ערכה קלה לשימוש מאפשרת תיקון באתר של מבנים מרוכבים | עולם הקומפוזיטים

ניתן לתקן את הערכה הניידת באמצעות חומרי פרפרג מסוג פיברגלס/ויניל אסטר או סיבי פחמן/אפוקסי הניתנים לריפוי בקרינת UV, המאוחסנים בטמפרטורת החדר ובציוד ריפוי המופעל באמצעות סוללות. #ייצורבתוך_הבית #תשתיות
תיקון טלאי prepreg הניתן לריפוי בקרינת UV למרות שתיקון prepreg מסיבי פחמן/אפוקסי שפותח על ידי Custom Technologies LLC עבור גשר מרוכב בתוך השטח הוכח כפשוט ומהיר, השימוש בשרף ויניל אסטר מחוזק בסיבי זכוכית הניתן לריפוי בקרינת UV פיתח מערכת נוחה יותר. מקור תמונה: Custom Technologies LLC
גשרים מודולריים הניתנים לפריסה הם נכסים קריטיים לפעולות טקטיות צבאיות ולוגיסטיקה, כמו גם לשיקום תשתיות תחבורה במהלך אסונות טבע. מבנים מרוכבים נחקרים כדי להפחית את משקלם של גשרים כאלה, ובכך להפחית את העומס על כלי רכב ומנגנוני שיגור-חילוץ. בהשוואה לגשרים ממתכת, לחומרים מרוכבים יש גם פוטנציאל להגדיל את כושר הנשיאה ולהאריך את חיי השירות.
גשר הקומפוזיט המודולרי המתקדם (AMCB) הוא דוגמה לכך. חברות Seemann Composites LLC (גולףפורט, מיסיסיפי, ארה"ב) ו- Materials Sciences LLC (הורשם, פנסילבניה, ארה"ב) משתמשות בלמינציות אפוקסי מחוזקות בסיבי פחמן (איור 1). (תכנון ובנייה). עם זאת, היכולת לתקן מבנים כאלה בשטח היוותה בעיה שמעכבת את אימוץ חומרים מרוכבים.
איור 1 גשר מרוכב, נכס מרכזי בשטח. גשר מרוכב מודולרי מתקדם (AMCB) תוכנן ונבנה על ידי Seemann Composites LLC ו- Materials Sciences LLC באמצעות חומרים מרוכבים של שרף אפוקסי מחוזק בסיבי פחמן. מקור התמונה: Seeman Composites LLC (משמאל) וצבא ארה"ב (מימין).
בשנת 2016, חברת Custom Technologies LLC (מילרסוויל, מרילנד, ארה"ב) קיבלה מענק שלב 1 של מחקר חדשנות לעסקים קטנים (SBIR) במימון צבא ארה"ב לפיתוח שיטת תיקון שניתן לבצע בהצלחה באתר על ידי חיילים. בהתבסס על גישה זו, הוענק השלב השני של מענק SBIR בשנת 2018 כדי להציג חומרים חדשים וציוד המופעל על ידי סוללות, שאפילו אם התיקון מבוצע על ידי מתחיל ללא הכשרה מוקדמת, ניתן לשחזר 90% או יותר מהמבנה בחוזק גולמי. היתכנות הטכנולוגיה נקבעת על ידי ביצוע סדרה של משימות ניתוח, בחירת חומרים, ייצור דגימות ובדיקה מכנית, כמו גם תיקונים בקנה מידה קטן ומלא.
החוקר הראשי בשני שלבי SBIR הוא מייקל ברגן, המייסד והנשיא של Custom Technologies LLC. ברגן פרש מקארדרוק במרכז הלוחמה הימית של הצי (NSWC) ושירת במחלקת המבנים והחומרים במשך 27 שנים, שם ניהל את הפיתוח והיישום של טכנולוגיות מרוכבות בצי של חיל הים האמריקאי. ד"ר רוג'ר קריין הצטרף ל-Custom Technologies בשנת 2015 לאחר שפרש מחיל הים האמריקאי בשנת 2011 ומשרת שם במשך 32 שנים. מומחיותו בחומרים מרוכבים כוללת פרסומים טכניים ופטנטים, המכסים נושאים כגון חומרים מרוכבים חדשים, ייצור אבות טיפוס, שיטות חיבור, חומרים מרוכבים רב-תכליתיים, ניטור בריאות מבנית ושיקום חומרים מרוכבים.
