Kit portabel bisa didandani nganggo fiberglass / vinyl ester sing bisa diobati UV utawa serat karbon / prepreg epoksi sing disimpen ing suhu kamar lan peralatan perawatan sing nganggo baterei. #infrastruktur #infrastruktur
Ndandani patch prepreg sing bisa diobati UV Sanajan perbaikan prepreg serat karbon / epoksi sing dikembangake dening Custom Technologies LLC kanggo jembatan komposit infield kabukten gampang lan cepet, panggunaan resin ester vinyl sing bisa diobati kanthi serat kaca Prepreg wis ngembangake sistem sing luwih trep. . Sumber gambar: Custom Technologies LLC
Kreteg modular deployable minangka aset kritis kanggo operasi taktik militer lan logistik, uga pemugaran infrastruktur transportasi nalika bencana alam. Struktur komposit diteliti kanggo nyuda bobot jembatan kasebut, saengga bisa nyuda beban kendaraan transportasi lan mekanisme pemulihan. Dibandhingake karo kreteg logam, bahan komposit uga duweni potensi kanggo nambah kapasitas beban-bearing lan ngluwihi umur layanan.
The Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) minangka conto. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, US) lan Materials Sciences LLC (Horsham, PA, US) nggunakake laminates epoxy sing dikuatake serat karbon (Gambar 1). ) Desain lan konstruksi). Nanging, kemampuan kanggo ndandani struktur kasebut ing lapangan wis dadi masalah sing ngalangi panggunaan bahan komposit.
Gambar 1 Jembatan komposit, aset infield kunci Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) dirancang lan dibangun dening Seemann Composites LLC lan Materials Sciences LLC nggunakake komposit resin epoksi sing diperkuat serat karbon. Sumber gambar: Seeman Composites LLC (kiwa) lan Angkatan Darat AS (tengen).
Ing taun 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, AS) nampa hibah Fase 1 Riset Inovasi Usaha Kecil (SBIR) sing didanai Angkatan Darat AS kanggo ngembangake cara ndandani sing bisa ditindakake kanthi sukses ing situs dening prajurit. Adhedhasar pendekatan iki, fase kapindho hibah SBIR dianugerahi ing 2018 kanggo nampilake bahan anyar lan peralatan bertenaga baterei, sanajan patch kasebut ditindakake dening wong anyar tanpa latihan sadurunge, 90% utawa luwih saka struktur bisa dipulihake Raw. kekuwatan. Kelayakan teknologi kasebut ditemtokake kanthi nindakake serangkaian analisis, pemilihan material, manufaktur spesimen lan tugas uji mekanik, uga perbaikan skala cilik lan skala lengkap.
Peneliti utama ing rong fase SBIR yaiku Michael Bergen, pangadeg lan presiden Custom Technologies LLC. Bergen pensiun saka Carderock saka Naval Surface Warfare Center (NSWC) lan njabat ing Departemen Struktur lan Bahan suwene 27 taun, ing ngendi dheweke ngatur pangembangan lan aplikasi teknologi komposit ing armada Angkatan Laut AS. Dr Roger Crane gabung karo Custom Technologies ing 2015 sawise pensiun saka Angkatan Laut AS ing 2011 lan wis njabat 32 taun. Keahlian bahan komposit kalebu publikasi teknis lan paten, kalebu topik kayata bahan komposit anyar, manufaktur prototipe, metode sambungan, bahan komposit multifungsi, pemantauan kesehatan struktural, lan pemugaran materi komposit.
Ahli loro kasebut wis ngembangake proses unik sing nggunakake bahan komposit kanggo ndandani retakan ing superstruktur aluminium saka kapal penjelajah rudal dipandu kelas Ticonderoga CG-47 5456. kanggo ngganti papan platform 2 nganti 4 yuta dolar, "ujare Bergen. "Dadi kita mbuktekake manawa ngerti carane ndandani ing njaba laboratorium lan ing lingkungan layanan nyata. Nanging tantangane yaiku metode aset militer saiki ora sukses. Opsi kasebut yaiku ndandani duplex terikat [utamane ing wilayah sing rusak Lem papan menyang ndhuwur] utawa mbusak aset saka layanan kanggo ndandani tingkat gudang (D-level). Amarga ndandani tingkat D dibutuhake, akeh aset sing disisihake.
