کیت با کاربری آسان امکان تعمیر در محل سازه های کامپوزیتی را فراهم می کند | دنیای کامپوزیت ها

کیت قابل حمل را می توان با پشم شیشه/وینیل استر قابل درمان با اشعه ماوراء بنفش یا پیش آغشته به فیبر کربن/اپوکسی که در دمای اتاق نگهداری می شود و تجهیزات پخت با باتری قابل تعمیر است. #تولید داخلی #زیرساخت
تعمیر پچ prepreg قابل درمان با اشعه ماوراء بنفش اگرچه تعمیر پیش پرگ فیبر کربن/اپوکسی که توسط Custom Technologies LLC برای پل کامپوزیت داخل فیلد ایجاد شده است ساده و سریع است، استفاده از رزین وینیل استر تقویت شده با فیبر شیشه ای Prepreg سیستم راحت تری ایجاد کرده است. . منبع تصویر: Custom Technologies LLC
پل های قابل استقرار مدولار دارایی های حیاتی برای عملیات تاکتیکی نظامی و لجستیک و همچنین بازسازی زیرساخت های حمل و نقل در هنگام بلایای طبیعی هستند. ساختارهای کامپوزیتی برای کاهش وزن چنین پل‌هایی مورد مطالعه قرار می‌گیرند و در نتیجه بار وسایل نقلیه حمل و نقل و مکانیسم‌های پرتاب-بازیابی را کاهش می‌دهند. در مقایسه با پل های فلزی، مواد کامپوزیتی نیز پتانسیل افزایش ظرفیت باربری و افزایش عمر مفید را دارند.
پل کامپوزیت مدولار پیشرفته (AMCB) یک نمونه است. Seemann Composites LLC (Gulfport، می سی سی پی، ایالات متحده) و Materials Sciences LLC (Horsham, PA, US) از ورقه های اپوکسی تقویت شده با فیبر کربن استفاده می کنند (شکل 1). ) طراحی و ساخت). با این حال، توانایی تعمیر چنین سازه هایی در این زمینه موضوعی است که مانع پذیرش مواد کامپوزیت شده است.
شکل 1 پل کامپوزیت، دارایی کلیدی درون میدانی پل کامپوزیت مدولار پیشرفته (AMCB) توسط Seemann Composites LLC و Materials Sciences 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 (راست).
در سال 2016، Custom Technologies LLC (Millersville، MD، ایالات متحده) کمک هزینه فاز 1 تحقیقات نوآوری کسب و کار کوچک (SBIR) را با بودجه ارتش ایالات متحده دریافت کرد تا یک روش تعمیر را ایجاد کند که می تواند با موفقیت در محل توسط سربازان انجام شود. بر اساس این رویکرد، مرحله دوم کمک هزینه SBIR در سال 2018 برای نمایش مواد جدید و تجهیزات باتری دار اعطا شد، حتی اگر پچ توسط یک تازه کار بدون آموزش قبلی انجام شود، 90٪ یا بیشتر از ساختار را می توان به صورت خام بازسازی کرد. قدرت امکان سنجی این فناوری با انجام یک سری تجزیه و تحلیل، انتخاب مواد، ساخت نمونه و وظایف آزمایش مکانیکی، و همچنین تعمیرات در مقیاس کوچک و در مقیاس کامل تعیین می شود.
محقق اصلی در دو مرحله SBIR، مایکل برگن، موسس و رئیس Custom Technologies LLC است. برگن از Carderock از مرکز جنگ های سطحی دریایی (NSWC) بازنشسته شد و به مدت 27 سال در بخش ساختارها و مواد خدمت کرد، جایی که او توسعه و استفاده از فناوری های کامپوزیت را در ناوگان نیروی دریایی ایالات متحده مدیریت کرد. دکتر راجر کرین در سال 2015 پس از بازنشستگی از نیروی دریایی ایالات متحده در سال 2011 به کاستوم فناوری پیوست و به مدت 32 سال خدمت کرده است. تخصص مواد کامپوزیتی او شامل انتشارات فنی و ثبت اختراع است که موضوعاتی مانند مواد کامپوزیت جدید، ساخت نمونه اولیه، روش‌های اتصال، مواد کامپوزیت چند منظوره، نظارت بر سلامت سازه و بازسازی مواد کامپوزیت را پوشش می‌دهد.
