La portebla ilaro povas esti riparita per UV-resanigebla vitrofibro/vinila estero aŭ karbonfibro/epoksio antaŭimpregnita konservita je ĉambra temperaturo kaj bateri-funkciigata resaniĝa ekipaĵo. #internefabrikado #infrastrukturo
UV-resanigebla prepreg-peceta riparo Kvankam la karbonfibra/epoksi-prepreg-riparo evoluigita de Custom Technologies LLC por la enkampa kompozita ponto pruviĝis simpla kaj rapida, la uzo de vitrofibro-plifortigita UV-resanigebla vinilestera rezino Prepreg evoluigis pli oportunan sistemon. Bildfonto: Custom Technologies LLC
Modulaj deplojeblaj pontoj estas kritikaj aktivaĵoj por militaj taktikaj operacioj kaj loĝistiko, same kiel por la restarigo de transporta infrastrukturo dum naturaj katastrofoj. Kompozitaj strukturoj estas studataj por redukti la pezon de tiaj pontoj, tiel reduktante la ŝarĝon sur transportveturiloj kaj lanĉo-reakiraj mekanismoj. Kompare kun metalaj pontoj, kompozitaj materialoj ankaŭ havas la potencialon pliigi la ŝarĝoportantan kapaciton kaj plilongigi la servodaŭron.
La Altnivela Modula Kompozita Ponto (AMCB) estas ekzemplo. Seemann Composites LLC (Gulfport, Misisipio, Usono) kaj Materials Sciences LLC (Horsham, Pensilvanio, Usono) uzas karbonfibro-plifortigitajn epoksiajn lamenaĵojn (Figuro 1). ) Dezajno kaj konstruado). Tamen, la kapablo ripari tiajn strukturojn surloke estis problemo, kiu malhelpas la adopton de kompozitaj materialoj.
Figuro 1 Kompozita ponto, ŝlosila aktivaĵo en la interna kampo La Altnivela Modula Kompozita Ponto (AMCB) estis desegnita kaj konstruita de Seemann Composites LLC kaj Materials Sciences LLC uzante karbonfibro-plifortigitajn epoksiorezinajn kompozitojn. Bildfonto: Seeman Composites LLC (maldekstre) kaj la Usona Armeo (dekstre).
En 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, Marilando, Usono) ricevis stipendion de la Usona Armeo financitan de la programo "Small Business Innovation Research" (SBIR) por la unua fazo de la programo, por disvolvi riparmetodon, kiun soldatoj povas sukcese plenumi surloke. Surbaze de ĉi tiu aliro, la dua fazo de la SBIR-stipendio estis aljuĝita en 2018 por montri novajn materialojn kaj bateri-funkciigan ekipaĵon. Eĉ se la riparadon faras novulo sen antaŭa trejnado, 90% aŭ pli de la strukturo povas esti restaŭrita laŭ sia kruda forto. La farebleco de la teknologio estas determinita per serio da analizoj, materiala elekto, specimenfabrikado kaj mekanikaj testaj taskoj, same kiel malgrand-skalaj kaj plenskalaj riparoj.
La ĉefa esploristo en la du SBIR-fazoj estas Michael Bergen, la fondinto kaj prezidanto de Custom Technologies LLC. Bergen emeritiĝis de Carderock de la Mararmea Surfaca Militcentro (NSWC) kaj servis en la Departemento pri Strukturoj kaj Materialoj dum 27 jaroj, kie li administris la disvolvon kaj aplikon de kompozitaj teknologioj en la floto de la Usona Mararmeo. D-ro Roger Crane aliĝis al Custom Technologies en 2015 post emeritiĝo de la Usona Mararmeo en 2011 kaj servis dum 32 jaroj. Lia sperto pri kompozitaj materialoj inkluzivas teknikajn publikaĵojn kaj patentojn, kovrante temojn kiel novaj kompozitaj materialoj, prototipa fabrikado, konektaj metodoj, multfunkciaj kompozitaj materialoj, struktura sanmonitorado kaj restaŭrado de kompozitaj materialoj.