Dheweke banjur ujar manawa sing dibutuhake yaiku metode sing bisa ditindakake dening prajurit sing ora duwe pengalaman ing bahan komposit, mung nggunakake kit lan manual pangopènan. Tujuane yaiku nggawe proses kasebut gampang: maca manual, ngevaluasi karusakan lan nindakake ndandani. Kita ora pengin nyampur resin cair, amarga iki mbutuhake pangukuran sing tepat kanggo njamin penyembuhan lengkap. Kita uga mbutuhake sistem tanpa sampah mbebayani sawise ndandani rampung. Lan kudu dikemas minangka kit sing bisa disebarake dening jaringan sing ana. ”
Salah sawijining solusi sing bisa ditampilake Custom Technologies yaiku kit portabel sing nggunakake adesif epoksi sing angel kanggo ngatur patch komposit adesif miturut ukuran karusakan (nganti 12 inci persegi). Demonstrasi rampung ing materi komposit sing makili dek AMCB kandel 3 inci. Bahan komposit nduweni inti kayu balsa sing kandel 3 inci (15 pon saben kapadhetan kaki kubik) lan rong lapisan Vectorply (Phoenix, Arizona, AS) C -LT 1100 serat karbon 0°/90° kain jahitan biaxial, siji lapisan saka C-TLX 1900 serat karbon 0°/+45°/-45° telung shafts lan rong lapisan saka C-LT 1100, total limang lapisan. "We mutusaké sing kit bakal nggunakake patches prefabricated ing laminate quasi-isotropic padha multi-sumbu supaya arah kain ora dadi masalah," ujare Crane.
Masalah sabanjure yaiku matriks resin sing digunakake kanggo ndandani laminate. Supaya ora nyampur resin cair, tembelan bakal nggunakake prepreg. "Nanging, tantangan kasebut minangka panyimpenan," ujare Bergen. Kanggo ngembangake solusi patch sing bisa disimpen, Custom Technologies wis kerja sama karo Sunrez Corp. (El Cajon, California, USA) kanggo ngembangake prepreg serat kaca/vinil ester sing bisa nggunakake sinar ultraviolet (UV) sajrone 6 menit. Iki uga kolaborasi karo Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), sing ngusulake nggunakake film epoksi fleksibel anyar.
Pasinaon awal wis ditampilake sing resin epoxy resin paling cocok kanggo serat karbon prepregs-UV-curable vinyl ester lan translucent serat kaca bisa uga, nanging ora tamba ing cahya-blocking serat karbon. Adhedhasar film anyar Gougeon Brothers, prepreg epoksi pungkasan diobati sajrone 1 jam ing 210 ° F / 99 ° C lan nduweni umur beting sing dawa ing suhu kamar-ora perlu kanggo panyimpenan ing suhu sing kurang. Bergen ujar manawa suhu transisi kaca (Tg) sing luwih dhuwur dibutuhake, resin uga bakal diobati ing suhu sing luwih dhuwur, kayata 350 ° F / 177 ° C. Loro prepreg diwenehake ing kit ndandani portabel minangka tumpukan patches prepreg sing disegel ing amplop film plastik.
Wiwit kit repair bisa disimpen kanggo dangu, Custom Technologies dibutuhake kanggo nindakake sinau beting urip. "We dituku papat hard plastik enclosures-jinis militèr khas digunakake ing peralatan transportasi-lan sijine conto epoxy adhesive lan vinyl ester prepreg menyang saben pager,"Bergen ngandika. Kothak kasebut banjur diselehake ing patang lokasi sing beda kanggo diuji: atap pabrik Gougeon Brothers ing Michigan, atap bandara Maryland, fasilitas ruangan ing Lembah Yucca (gurun California), lan laboratorium pengujian korosi ruangan ing Florida kidul. Kabeh kasus duwe logger data, ujare Bergen, "Kita njupuk conto data lan materi kanggo evaluasi saben telung wulan. Suhu maksimum sing dicathet ing kothak ing Florida lan California yaiku 140 ° F, sing apik kanggo umume resin pemugaran. Iki tantangan tenan.” Kajaba iku, Gougeon Brothers dites internal resin epoxy murni mentas dikembangaké. "Sampel sing wis diselehake ing oven ing 120 ° F kanggo sawetara sasi wiwit polimerisasi," ujare Bergen. "Nanging, kanggo conto sing cocog disimpen ing 110 ° F, kimia resin mung apik kanthi jumlah cilik."
Diposaken iki diverifikasi ing Papan test lan model ukuran AMCB iki, kang digunakake laminate padha lan materi inti minangka jembatan asli dibangun dening Komposit Seemann. Sumber gambar: Custom Technologies LLC
Kanggo nduduhake teknik ndandani, laminate perwakilan kudu diprodhuksi, rusak lan didandani. "Ing fase pisanan proyek kasebut, mula kita nggunakake balok 4 x 48-inch ukuran cilik lan tes mlengkung papat kanggo ngevaluasi kelayakan proses ndandani," ujare Klein. "Banjur, kita pindhah menyang panel 12 x 48 inci ing tahap kapindho proyek kasebut, ngetrapake beban kanggo ngasilake kahanan stres biaxial sing nyebabake kegagalan, lan banjur ngevaluasi kinerja perbaikan. Ing fase kapindho, kita uga ngrampungake model AMCB sing dibangun Maintenance.