שני המומחים פיתחו תהליך ייחודי המשתמש בחומרים מרוכבים לתיקון סדקים במבנה העל מאלומיניום של סיירת הטילים המונחים מדגם CG-47 מדגם Ticonderoga 5456. "התהליך פותח כדי להפחית את צמיחת הסדקים ולשמש כחלופה חסכונית להחלפת לוח פלטפורמה בעלות של 2 עד 4 מיליון דולר", אמר ברגן. "כך הוכחנו שאנחנו יודעים כיצד לבצע תיקונים מחוץ למעבדה ובסביבת שירות אמיתית. אבל האתגר הוא ששיטות נוכחיות של נכסים צבאיים אינן מוצלחות במיוחד. האפשרות היא תיקון דופלקס מודבק [בעיקרון באזורים פגומים הדבקת לוח לחלק העליון] או הוצאת הנכס משירות לצורך תיקונים ברמת מחסן (רמת D). מכיוון שנדרשים תיקונים ברמה D, נכסים רבים מונחים בצד."
הוא המשיך ואמר שמה שנדרש הוא שיטה שניתן לבצע על ידי חיילים ללא ניסיון בחומרים מרוכבים, תוך שימוש בערכות ובמדריכי תחזוקה בלבד. המטרה שלנו היא להפוך את התהליך לפשוט: לקרוא את המדריך, להעריך את הנזק ולבצע תיקונים. אנחנו לא רוצים לערבב שרפים נוזליים, מכיוון שזה דורש מדידה מדויקת כדי להבטיח ריפוי מלא. אנחנו גם צריכים מערכת ללא פסולת מסוכנת לאחר השלמת התיקונים. והיא חייבת להיות ארוזה כערכה שניתן לפרוס על ידי הרשת הקיימת.
פתרון אחד שהדגימה Custom Technologies בהצלחה הוא ערכה ניידת המשתמשת בדבק אפוקסי מחוזק כדי להתאים אישית את מדבקת הקומפוזיט הדביקה בהתאם לגודל הנזק (עד 12 אינץ' רבועים). ההדגמה הושלמה על חומר מרוכב המייצג סיפון AMCB בעובי 3 אינץ'. לחומר המרוכב ליבה מעץ בלזה בעובי 3 אינץ' (צפיפות 15 פאונד למטר מעוקב) ושתי שכבות של בד תפור דו-צירי מסוג Vectorply (פיניקס, אריזונה, ארה"ב) מסוג C-LT 1100 סיבי פחמן 0°/90°, שכבה אחת של סיבי פחמן C-TLX 1900 0°/+45°/-45° שלושה צירים ושתי שכבות של C-LT 1100, סך הכל חמש שכבות. "החלטנו שהערכה תשתמש במדבקות טרומיות מראש בלמינציה קוואזי-איזוטרופית בדומה לרב-צירים, כך שכיוון הבד לא יהווה בעיה", אמר קריין.
הבעיה הבאה היא מטריצת השרף המשמשת לתיקון למינציה. על מנת להימנע מערבוב של שרף נוזלי, הטלאי ישתמש בפרפרג. "עם זאת, אתגרים אלה הם אחסון", הסביר ברגן. כדי לפתח פתרון טלאי הניתן לאחסון, Custom Technologies שיתפה פעולה עם Sunrez Corp. (אל קחון, קליפורניה, ארה"ב) כדי לפתח פרפרג מסיבי זכוכית/ויניל אסטר שיכול להשתמש באור אולטרה סגול (UV) תוך שש דקות של ריפוי אור. היא גם שיתפה פעולה עם Gougeon Brothers (ביי סיטי, מישיגן, ארה"ב), שהציעו שימוש בסרט אפוקסי גמיש חדש.