La du fakuloj disvolvis unikan procezon, kiu uzas kompozitajn materialojn por ripari la fendetojn en la aluminia superstrukturo de la gvidata misilŝipo 5456 de la klaso Ticonderoga CG-47. "La procezo estis disvolvita por redukti la kreskon de fendetoj kaj servi kiel ekonomia alternativo al la anstataŭigo de platformplato de 2 ĝis 4 milionoj da dolaroj," diris Bergen. "Do ni pruvis, ke ni scias kiel plenumi riparojn ekster la laboratorio kaj en reala serva medio. Sed la defio estas, ke nunaj metodoj por militaj aktivaĵoj ne estas tre sukcesaj. La eblo estas ligita dupleksa riparo [baze en difektitaj areoj glui platon al la supro] aŭ forigi la aktivaĵon el servo por riparoj je magazennivelo (D-nivelo). Ĉar riparoj je D-nivelo estas necesaj, multaj aktivaĵoj estas flankenmetitaj."
Li daŭrigis dirante, ke necesas metodo, kiun povas plenumi soldatoj sen sperto pri kompozitaj materialoj, uzante nur ilarojn kaj prizorgajn manlibrojn. Nia celo estas simpligi la procezon: legu la manlibron, taksu la difekton kaj faru riparojn. Ni ne volas miksi likvajn rezinojn, ĉar tio postulas precizan mezuradon por certigi kompletan solidiĝon. Ni ankaŭ bezonas sistemon sen danĝeraj rubaĵoj post kiam la riparoj estas finitaj. Kaj ĝi devas esti pakita kiel ilaro, kiun povas deploji la ekzistanta reto.
Unu solvo, kiun Custom Technologies sukcese montris, estas portebla ilaro, kiu uzas harditan epoksidan gluon por adapti la gluan kompozitan peceton laŭ la grandeco de la difekto (ĝis 12 kvadrataj coloj). La demonstraĵo estis kompletigita sur kompozita materialo reprezentanta 3-colan dikan AMCB-ferdekon. La kompozita materialo havas 3-colan dikan balzan lignan kernon (15 funtoj por kuba futo denseco) kaj du tavolojn de Vectorply (Fenikso, Arizono, Usono) C-LT 1100 karbonfibro 0°/90° duaksa kudrita ŝtofo, unu tavolon de C-TLX 1900 karbonfibro 0°/+45°/-45° tri ŝaftojn kaj du tavolojn de C-LT 1100, entute kvin tavoloj. "Ni decidis, ke la ilaro uzos prefabrikitajn pecetojn en kvazaŭ-izotropa laminato simila al pluraksa, por ke la ŝtofdirekto ne estu problemo," diris Crane.
La sekva problemo estas la rezina matrico uzata por riparo de lamenaĵoj. Por eviti miksi likvan rezinon, la peceto uzos antaŭpreg. "Tamen, ĉi tiuj defioj rilatas al stokado," klarigis Bergen. Por disvolvi stokeblan pecetan solvon, Custom Technologies partneriĝis kun Sunrez Corp. (El Cajon, Kalifornio, Usono) por disvolvi vitrofibron/vinilesteran antaŭpreg, kiu povas uzi ultraviolan lumon (UV) en ses minutoj da lumpolitiko. Ĝi ankaŭ kunlaboris kun Gougeon Brothers (Bay City, Miĉigano, Usono), kiu sugestis la uzon de nova fleksebla epoksio-filmo.
Fruaj studoj montris, ke epoksirezino estas la plej taŭga rezino por karbonfibraj antaŭimpregnitoj - UV-resanigebla vinilestero kaj travidebla vitrofibro funkcias bone, sed ne resaniĝas sub lumblokanta karbonfibro. Bazite sur la nova filmo de Gougeon Brothers, la fina epoksi antaŭimpregnito estas resanigita dum 1 horo je 99 °C kaj havas longan bretovivon je ĉambra temperaturo - ne necesas malalttemperatura stokado. Bergen diris, ke se pli alta vitra transira temperaturo (Tg) estas necesa, la rezino ankaŭ estos resanigita je pli alta temperaturo, kiel ekzemple 177 °C. Ambaŭ antaŭimpregnitoj estas provizitaj en portebla ripara ilaro kiel stako da antaŭimpregnitaj pecetoj sigelitaj en plasta koverto.