Bergen ujar manawa panel tes sing digunakake kanggo mbuktekake kinerja ndandani digawe nggunakake garis laminasi lan bahan inti sing padha karo AMCB sing diprodhuksi dening Komposit Seemann, "nanging kita nyuda kekandelan panel saka 0,375 inci dadi 0,175 inci, adhedhasar teorema sumbu paralel. . Iki kasus. Cara kasebut, bebarengan karo unsur tambahan saka teori balok lan teori laminasi klasik [CLT], digunakake kanggo ngubungake momen inersia lan kekakuan efektif saka AMCB skala penuh kanthi produk demo ukuran cilik sing luwih gampang ditangani lan liya-liyane. larang regane. Banjur, kita Model analisis unsur terhingga [FEA] sing dikembangake dening XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) digunakake kanggo nambah desain perbaikan struktur. Kain serat karbon sing digunakake kanggo panel tes lan model AMCB dituku saka Vectorply, lan inti balsa digawe dening Core Composites (Bristol, RI, US) sing kasedhiya.
langkah 1. panel test iki nampilake diameteripun bolongan 3 inch kanggo simulasi karusakan ditandhani ing tengah lan ndandani circumference. Sumber foto kanggo kabeh langkah: Custom Technologies LLC.
Langkah 2. Gunakake gilingan manual baterei-powered kanggo mbusak materi rusak lan nglampirake patch repair karo 12: 1 taper.
"Kita pengin simulasi tingkat kerusakan sing luwih dhuwur ing papan uji tinimbang sing bisa dideleng ing dek jembatan ing lapangan," jelas Bergen. "Dadi cara kita nggunakake gergaji bolongan kanggo nggawe bolongan diameter 3 inci. Banjur, kita narik plug saka materi sing rusak lan nggunakake gilingan pneumatik tangan kanggo ngolah selendang 12: 1.
Crane nerangake manawa kanggo ndandani serat karbon / epoksi, yen materi panel "rusak" dicopot lan selendang sing cocok, prepreg bakal dipotong kanthi jembar lan dawa supaya cocog karo taper saka wilayah sing rusak. "Kanggo panel tes kita, iki mbutuhake patang lapisan prepreg supaya bahan perbaikan tetep konsisten karo ndhuwur panel karbon asli sing ora rusak. Sawisé iku, telung lapisan panutup karbon / epoxy prepreg klempakan ing iki Ing bagean didandani. Saben lapisan berturut-turut ngluwihi 1 inci ing kabeh pinggir lapisan ngisor, sing nyedhiyakake transfer beban bertahap saka materi lingkungan "apik" menyang wilayah sing didandani. Total wektu kanggo nindakake repair iki-kalebu repair area preparation, Cut lan manggonke materi pemugaran lan nglamar prosedur ngruwat-kira-kira 2,5 jam.
Kanggo prepreg serat karbon/epoksi, area ndandani dikemas vakum lan diobati ing 210 ° F / 99 ° C suwene siji jam nggunakake bonder termal sing nganggo baterei.
Senajan ndandani karbon / epoksi iku prasaja lan cepet, tim dikenali perlu kanggo solusi sing luwih trep kanggo mulihake kinerja. Iki nyebabake eksplorasi prepregs curing ultraviolet (UV). "Kapentingan ing resins vinyl ester Sunrez adhedhasar pengalaman angkatan laut sadurungé karo pangadeg perusahaan Mark Livesay,"Bergen nerangake. "Kita pisanan nyedhiyakake Sunrez kanthi kain kaca kuasi-isotropik, nggunakake prepreg ester vinyl, lan ngevaluasi kurva curing ing kahanan sing beda-beda. Kajaba iku, amarga kita ngerti yen resin ester vinyl ora kaya resin epoksi sing nyedhiyakake kinerja adhesi sekunder sing cocog, mula upaya tambahan dibutuhake kanggo ngevaluasi macem-macem agen kopling lapisan adesif lan nemtokake sing cocog kanggo aplikasi kasebut.
Masalah liyane yaiku serat kaca ora bisa menehi sifat mekanik sing padha karo serat karbon. "Dibandhingake karo karbon / tembelan epoksi, masalah iki ditanggulangi kanthi nggunakake lapisan ekstra kaca / vinyl ester," Crane ngandika. "Alasane mung siji lapisan tambahan sing dibutuhake yaiku materi kaca minangka kain sing luwih abot." Iki mrodhuksi tembelan cocok sing bisa Applied lan digabungake ing enem menit malah ing banget kadhemen / beku suhu infield. Curing tanpa menehi panas. Crane nyatakake yen karya ndandani iki bisa rampung sajrone jam.
