیا، ایالات متحده) از ورقه‌های اپوکسی تقویت‌شده با الیاف کربن استفاده می‌کنند (شکل 1). طراحی و ساخت). با این حال، توانایی تعمیر چنین سازه‌هایی در محل، مسئله‌ای بوده است که مانع از پذیرش مواد کامپوزیتی می‌شود.
شکل 1 پل کامپوزیتی، دارایی کلیدی درون زمینی پل کامپوزیتی مدولار پیشرفته (AMCB) توسط Seemann Composites LLC و Materials Sciences LLC با استفاده از کامپوزیت‌های رزین اپوکسی تقویت‌شده با الیاف کربن طراحی و ساخته شد. منبع تصویر: Seeman Composites LLC (چپ) و ارتش ایالات متحده (راست).
در سال ۲۰۱۶، شرکت Custom Technologies LLC (میلرزویل، مریلند، ایالات متحده) کمک هزینه فاز ۱ تحقیقات نوآوری کسب و کارهای کوچک (SBIR) را که توسط ارتش ایالات متحده تأمین مالی شده بود، برای توسعه یک روش تعمیر که بتواند با موفقیت توسط سربازان در محل انجام شود، دریافت کرد. بر اساس این رویکرد، مرحله دوم کمک هزینه SBIR در سال ۲۰۱۸ اعطا شد تا نشان دهد که مواد جدید و تجهیزات باتری‌دار، حتی اگر وصله توسط یک فرد تازه کار و بدون آموزش قبلی انجام شود، ۹۰٪ یا بیشتر از سازه را می‌توان بازیابی کرد. استحکام خام. امکان‌سنجی این فناوری با انجام مجموعه‌ای از تجزیه و تحلیل، انتخاب مواد، ساخت نمونه و آزمایش‌های مکانیکی و همچنین تعمیرات در مقیاس کوچک و بزرگ تعیین می‌شود.
محقق اصلی در دو مرحله SBIR، مایکل برگن، بنیانگذار و رئیس شرکت Custom Technologies LLC است. برگن از کاردراک در مرکز جنگ سطحی نیروی دریایی (NSWC) بازنشسته شد و به مدت ۲۷ سال در بخش سازه‌ها و مواد خدمت کرد، جایی که او توسعه و کاربرد فناوری‌های کامپوزیتی را در ناوگان نیروی دریایی ایالات متحده مدیریت کرد. دکتر راجر کرین پس از بازنشستگی از نیروی دریایی ایالات متحده در سال ۲۰۱۱، در سال ۲۰۱۵ به Custom Technologies پیوست و به مدت ۳۲ سال خدمت کرده است. تخصص او در زمینه مواد کامپوزیتی شامل انتشارات فنی و ثبت اختراعات است که موضوعاتی مانند مواد کامپوزیتی جدید، ساخت نمونه اولیه، روش‌های اتصال، مواد کامپوزیتی چند منظوره، نظارت بر سلامت سازه و ترمیم مواد کامپوزیتی را پوشش می‌دهد.
این دو متخصص فرآیند منحصر به فردی را توسعه داده‌اند که از مواد کامپوزیت برای ترمیم ترک‌های موجود در روسازه آلومینیومی رزم‌ناو ۵۴۵۶ کلاس Ticonderoga CG-47 مجهز به موشک‌های هدایت‌شونده استفاده می‌کند. برگن گفت: «این فرآیند برای کاهش رشد ترک‌ها و به عنوان یک جایگزین اقتصادی برای جایگزینی تخته سکو با هزینه ۲ تا ۴ میلیون دلار توسعه داده شده است. بنابراین ما ثابت کردیم که می‌دانیم چگونه تعمیرات را خارج از آزمایشگاه و در یک محیط عملیاتی واقعی انجام دهیم. اما چالش این است که روش‌های فعلی دارایی‌های نظامی خیلی موفق نیستند. گزینه موجود، تعمیر دوطرفه پیوندی [اساساً در مناطق آسیب‌دیده، چسباندن یک تخته به بالای آن] یا خارج کردن دارایی از سرویس برای تعمیرات در سطح انبار (سطح D) است. از آنجا که تعمیرات سطح D مورد نیاز است، بسیاری از دارایی‌ها کنار گذاشته می‌شوند.»