Ĉar la ripararo povas esti stokita dum longa tempo, Custom Technologies devas fari studon pri la konservebleco. "Ni aĉetis kvar malmolajn plastajn enfermaĵojn - tipan militan tipon uzatan en transporta ekipaĵo - kaj metis specimenojn de epoksi-gluo kaj vinilestera prepreg en ĉiun enfermaĵon," diris Bergen. La skatoloj tiam estis metitaj en kvar malsamajn lokojn por testado: la tegmento de la fabriko de Gougeon Brothers en Miĉigano, la tegmento de la flughaveno de Marilando, la subĉiela instalaĵo en Yucca Valley (kalifornia dezerto), kaj la subĉiela korodo-testa laboratorio en suda Florido. Ĉiuj skatoloj havas datenregistrilojn, Bergen atentigas, "Ni prenas datenajn kaj materialajn specimenojn por taksado ĉiujn tri monatojn. La maksimuma temperaturo registrita en la skatoloj en Florido kaj Kalifornio estas 140°F, kio estas bona por la plej multaj restaŭraj rezinoj. Ĝi estas vera defio." Krome, Gougeon Brothers interne testis la nove evoluigitan puran epoksi-rezinon. "Specimenoj, kiuj estis metitaj en fornon je 120°F dum pluraj monatoj, komencas polimeriĝi," diris Bergen. "Tamen, por la respondaj specimenoj konservitaj je 43°C, la rezina kemio pliboniĝis nur iomete."
La riparo estis kontrolita sur la testtabulo kaj ĉi tiu skalmodelo de AMCB, kiu uzis la saman lamenaĵon kaj kernan materialon kiel la originala ponto konstruita de Seemann Composites. Bildfonto: Custom Technologies LLC
Por demonstri la riparteknikon, reprezenta lamenaro devas esti fabrikita, difektita kaj riparita. "En la unua fazo de la projekto, ni komence uzis malgrandskalajn 4 x 48-colajn trabojn kaj kvar-punktajn fleksotestojn por taksi la fareblecon de nia riparprocezo," diris Klein. "Poste, ni transiris al 12 x 48-colaj paneloj en la dua fazo de la projekto, aplikis ŝarĝojn por generi duaksan stresstaton por kaŭzi fiaskon, kaj poste taksis la riparefikecon. En la dua fazo, ni ankaŭ kompletigis la AMCB-modelon, kiun ni konstruis por Maintenance."
Bergen diris, ke la testpanelo uzata por pruvi la riparefikecon estis fabrikita uzante la saman linion de lamenoj kaj kernaj materialoj kiel AMCB fabrikita de Seemann Composites, "sed ni reduktis la paneldikecon de 0,375 coloj ĝis 0,175 coloj, surbaze de la paralelaksa teoremo. Jen la kazo. La metodo, kune kun la aldonaj elementoj de traba teorio kaj klasika lamenteorio [CLT], estis uzata por ligi la momenton de inercio kaj efikan rigidecon de la plenskala AMCB kun pli malgrand-granda demonstra produkto, kiu estas pli facile manipulebla kaj pli kostefika. Poste, ni provizis la modelon de finia elementa analizo [FEA] evoluigita de XCraft Inc. (Boston, Masaĉuseco, Usono) por plibonigi la dezajnon de strukturaj riparoj." La karbonfibra ŝtofo uzata por la testpaneloj kaj la AMCB-modelo estis aĉetita de Vectorply, kaj la balza kerno estis fabrikita de Core Composites (Bristol, RI, Usono).
Paŝo 1. Ĉi tiu testpanelo montras 3-colan truodiametron por simuli difekton markitan en la centro kaj ripari la cirkonferencon. Bildfonto por ĉiuj paŝoj: Custom Technologies LLC.
Paŝo 2. Uzu bateri-funkciigitan manan muelilon por forigi la difektitan materialon kaj enfermu la riparpeceton per 12:1-konusforma ŝlifo.