Loro sistem patch wis dituduhake lan diuji. Kanggo saben ndandani, area sing bakal rusak ditandhani (langkah 1), digawe nganggo gergaji bolongan, banjur dicopot nganggo gilingan manual sing nganggo baterei (langkah 2). Banjur potong wilayah sing didandani dadi taper 12: 1. Ngresiki permukaan selendang kanthi pad alkohol (langkah 3). Sabanjure, Cut patch repair kanggo ukuran tartamtu, sijine ing lumahing resik (langkah 4) lan consolidate karo roller kanggo mbusak umpluk online. Kanggo serat kaca / UV-curing vinyl ester prepreg, banjur nyelehake lapisan release ing wilayah didandani lan nambani tembelan karo lampu UV tanpa kabel kanggo enem menit (langkah 5). Kanggo prepreg serat karbon/epoksi, gunakake bonder termal siji-tombol sing wis diprogram, nganggo baterei kanggo ngosongake paket lan ngobati area sing didandani kanthi suhu 210°F/99°C sajrone sejam.
Langkah 5. Sawise nempatake lapisan peeling ing wilayah sing didandani, gunakake lampu UV tanpa kabel kanggo ngobati tembelan sajrone 6 menit.
"Banjur kita nganakake tes kanggo ngevaluasi adhesiveness patch lan kemampuan kanggo mulihake kapasitas beban struktur," ujare Bergen. "Ing tahap pertama, kita kudu mbuktekake gampang aplikasi lan kemampuan kanggo pulih paling ora 75% kekuwatan. Iki rampung dening papat-titik mlengkung ing 4 x 48 inch serat karbon / resin epoxy lan balsa inti Beam sawise ndandani karusakan simulasi. ya wis. Tahap kapindho proyek kasebut nggunakake panel 12 x 48 inci, lan kudu nuduhake luwih saka 90% syarat kekuatan ing beban galur sing kompleks. Kita ketemu kabeh syarat kasebut, banjur motret cara ndandani ing model AMCB. Cara nggunakake teknologi lan peralatan infield kanggo nyedhiyakake referensi visual.
Aspek kunci proyek kasebut yaiku mbuktekake manawa wong anyar bisa ngrampungake ndandani kanthi gampang. Kanggo alasan iki, Bergen duwe ide: "Aku janji bakal nduduhake rong kontak teknis ing Angkatan Darat: Dr. Bernard Sia lan Ashley Genna. Ing review final saka phase pisanan saka project, Aku takon ora ndandani. Ashley sing berpengalaman nindakake ndandani. Nggunakake kit lan manual sing diwenehake, dheweke ngetrapake tembelan lan ngrampungake ndandani tanpa masalah.
Gambar 2 Mesin ikatan termal sing wis diprogram kanthi baterei sing wis diprogram kanthi baterei bisa ngobati tambalan perbaikan serat karbon / epoksi kanthi mencet tombol, tanpa mbutuhake kawruh ndandani utawa program siklus ngobati. Sumber gambar: Custom Technologies, LLC
Pangembangan kunci liyane yaiku sistem curing kanthi baterei (Gambar 2). "Liwat pangopènan infield, sampeyan mung duwe daya baterei," ujare Bergen. "Kabeh peralatan proses ing kit ndandani sing dikembangake yaiku nirkabel." Iki kalebu ikatan termal kanthi baterei sing dikembangake bebarengan dening Custom Technologies lan pemasok mesin ikatan termal WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). "Iki bonder termal baterei-powered wis diprogram kanggo ngrampungake ngruwat, supaya novices ora perlu kanggo program siklus ngruwat," ngandika Crane. "Dheweke mung kudu mencet tombol kanggo ngrampungake ramp sing tepat lan rendhem." Baterei sing saiki digunakake bisa tahan setaun sadurunge kudu diisi ulang.
Kanthi rampung fase kapindho proyek kasebut, Custom Technologies nyiapake usulan perbaikan lan ngempalaken layang kapentingan lan dhukungan. "Tujuan kita yaiku ngembangake teknologi iki dadi TRL 8 lan nggawa menyang lapangan," ujare Bergen. "Kita uga ndeleng potensial kanggo aplikasi non-militer."
Nerangake seni lawas konco serat pitulungan pisanan industri, lan wis ing-ambane pangerten saka ilmu serat anyar lan pembangunan mangsa.
Rawuh lan mabur sapisanan, 787 ngandelake inovasi ing bahan lan proses komposit kanggo nggayuh tujuane
Wektu kirim: Sep-02-2021