او در ادامه گفت که چیزی که مورد نیاز است، روشی است که سربازانی که هیچ تجربه‌ای در مواد کامپوزیتی ندارند، بتوانند آن را انجام دهند و فقط از کیت‌ها و دفترچه‌های راهنمای نگهداری استفاده کنند. هدف ما ساده کردن این فرآیند است: دفترچه راهنما را بخوانید، میزان آسیب را ارزیابی کنید و تعمیرات را انجام دهید. ما نمی‌خواهیم رزین‌های مایع را مخلوط کنیم، زیرا این کار نیاز به اندازه‌گیری دقیق برای اطمینان از پخت کامل دارد. ما همچنین به سیستمی نیاز داریم که پس از اتمام تعمیرات، هیچ زباله خطرناکی نداشته باشد. و باید به صورت کیت بسته‌بندی شود که توسط شبکه موجود قابل استفاده باشد.
یکی از راه‌حل‌هایی که Custom Technologies با موفقیت نشان داد، یک کیت قابل حمل است که از یک چسب اپوکسی سفت‌شده برای سفارشی‌سازی وصله کامپوزیت چسبی با توجه به اندازه آسیب (تا ۱۲ اینچ مربع) استفاده می‌کند. این آزمایش روی یک ماده کامپوزیتی که نمایانگر یک عرشه AMCB با ضخامت ۳ اینچ است، تکمیل شد. این ماده کامپوزیتی دارای یک هسته چوب بالسا به ضخامت ۳ اینچ (چگالی ۱۵ پوند بر فوت مکعب) و دو لایه پارچه دوخته شده دو محوره Vectorply C-LT 1100 با زاویه ۰ درجه/۹۰ درجه، یک لایه الیاف کربن C-TLX 1900 با زاویه ۰ درجه/+۴۵ درجه/-۴۵ درجه و دو لایه C-LT 1100، در مجموع پنج لایه است. کرین گفت: «ما تصمیم گرفتیم که این کیت از وصله‌های پیش‌ساخته در یک لمینت شبه‌ایزوتروپیک مشابه چند محوره استفاده کند تا جهت پارچه مشکلی ایجاد نکند.»
مسئله بعدی، ماتریس رزینی مورد استفاده برای تعمیر لمینت است. برای جلوگیری از مخلوط شدن رزین مایع، پچ از پیش‌پرگ (prepreg) استفاده خواهد کرد. برگن توضیح داد: «با این حال، این چالش‌ها مربوط به ذخیره‌سازی هستند.» برای توسعه یک راه‌حل پچ قابل ذخیره‌سازی، Custom Technologies با Sunrez Corp. (ال کاجون، کالیفرنیا، ایالات متحده آمریکا) همکاری کرده است تا یک پیش‌پرگ الیاف شیشه/وینیل استر تولید کند که می‌تواند در شش دقیقه از نور ماوراء بنفش (UV) استفاده کند و با نور خشک شود. همچنین با Gougeon Brothers (بی سیتی، میشیگان، ایالات متحده آمریکا) همکاری کرد که استفاده از یک فیلم اپوکسی انعطاف‌پذیر جدید را پیشنهاد داد.