„Ni volas simuli pli altan gradon de difekto sur la testtabulo ol oni eble vidus sur la pontferdeko surloke,“ klarigis Bergen. „Do nia metodo estas uzi truosegilon por fari 3-colan diametron de truo. Poste, ni eltiras la ŝtopilon de la difektita materialo kaj uzas porteblan pneŭmatikan muelilon por prilabori 12:1-an ŝalon.“
Crane klarigis, ke por riparo el karbonfibro/epoksio, post kiam la "difektita" panela materialo estas forigita kaj taŭga ŝalo estas aplikita, la antaŭpreg estos tranĉita laŭ larĝo kaj longo por kongrui kun la konuseco de la difektita areo. "Por nia testpanelo, tio postulas kvar tavolojn de antaŭpreg por konservi la riparmaterialon kongrua kun la supro de la originala nedifektita karbona panelo. Post tio, la tri kovraj tavoloj de karbonfibro/epoksio antaŭpreg estas koncentritaj sur ĉi tiu riparita parto. Ĉiu sinsekva tavolo etendiĝas 2,5 cm sur ĉiuj flankoj de la malsupra tavolo, kio provizas laŭgradan ŝarĝotransdonon de la "bona" ĉirkaŭa materialo al la riparita areo." La tuta tempo por plenumi ĉi tiun riparon - inkluzive de la preparado de la riparareo, tranĉado kaj metado de la restaŭra materialo kaj apliko de la hardado - estas proksimume 2,5 horoj.
Por karbonfibro/epoksio antaŭpreg, la ripara areo estas vakue pakita kaj hardita je 210°F/99°C dum unu horo uzante bateri-funkciigitan termikan kunligilon.
Kvankam riparo el karbono/epoksio estas simpla kaj rapida, la teamo rekonis la bezonon de pli oportuna solvo por restarigi la funkciadon. Ĉi tio kondukis al la esplorado de ultraviola (UV) hardantaj antaŭimpregniloj. "La intereso pri Sunrez-vinilesteraj rezinoj baziĝas sur antaŭa maramea sperto kun la fondinto de la kompanio, Mark Livesay," klarigis Bergen. "Ni unue provizis Sunrez-on per kvazaŭ-izotropa vitroŝtofo, uzante ilian vinilesteran antaŭimpregnilon, kaj taksis la hardadan kurbon sub malsamaj kondiĉoj. Krome, ĉar ni scias, ke vinilesterrezino ne estas kiel epoksiorezino, kiu provizas taŭgan sekundaran adheran funkciadon, do necesas pliaj klopodoj por taksi diversajn gluajn tavolojn kunligajn agentojn kaj determini, kiu taŭgas por la apliko."
Alia problemo estas, ke vitrofibroj ne povas provizi la samajn mekanikajn ecojn kiel karbonfibroj. “Kompare kun karbona/epoksio-peceto, ĉi tiu problemo estas solvita per uzado de ekstra tavolo de vitro/vinila estero,” diris Crane. “La kialo, kial nur unu plia tavolo estas necesa, estas ke la vitra materialo estas pli peza ŝtofo.” Ĉi tio produktas taŭgan peceton, kiu povas esti aplikita kaj kombinita ene de ses minutoj eĉ je tre malvarmaj/frostaj temperaturoj en la kampo. Kurakado sen provizi varmon. Crane atentigis, ke ĉi tiu riparlaboro povas esti kompletigita ene de horo.
Ambaŭ pecetsistemoj estis montritaj kaj testitaj. Por ĉiu riparo, la areo difektota estas markita (paŝo 1), kreita per truosegilo, kaj poste forigita per bateri-funkciigata mana muelilo (paŝo 2). Poste tranĉu la riparitan areon en 12:1 konusformon. Purigu la surfacon de la ŝalo per alkohola kuseneto (paŝo 3). Poste, tranĉu la riparpeceton laŭ certa grandeco, metu ĝin sur la purigitan surfacon (paŝo 4) kaj kunigu ĝin per rulpremilo por forigi aervezikojn. Por vitrofibro/UV-hardanta vinilestera prepreg, tiam metu la liberigan tavolon sur la riparitan areon kaj hardu la peceton per sendrata UV-lampo dum ses minutoj (paŝo 5). Por karbonfibro/epoksio prepreg, uzu antaŭprogramitan, unu-butonan, bateri-funkciigatan termikan kunligilon por vakuumi kaj hardi la riparitan areon je 210°F/99°C dum unu horo.