این دو کارشناس فرآیند منحصر به فردی را ایجاد کرده اند که از مواد کامپوزیتی برای ترمیم ترک های روبنای آلومینیومی رزمناو موشک هدایت شونده کلاس Ticonderoga CG-47 5456 استفاده می کند. به جای یک تخته پلت فرم 2 تا 4 میلیون دلاری، "برگن گفت. بنابراین ما ثابت کردیم که می‌دانیم چگونه تعمیرات را در خارج از آزمایشگاه و در یک محیط خدمات واقعی انجام دهیم. اما چالش این است که روش‌های فعلی دارایی نظامی چندان موفق نیستند. این گزینه تعمیر دوبلکس باند شده است [عمداً در مناطق آسیب دیده، تخته را به بالا بچسبانید] یا دارایی را از سرویس برای تعمیرات در سطح انبار (سطح D) حذف کنید. از آنجا که تعمیرات سطح D مورد نیاز است، بسیاری از دارایی ها کنار گذاشته می شوند.
وی ادامه داد: آنچه مورد نیاز است روشی است که توسط سربازان بدون تجربه در مواد کامپوزیت و تنها با استفاده از کیت ها و دستورالعمل های نگهداری قابل اجرا باشد. هدف ما ساده کردن این فرآیند است: خواندن دفترچه راهنما، ارزیابی آسیب و انجام تعمیرات. ما نمی‌خواهیم رزین‌های مایع را با هم مخلوط کنیم، زیرا این کار به اندازه‌گیری دقیق برای اطمینان از درمان کامل نیاز دارد. همچنین پس از اتمام تعمیرات به سیستمی بدون زباله های خطرناک نیاز داریم. و باید به عنوان یک کیت بسته بندی شود که می تواند توسط شبکه موجود مستقر شود. ”
یکی از راه حل هایی که Custom Technologies با موفقیت نشان داد، کیت قابل حملی است که از چسب اپوکسی سفت شده برای سفارشی کردن چسب کامپوزیت چسب با توجه به اندازه آسیب (تا 12 اینچ مربع) استفاده می کند. این نمایش بر روی یک ماده کامپوزیت که نمایانگر یک عرشه AMCB ضخیم 3 اینچی بود تکمیل شد. ماده کامپوزیت دارای یک هسته چوبی بالسا با ضخامت 3 اینچ (15 پوند بر تراکم فوت مکعب) و دو لایه Vectorply (فینیکس، آریزونا، ایالات متحده) C -LT 1100 فیبر کربن 0 درجه / 90 درجه دو محوره دو محوره، یک لایه فیبر کربن C-TLX 1900 0°/+45°/-45° سه شفت و دو لایه C-LT 1100، مجموعا پنج لایه. کرین گفت: "ما تصمیم گرفتیم که این کیت از تکه های پیش ساخته در یک ورقه ورقه ای شبه همسانگرد مشابه یک چند محوره استفاده کند تا جهت پارچه مشکلی ایجاد نکند."
موضوع بعدی ماتریس رزینی است که برای تعمیر لمینت استفاده می شود. برای جلوگیری از اختلاط رزین مایع، پچ از prepreg استفاده می کند. برگن توضیح داد: "با این حال، این چالش ها ذخیره سازی هستند." برای توسعه یک محلول پچ قابل ذخیره، Custom Technologies با Sunrez Corp. (El Cajon، کالیفرنیا، ایالات متحده) برای توسعه یک پیش‌آغاز الیاف شیشه/وینیل استر که می‌تواند از اشعه ماوراء بنفش (UV) در شش دقیقه استفاده از نور استفاده کند، همکاری کرده است. همچنین با Gougeon Brothers (بی سیتی، میشیگان، ایالات متحده آمریکا) همکاری کرد که استفاده از یک فیلم اپوکسی انعطاف پذیر جدید را پیشنهاد کرد.
مطالعات اولیه نشان داده است که رزین اپوکسی مناسب‌ترین رزین برای پیش‌آب‌سازی فیبر کربن است- وینیل استر قابل درمان با اشعه ماوراء بنفش و الیاف شیشه شفاف به خوبی کار می‌کنند، اما در زیر فیبر کربن مسدودکننده نور خشک نمی‌شوند. بر اساس فیلم جدید Gougeon Brothers، پیش‌آب‌سازی نهایی اپوکسی به مدت 1 ساعت در دمای 210 درجه فارنهایت/99 درجه سانتی‌گراد پخته می‌شود و ماندگاری طولانی در دمای اتاق دارد و نیازی به نگهداری در دمای پایین نیست. برگن گفت که اگر دمای انتقال شیشه ای بالاتر (Tg) مورد نیاز باشد، رزین در دمای بالاتری مانند 350 درجه فارنهایت/177 درجه سانتیگراد نیز پخت می شود. هر دو پیش آغشته در یک کیت تعمیر قابل حمل به عنوان پشته ای از تکه های پیش آغشته شده در یک پاکت فیلم پلاستیکی مهر و موم شده ارائه می شوند.