مطالعات اولیه نشان داده‌اند که رزین اپوکسی مناسب‌ترین رزین برای پیش‌پرده‌های فیبر کربن است - وینیل استر قابل پخت با اشعه ماوراء بنفش و الیاف شیشه شفاف به خوبی کار می‌کنند، اما زیر فیبر کربن مسدودکننده نور پخت نمی‌شوند. بر اساس فیلم جدید برادران گوجن، پیش‌پرده اپوکسی نهایی به مدت ۱ ساعت در دمای ۲۱۰ درجه فارنهایت/۹۹ درجه سانتیگراد پخت می‌شود و ماندگاری طولانی در دمای اتاق دارد - نیازی به نگهداری در دمای پایین نیست. برگن گفت که اگر دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) بالاتری مورد نیاز باشد، رزین نیز در دمای بالاتر، مانند ۳۵۰ درجه فارنهایت/۱۷۷ درجه سانتیگراد، پخت می‌شود. هر دو پیش‌پرده در یک کیت تعمیر قابل حمل به عنوان مجموعه‌ای از وصله‌های پیش‌پرده که در یک پاکت فیلم پلاستیکی مهر و موم شده‌اند، ارائه می‌شوند.
از آنجایی که کیت تعمیر ممکن است برای مدت طولانی نگهداری شود، شرکت Custom Technologies موظف است مطالعه‌ای در مورد ماندگاری آن انجام دهد. برگن گفت: «ما چهار محفظه پلاستیکی سخت - یک نوع معمول نظامی که در تجهیزات حمل و نقل استفاده می‌شود - خریداری کردیم و نمونه‌هایی از چسب اپوکسی و پیش آغشته وینیل استر را در هر محفظه قرار دادیم.» سپس جعبه‌ها برای آزمایش در چهار مکان مختلف قرار داده شدند: سقف کارخانه برادران گوگن در میشیگان، سقف فرودگاه مریلند، تأسیسات فضای باز در دره یوکا (صحرای کالیفرنیا) و آزمایشگاه آزمایش خوردگی فضای باز در جنوب فلوریدا. برگن خاطرنشان می‌کند که همه جعبه‌ها دارای ثبت‌کننده داده‌ها هستند. «ما هر سه ماه یکبار داده‌ها و نمونه‌های مواد را برای ارزیابی جمع‌آوری می‌کنیم. حداکثر دمای ثبت شده در جعبه‌ها در فلوریدا و کالیفرنیا ۱۴۰ درجه فارنهایت است که برای اکثر رزین‌های ترمیمی مناسب است. این یک چالش واقعی است.» علاوه بر این، برادران گوگن رزین اپوکسی خالص تازه توسعه یافته را به صورت داخلی آزمایش کردند. برگن گفت: «نمونه‌هایی که برای چند ماه در فر با دمای ۱۲۰ درجه فارنهایت قرار گرفته‌اند، شروع به پلیمریزه شدن می‌کنند.» «با این حال، برای نمونه‌های مربوطه که در دمای ۱۱۰ درجه فارنهایت نگهداری شدند، شیمی رزین تنها مقدار کمی بهبود یافت.»
این تعمیر روی تخته آزمایشی و این مدل مقیاس‌بندی شده از AMCB تأیید شد، که از همان لایه و مواد اصلی پل اصلی ساخته شده توسط Seemann Composites استفاده می‌کرد. منبع تصویر: Custom Technologies LLC
برای نشان دادن تکنیک تعمیر، باید یک لمینت نمونه تولید، آسیب دیده و تعمیر شود. کلاین گفت: «در مرحله اول پروژه، ابتدا از تیرهای کوچک ۴ در ۴۸ اینچی و آزمایش‌های خمش چهار نقطه‌ای برای ارزیابی امکان‌سنجی فرآیند تعمیر خود استفاده کردیم.» «سپس، در مرحله دوم پروژه به پنل‌های ۱۲ در ۴۸ اینچی روی آوردیم، بارهایی را برای ایجاد حالت تنش دو محوره برای ایجاد شکست اعمال کردیم و سپس عملکرد تعمیر را ارزیابی کردیم. در مرحله دوم، مدل AMCB را که ساخته بودیم، یعنی Maintenance، نیز تکمیل کردیم.»