Paŝo 5. Post metado de la senŝeliganta tavolo sur la riparitan areon, uzu sendratan UV-lampon por hardi la peceton dum 6 minutoj.
“Tiam ni faris testojn por taksi la glueblecon de la peceto kaj ĝian kapablon restarigi la ŝarĝoportantan kapaciton de la strukturo,” diris Bergen. “En la unua etapo, ni devas pruvi la facilecon de apliko kaj la kapablon reakiri almenaŭ 75% de la forto. Ĉi tio estas farata per kvar-punkta fleksado sur 4 x 48-cola karbonfibro/epoksirezino kaj balza kerna trabo post riparo de la simulita difekto. Jes. La dua fazo de la projekto uzis 12 x 48-colan panelon, kaj devas montri pli ol 90%-an forton sub kompleksaj streĉoŝarĝoj. Ni plenumis ĉiujn ĉi tiujn postulojn, kaj poste fotis la riparmetodojn sur la AMCB-modelo. Kiel uzi enkampan teknologion kaj ekipaĵon por provizi vidan referencon.”
Ŝlosila aspekto de la projekto estas pruvi, ke novuloj povas facile kompletigi la riparon. Tial, Bergen havis ideon: "Mi promesis demonstri al niaj du teknikaj kontaktoj en la Armeo: D-ro Bernard Sia kaj Ashley Genna. En la fina revizio de la unua fazo de la projekto, mi petis neniujn riparojn. La sperta Ashley plenumis la riparon. Uzante la ilaron kaj manlibron, kiujn ni provizis, ŝi aplikis la flikaĵon kaj kompletigis la riparon senprobleme."
Figuro 2 La bateri-funkciigata antaŭprogramita, bateri-funkciigata termika ligmaŝino povas hardigi la karbonfibran/epoksian riparpeceton per simpla butonpremo, sen bezono de ripara scio aŭ programado de hardciklado. Bildfonto: Custom Technologies, LLC
Alia ŝlosila evoluo estas la bateri-funkciigata sistemo de hardado (Figuro 2). “Dum enkampa prizorgado, vi havas nur baterian potencon,” Bergen atentigis. “Ĉiuj procesaj ekipaĵoj en la ripara ilaro, kiun ni evoluigis, estas sendrataj.” Tio inkluzivas bateri-funkciigata termikan ligadon evoluigitan komune de Custom Technologies kaj la provizanto de termikaj ligmaŝinoj WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Marilando, Usono). “Ĉi tiu bateri-funkciigata termika ligilo estas antaŭprogramita por kompletigi hardadon, do komencantoj ne bezonas programi la hardadan ciklon,” diris Crane. “Ili nur bezonas premi butonon por kompletigi la ĝustan rampon kaj trempadon.” La nuntempe uzataj baterioj povas daŭri jaron antaŭ ol ili bezonas esti reŝargitaj.
Kun la kompletigo de la dua fazo de la projekto, Custom Technologies preparas pluajn plibonigproponojn kaj kolektas leterojn de intereso kaj subteno. "Nia celo estas maturigi ĉi tiun teknologion al TRL 8 kaj alporti ĝin al la kampo," diris Bergen. "Ni ankaŭ vidas la potencialon por ne-militaj aplikoj."
Klarigas la malnovan arton malantaŭ la unua fibro-plifortigo de la industrio, kaj havas profundan komprenon pri nova fibroscienco kaj estonta evoluo.
Baldaŭ kaj flugante por la unua fojo, la 787 dependas de novigoj en kompozitaj materialoj kaj procezoj por atingi siajn celojn.
Afiŝtempo: 2-a de septembro 2021