از آنجایی که کیت تعمیر ممکن است برای مدت طولانی ذخیره شود، Custom Technologies برای انجام مطالعه عمر مفید مورد نیاز است. برگن گفت: "ما چهار محفظه پلاستیکی سخت خریداری کردیم - یک نوع نظامی معمولی که در تجهیزات حمل و نقل استفاده می شود - و نمونه هایی از چسب اپوکسی و پیش آغشته سازی وینیل استر را در هر محفظه قرار دادیم." جعبه‌ها سپس در چهار مکان مختلف برای آزمایش قرار گرفتند: سقف کارخانه برادران گوجون در میشیگان، سقف فرودگاه مریلند، تأسیسات بیرونی در دره یوکا (صحرای کالیفرنیا) و آزمایشگاه تست خوردگی در فضای باز در جنوب فلوریدا. برگن اشاره می‌کند که همه پرونده‌ها دارای دیتالوگر هستند، «ما هر سه ماه یک‌بار نمونه‌های داده‌ها و مواد را برای ارزیابی می‌گیریم. حداکثر دمای ثبت شده در جعبه ها در فلوریدا و کالیفرنیا 140 درجه فارنهایت است که برای اکثر رزین های ترمیم خوب است. این یک چالش واقعی است.» علاوه بر این، Gougeon Brothers رزین اپوکسی خالص تازه توسعه یافته را به صورت داخلی آزمایش کرد. برگن گفت: «نمونه‌هایی که برای چندین ماه در اجاق 120 درجه فارنهایت قرار گرفته‌اند، شروع به پلیمریزه شدن می‌کنند. با این حال، برای نمونه‌های مربوطه که در دمای 110 درجه فارنهایت نگهداری می‌شوند، شیمی رزین تنها به میزان کمی بهبود یافته است.
تعمیر بر روی تخته آزمایش و این مدل مقیاس AMCB تأیید شد که از همان ورقه ورقه و مواد هسته ای استفاده می کرد که پل اصلی ساخته شده توسط Seemann Composites بود. منبع تصویر: Custom Technologies LLC
برای نشان دادن تکنیک تعمیر، یک لمینت نماینده باید تولید، آسیب دیده و تعمیر شود. کلاین گفت: «در مرحله اول پروژه، ما در ابتدا از تیرهای 4×48 اینچی در مقیاس کوچک و آزمایش‌های خمشی چهار نقطه‌ای برای ارزیابی امکان‌سنجی فرآیند تعمیر خود استفاده کردیم. سپس، ما در فاز دوم پروژه به پانل‌های 12×48 اینچی انتقال دادیم، بارهایی را برای ایجاد یک حالت تنش دو محوری برای ایجاد خرابی اعمال کردیم و سپس عملکرد تعمیر را ارزیابی کردیم. در مرحله دوم، ما همچنین مدل AMCB را که Maintenance ساختیم، تکمیل کردیم.
برگن گفت که پنل آزمایشی مورد استفاده برای اثبات عملکرد تعمیر، با استفاده از همان اصل و نسب از ورقه‌ها و مواد هسته AMCB ساخته شده توسط Seemann Composites ساخته شده است، «اما ما ضخامت پانل را از 0.375 اینچ به 0.175 اینچ کاهش دادیم، بر اساس قضیه محور موازی. . این مورد است. این روش، همراه با عناصر اضافی نظریه پرتو و نظریه کلاسیک ورقه ورقه [CLT]، برای پیوند ممان اینرسی و سفتی موثر AMCB در مقیاس کامل با یک محصول آزمایشی با اندازه کوچکتر استفاده شد که کار با آن آسان‌تر و بیشتر است. مقرون به صرفه سپس، مدل تحلیل المان محدود [FEA] توسعه یافته توسط شرکت XCraft (بوستون، ماساچوست، ایالات متحده آمریکا) برای بهبود طراحی تعمیرات سازه مورد استفاده قرار گرفت. پارچه فیبر کربن مورد استفاده برای پنل های آزمایشی و مدل AMCB از Vectorply خریداری شد و هسته بالسا توسط Core Composites (Bristol, RI, US) تهیه شد.