برگن گفت که پنل آزمایشی مورد استفاده برای اثبات عملکرد تعمیر، با استفاده از همان نوع لمینت‌ها و مواد هسته AMCB تولید شده توسط Seemann Composites ساخته شده است، "اما ما ضخامت پنل را بر اساس قضیه محور موازی از 0.375 اینچ به 0.175 اینچ کاهش دادیم. این مورد است. این روش، همراه با عناصر اضافی نظریه تیر و نظریه لمینت کلاسیک [CLT]، برای پیوند دادن ممان اینرسی و سختی مؤثر AMCB در مقیاس کامل با یک محصول آزمایشی با اندازه کوچکتر که راحت‌تر قابل حمل و مقرون به صرفه‌تر است، استفاده شد. سپس، ما از مدل تحلیل المان محدود [FEA] توسعه یافته توسط XCraft Inc. (بوستون، ماساچوست، ایالات متحده آمریکا) برای بهبود طراحی تعمیرات سازه‌ای استفاده کردیم." پارچه الیاف کربن مورد استفاده برای پنل‌های آزمایشی و مدل AMCB از Vectorply خریداری شد و هسته بالسا توسط Core Composites (بریستول، رود آیلند، ایالات متحده آمریکا) ساخته شد.
مرحله ۱. این پنل آزمایشی، سوراخی به قطر ۳ اینچ را نمایش می‌دهد تا آسیب علامت‌گذاری شده در مرکز را شبیه‌سازی کرده و محیط آن را تعمیر کند. منبع عکس برای تمام مراحل: Custom Technologies LLC.
مرحله ۲. از یک سنگ فرز دستی باتری‌دار برای برداشتن مواد آسیب‌دیده و پوشاندن محل تعمیر با یک مخروط ۱۲:۱ استفاده کنید.
برگن توضیح داد: «ما می‌خواهیم درجه آسیب بیشتری را روی تخته آزمایشی نسبت به آنچه ممکن است در عرشه پل در محل دیده شود، شبیه‌سازی کنیم. بنابراین روش ما این است که از یک اره سوراخ‌کن برای ایجاد سوراخی به قطر 3 اینچ استفاده کنیم. سپس، درپوش مواد آسیب‌دیده را بیرون می‌کشیم و از یک آسیاب بادی دستی برای پردازش یک شال با نسبت 12:1 استفاده می‌کنیم.»
کرین توضیح داد که برای تعمیر فیبر کربن/اپوکسی، پس از برداشتن ماده پنل «آسیب‌دیده» و اعمال یک شال مناسب، پیش‌پرگ به عرض و طول برش داده می‌شود تا با شیب ناحیه آسیب‌دیده مطابقت داشته باشد. «برای پنل آزمایشی ما، این کار به چهار لایه پیش‌پرگ نیاز دارد تا ماده تعمیر با بالای پنل کربنی اصلی آسیب‌ندیده سازگار باشد. پس از آن، سه لایه پوشاننده پیش‌پرگ کربن/اپوکسی روی این قسمت تعمیر شده متمرکز می‌شوند. هر لایه متوالی ۱ اینچ از همه طرف لایه پایینی امتداد می‌یابد که انتقال تدریجی بار از ماده «خوب» اطراف به ناحیه تعمیر شده را فراهم می‌کند.» کل زمان انجام این تعمیر - شامل آماده‌سازی ناحیه تعمیر، برش و قرار دادن ماده ترمیم و اعمال روش پخت - تقریباً ۲.۵ ساعت است.
برای الیاف کربن/اپوکسی پیش‌آغشته، ناحیه تعمیر در خلاء بسته‌بندی شده و به مدت یک ساعت با استفاده از یک اتصال‌دهنده حرارتی باتری‌دار در دمای ۹۹ درجه سانتیگراد/۲۱۰ درجه فارنهایت عمل‌آوری می‌شود.