مرحله 1. این پنل آزمایشی قطر سوراخ 3 اینچی را برای شبیه سازی آسیب مشخص شده در مرکز و تعمیر محیط نمایش می دهد. منبع عکس برای همه مراحل: Custom Technologies LLC.
مرحله 2. از یک آسیاب دستی با باتری استفاده کنید تا مواد آسیب دیده را بردارید و وصله تعمیر را با یک مخروطی 12:1 ببندید.
برگن توضیح داد: «ما می‌خواهیم میزان آسیب بالاتری را روی تخته آزمایش شبیه‌سازی کنیم که ممکن است روی عرشه پل در میدان دیده شود. بنابراین روش ما این است که از یک اره سوراخ برای ایجاد سوراخی به قطر 3 اینچ استفاده کنیم. سپس، دوشاخه مواد آسیب‌دیده را بیرون می‌کشیم و از یک آسیاب بادی دستی برای پردازش یک روسری 12:1 استفاده می‌کنیم.
کرین توضیح داد که برای تعمیر فیبر کربن/اپوکسی، هنگامی که مواد پانل "آسیب دیده" برداشته شد و روسری مناسب اعمال شد، پیش آغشته به عرض و طول بریده می شود تا با مخروط ناحیه آسیب دیده مطابقت داشته باشد. برای پانل آزمایشی ما، این کار به چهار لایه پیش آغشته سازی نیاز دارد تا مواد تعمیر را با قسمت بالایی پانل کربن آسیب نخورده اصلی حفظ کند. پس از آن، سه لایه پوششی از پیش آغشته کربن/اپوکسی بر روی این قسمت تعمیر شده متمرکز می شوند. هر لایه متوالی 1 اینچ در تمام طرف های لایه زیرین گسترش می یابد، که انتقال تدریجی بار را از مواد "خوب" اطراف به منطقه تعمیر شده فراهم می کند. مجموع زمان انجام این تعمیر شامل آماده سازی ناحیه تعمیر، برش و قرار دادن مواد ترمیم و اعمال روش پخت تقریباً 2.5 ساعت می باشد.
برای پیش آغشته سازی فیبر کربن/اپوکسی، ناحیه تعمیر با خلاء بسته بندی شده و در دمای 210 درجه فارنهایت/99 درجه سانتی گراد به مدت یک ساعت با استفاده از یک باندر حرارتی با باتری کار می شود.
اگرچه تعمیر کربن/اپوکسی ساده و سریع است، اما تیم نیاز به یک راه حل راحت تر برای بازگرداندن عملکرد را تشخیص داد. این منجر به اکتشاف پیش‌آب‌دهی‌های ماوراء بنفش (UV) شد. برگن توضیح داد: «علاقه به رزین‌های وینیل استر Sunrez بر اساس تجربه قبلی نیروی دریایی با موسس این شرکت، Mark Livesay است. ما ابتدا پارچه شیشه ای شبه ایزوتروپیک را با استفاده از وینیل استر آن ها به Sunrez ارائه کردیم و منحنی پخت را در شرایط مختلف ارزیابی کردیم. علاوه بر این، از آنجایی که می دانیم رزین وینیل استر مانند رزین اپوکسی نیست که عملکرد چسبندگی ثانویه مناسبی را ارائه می دهد، بنابراین تلاش های بیشتری برای ارزیابی عوامل مختلف جفت کننده لایه چسب و تعیین اینکه کدام یک برای کاربرد مناسب است، مورد نیاز است.
مشکل دیگر این است که الیاف شیشه نمی توانند همان خواص مکانیکی الیاف کربن را ارائه دهند. کرین گفت: «در مقایسه با پچ کربن/اپوکسی، این مشکل با استفاده از یک لایه اضافی شیشه/وینیل استر حل می‌شود. دلیل اینکه چرا فقط یک لایه اضافی مورد نیاز است این است که ماده شیشه پارچه سنگین تری است. این یک پچ مناسب تولید می کند که می تواند در مدت شش دقیقه حتی در دماهای بسیار سرد/منجمد داخل زمین اعمال و ترکیب شود. پخت بدون تامین حرارت کرین خاطرنشان کرد که این کار تعمیر را می توان در عرض یک ساعت به پایان رساند.
هر دو سیستم پچ نشان داده و آزمایش شده اند. برای هر تعمیر، ناحیه ای که باید آسیب ببیند علامت گذاری می شود (مرحله 1)، با یک اره سوراخ دار ایجاد می شود و سپس با استفاده از یک آسیاب دستی با باتری (مرحله 2) حذف می شود. سپس ناحیه تعمیر شده را به صورت مخروطی 12:1 برش دهید. سطح روسری را با یک پد الکلی تمیز کنید (مرحله 3). بعد، وصله تعمیر را به اندازه مشخصی برش دهید، آن را روی سطح تمیز شده قرار دهید (مرحله 4) و آن را با غلتک محکم کنید تا حباب های هوا از بین برود. برای پیش‌آب‌سازی وینیل استر فیبر شیشه/فرابنفش، لایه رهاسازی را روی ناحیه تعمیر شده قرار دهید و پچ را با یک لامپ UV شارژی به مدت شش دقیقه خشک کنید (مرحله 5). برای پیش‌آب‌سازی فیبر کربن/اپوکسی، از یک باندر حرارتی از پیش برنامه‌ریزی‌شده با باتری تک‌دکمه‌ای برای بسته‌بندی جارو استفاده کنید و ناحیه تعمیر شده را در دمای ۲۱۰ درجه فارنهایت/۹۹ درجه سانتی‌گراد به مدت یک ساعت خشک کنید.
مرحله 5. پس از قرار دادن لایه لایه بردار روی ناحیه ترمیم شده، از یک لامپ UV شارژی استفاده کنید تا چسب به مدت 6 دقیقه خشک شود.
برگن گفت: «سپس ما آزمایش‌هایی را برای ارزیابی چسبندگی وصله و توانایی آن برای بازیابی ظرفیت باربری سازه انجام دادیم. "در مرحله اول، ما باید سهولت کاربرد و توانایی بازیابی حداقل 75٪ از قدرت را اثبات کنیم. این کار با خمش چهار نقطه ای بر روی یک فیبر کربن 48 اینچ/رزین اپوکسی و پرتو هسته بالسا پس از تعمیر آسیب شبیه سازی شده انجام می شود. بله فاز دوم پروژه از یک پانل 12×48 اینچی استفاده می‌کند و باید بیش از 90 درصد نیاز به مقاومت را تحت بارهای کرنش پیچیده نشان دهد. ما تمام این الزامات را برآورده کردیم و سپس از روش های تعمیر در مدل AMCB عکس گرفتیم. نحوه استفاده از فناوری و تجهیزات infield برای ارائه یک مرجع بصری.
یکی از جنبه های کلیدی 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 که به دو مخاطب فنی خود در ارتش نشان دهم: دکتر برنارد سیا و اشلی گنا. در بررسی نهایی فاز اول پروژه درخواست عدم تعمیرات کردم. اشلی با تجربه این تعمیر را انجام داد. با استفاده از کیت و دفترچه راهنمای ما، او پچ را اعمال کرد و تعمیر را بدون هیچ مشکلی به پایان رساند.
شکل 2 دستگاه باندینگ حرارتی از پیش برنامه ریزی شده و با باتری کارکرده با باتری می تواند وصله تعمیر فیبر کربن/اپوکسی را با فشار دادن یک دکمه، بدون نیاز به دانش تعمیر یا برنامه ریزی چرخه پخت، درمان کند. منبع تصویر: Custom Technologies, LLC
یکی دیگر از پیشرفت های کلیدی سیستم پخت با باتری است (شکل 2). برگن خاطرنشان کرد: «از طریق تعمیر و نگهداری درون میدان، شما فقط انرژی باتری دارید. تمام تجهیزات فرآیند در کیت تعمیراتی که ما توسعه داده ایم، بی سیم هستند. این شامل اتصال حرارتی با باتری می شود که به طور مشترک توسط Custom Technologies و تامین کننده ماشین های پیوند حرارتی شرکت صنایع WichiTech (Randallstown، مریلند، ایالات متحده آمریکا) توسعه یافته است. کرین گفت: «این باندر حرارتی با باتری از قبل برای پخت کامل برنامه ریزی شده است، بنابراین افراد تازه کار نیازی به برنامه ریزی چرخه پخت ندارند. "آنها فقط باید یک دکمه را فشار دهند تا سطح شیب دار مناسب تکمیل شود و خیس شوند." باتری هایی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند می توانند یک سال قبل از نیاز به شارژ مجدد دوام بیاورند.
با تکمیل فاز دوم پروژه، Custom Technologies در حال آماده سازی پیشنهادات تکمیلی بهبود 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 پشت اولین تقویت الیاف صنعت را توضیح می دهد و درک عمیقی از علم فیبر جدید و توسعه آینده دارد.
787 که به زودی عرضه می شود و برای اولین بار پرواز می کند، برای دستیابی به اهداف خود به نوآوری در مواد و فرآیندهای کامپوزیتی متکی است.