اگرچه تعمیر کربن/اپوکسی ساده و سریع است، اما تیم نیاز به یک راه‌حل راحت‌تر برای بازیابی عملکرد را تشخیص داد. این امر منجر به کاوش در پیش‌پرده‌های پخت‌شده با اشعه ماوراء بنفش (UV) شد. برگن توضیح داد: «علاقه به رزین‌های وینیل استر Sunrez بر اساس تجربه قبلی دریایی با بنیانگذار شرکت، مارک لیوسی، است. ما ابتدا با استفاده از پیش‌پرده وینیل استر آنها، یک پارچه شیشه‌ای شبه‌ایزوتروپیک را در اختیار Sunrez قرار دادیم و منحنی پخت را در شرایط مختلف ارزیابی کردیم. علاوه بر این، از آنجا که می‌دانیم رزین وینیل استر مانند رزین اپوکسی نیست که عملکرد چسبندگی ثانویه مناسبی را ارائه دهد، بنابراین تلاش‌های بیشتری برای ارزیابی عوامل اتصال لایه چسب مختلف و تعیین اینکه کدام یک برای کاربرد مناسب است، مورد نیاز است.»
مشکل دیگر این است که الیاف شیشه نمی‌توانند خواص مکانیکی مشابه الیاف کربن را ارائه دهند. کرین گفت: «در مقایسه با وصله کربن/اپوکسی، این مشکل با استفاده از یک لایه اضافی شیشه/وینیل استر حل می‌شود. دلیل اینکه فقط به یک لایه اضافی نیاز است این است که جنس شیشه، پارچه‌ای سنگین‌تر است.» این کار، وصله‌ای مناسب ایجاد می‌کند که می‌تواند حتی در دماهای بسیار سرد/منجمد داخل مزرعه، ظرف شش دقیقه اعمال و ترکیب شود. عمل‌آوری بدون نیاز به گرما. کرین خاطرنشان کرد که این کار تعمیر را می‌توان ظرف یک ساعت انجام داد.
هر دو سیستم وصله آزمایش و بررسی شده‌اند. برای هر تعمیر، ناحیه آسیب‌دیده علامت‌گذاری می‌شود (مرحله ۱)، با اره سوراخ‌کن ایجاد می‌شود و سپس با استفاده از یک سنگ‌زن دستی باتری‌دار برداشته می‌شود (مرحله ۲). سپس ناحیه تعمیر شده را به صورت مخروطی ۱۲:۱ برش دهید. سطح روسری را با یک پد الکلی تمیز کنید (مرحله ۳). سپس، وصله تعمیر را به اندازه مشخصی برش دهید، آن را روی سطح تمیز شده قرار دهید (مرحله ۴) و با غلتک آن را محکم کنید تا حباب‌های هوا از بین بروند. برای پیش‌آغشته وینیل استر با پخت UV/فایبرگلاس، سپس لایه جداکننده را روی ناحیه تعمیر شده قرار دهید و وصله را به مدت شش دقیقه با لامپ UV بی‌سیم پخت کنید (مرحله ۵). برای پیش‌آغشته فیبر کربن/اپوکسی، از یک اتصال‌دهنده حرارتی تک دکمه‌ای باتری‌دار از پیش برنامه‌ریزی شده برای بسته‌بندی وکیوم شده و پخت ناحیه تعمیر شده در دمای ۲۱۰ درجه فارنهایت/۹۹ درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت استفاده کنید.
مرحله ۵. پس از قرار دادن لایه لایه بردار روی ناحیه ترمیم شده، از یک لامپ UV بی‌سیم برای خشک کردن وصله به مدت ۶ دقیقه استفاده کنید.
برگن گفت: «سپس آزمایش‌هایی را برای ارزیابی چسبندگی وصله و توانایی آن در بازیابی ظرفیت باربری سازه انجام دادیم. در مرحله اول، باید سهولت کاربرد و توانایی بازیابی حداقل 75٪ از مقاومت را اثبات کنیم. این کار با خمش چهار نقطه‌ای روی یک تیر فیبر کربن/رزین اپوکسی 4 در 48 اینچی و هسته بالسا پس از تعمیر آسیب شبیه‌سازی شده انجام می‌شود. بله. در مرحله دوم پروژه از یک پنل 12 در 48 اینچی استفاده شد و باید بیش از 90٪ الزامات مقاومت را تحت بارهای کرنشی پیچیده نشان دهد. ما همه این الزامات را برآورده کردیم و سپس از روش‌های تعمیر روی مدل AMCB عکس گرفتیم. چگونه از فناوری و تجهیزات infield برای ارائه یک مرجع بصری استفاده کنیم.»
یکی از جنبه‌های کلیدی این پروژه، اثبات این است که افراد تازه‌کار نیز می‌توانند به راحتی تعمیر را انجام دهند. به همین دلیل، برگن ایده‌ای داشت: «من قول داده‌ام که این موضوع را به دو رابط فنی‌مان در ارتش نشان دهم: دکتر برنارد سیا و اشلی جنا. در بررسی نهایی مرحله اول پروژه، من درخواست کردم که هیچ تعمیری انجام نشود. اشلی باتجربه تعمیر را انجام داد. او با استفاده از کیت و دفترچه راهنمایی که ارائه دادیم، وصله را اعمال کرد و تعمیر را بدون هیچ مشکلی انجام داد.»
شکل 2 دستگاه اتصال حرارتی باتری‌خور با قابلیت پخت از پیش برنامه‌ریزی‌شده و پخت، می‌تواند وصله تعمیری فیبر کربن/اپوکسی را تنها با فشار یک دکمه، بدون نیاز به دانش تعمیر یا برنامه‌ریزی چرخه پخت، پخت کند. منبع تصویر: Custom Technologies, LLC
یکی دیگر از پیشرفت‌های کلیدی، سیستم پخت باتری‌دار است (شکل ۲). برگن خاطرنشان کرد: «از طریق تعمیر و نگهداری در محل، شما فقط از باتری استفاده می‌کنید. تمام تجهیزات فرآیندی در کیت تعمیری که ما توسعه داده‌ایم بی‌سیم هستند.» این شامل اتصال حرارتی باتری‌دار است که به طور مشترک توسط Custom Technologies و تأمین‌کننده دستگاه اتصال حرارتی WichiTech Industries Inc. (رندالستاون، مریلند، ایالات متحده آمریکا) توسعه داده شده است. کرین گفت: «این اتصال حرارتی باتری‌دار از قبل برای تکمیل پخت برنامه‌ریزی شده است، بنابراین افراد تازه‌کار نیازی به برنامه‌ریزی چرخه پخت ندارند. آنها فقط باید یک دکمه را فشار دهند تا سطح شیب‌دار و خیساندن مناسب را تکمیل کنند.» باتری‌هایی که در حال حاضر استفاده می‌شوند می‌توانند تا یک سال دوام بیاورند و سپس نیاز به شارژ مجدد داشته باشند.
با تکمیل مرحله دوم پروژه، شرکت Custom Technologies در حال آماده‌سازی پیشنهادهای بهبود بعدی و جمع‌آوری نامه‌های ابراز علاقه و پشتیبانی است. برگن گفت: «هدف ما این است که این فناوری را به سطح TRL 8 برسانیم و آن را به مرحله اجرا برسانیم. ما همچنین پتانسیل کاربردهای غیرنظامی را در آن می‌بینیم.»
هنر قدیمی پشت اولین تقویت‌کننده الیاف در صنعت را توضیح می‌دهد و درک عمیقی از علم الیاف جدید و توسعه آینده دارد.
هواپیمای ۷۸۷ که به زودی و برای اولین بار پرواز خواهد کرد، برای دستیابی به اهداف خود به نوآوری در مواد و فرآیندهای کامپوزیت متکی است.