מחקרים מוקדמים הראו ששרף אפוקסי הוא השרף המתאים ביותר עבור prepregs של סיבי פחמן - ויניל אסטר הניתן לריפוי בקרינת UV וסיב זכוכית שקוף פועלים היטב, אך אינם מתקשים תחת סיבי פחמן חוסמים אור. בהתבסס על הסרט החדש של Gougeon Brothers, prepreg האפוקסי הסופי מתקשה במשך שעה ב-99°C ובעל חיי מדף ארוכים בטמפרטורת החדר - אין צורך באחסון בטמפרטורה נמוכה. ברגן אמר שאם נדרשת טמפרטורת מעבר זכוכיתית (Tg) גבוהה יותר, השרף ייקשה גם בטמפרטורה גבוהה יותר, כגון 177°C. שני prepregs מסופקים בערכת תיקון ניידת כערימת טלאי prepreg אטומים במעטפת פלסטיק.
מכיוון שערכת התיקון עשויה להיות מאוחסנת למשך זמן רב, חברת Custom Technologies נדרשת לבצע מחקר חיי מדף. "רכשנו ארבעה מארזים מפלסטיק קשיח - סוג צבאי טיפוסי המשמש בציוד תחבורה - והכנסנו דגימות של דבק אפוקסי ופרפרג ויניל אסטר לכל מארז", אמר ברגן. לאחר מכן הוצבו הקופסאות בארבעה מיקומים שונים לבדיקה: גג מפעל האחים גוג'ון במישיגן, גג שדה התעופה של מרילנד, המתקן החיצוני בעמק יוקה (מדבר קליפורניה) ומעבדת בדיקות קורוזיה חיצונית בדרום פלורידה. בכל המארזים יש אוגרי נתונים, מציין ברגן, "אנו לוקחים דגימות נתונים וחומרים להערכה כל שלושה חודשים. הטמפרטורה המקסימלית שנרשמה בקופסאות בפלורידה ובקליפורניה היא 140°F, וזה טוב עבור רוב שרפי השיקום. זה אתגר אמיתי". בנוסף, חברת האחים גוג'ון בדקה באופן פנימי את שרף האפוקסי הטהור שפותח לאחרונה. "דגימות שהונחו בתנור בטמפרטורה של 120°F במשך מספר חודשים מתחילות להתפלמר", אמר ברגן. "עם זאת, עבור הדגימות המתאימות שנשמרו בטמפרטורה של 110 מעלות פרנהייט, הכימיה של השרף השתפרה רק במידה קטנה."
התיקון אומת על גבי לוח הבדיקה ועל גבי דגם קנה מידה זה של AMCB, אשר השתמש באותו למינציה וחומר ליבה כמו הגשר המקורי שנבנה על ידי Seemann Composites. מקור התמונה: Custom Technologies LLC
על מנת להדגים את טכניקת התיקון, יש לייצר, לפגוע ולתקן למינציה מייצגת. "בשלב הראשון של הפרויקט, השתמשנו בתחילה בקורות בקנה מידה קטן של 4 על 48 אינץ' ובבדיקות כיפוף בארבע נקודות כדי להעריך את היתכנות תהליך התיקון שלנו", אמר קליין. "לאחר מכן, עברנו לפאנלים בגודל 12 על 48 אינץ' בשלב השני של הפרויקט, הפעלנו עומסים כדי ליצור מצב מאמץ דו-צירי שיגרום לכשל, ולאחר מכן הערכנו את ביצועי התיקון. בשלב השני, השלמנו גם את מודל AMCB שבנינו לצורך תחזוקה."
ברגן אמר כי פאנל הבדיקה ששימש להוכחת ביצועי התיקון יוצר באמצעות אותה שושלת של למינציות וחומרי ליבה כמו AMCB המיוצר על ידי Seemann Composites, "אך הפחתנו את עובי הפאנל מ-0.375 אינץ' ל-0.175 אינץ', בהתבסס על משפט הציר המקביל. זהו המקרה. השיטה, יחד עם אלמנטים נוספים של תורת הקורות ותורת הלמינציות הקלאסית [CLT], שימשה לקישור מומנט האינרציה והקשיחות האפקטיבית של AMCB בקנה מידה מלא עם מוצר הדגמה בגודל קטן יותר, קל יותר לטיפול וחסכוני יותר. לאחר מכן, מודל ניתוח האלמנטים הסופיים [FEA] שפותח על ידי XCraft Inc. (בוסטון, מסצ'וסטס, ארה"ב) שימש לשיפור תכנון התיקונים המבניים." בד סיבי הפחמן ששימש עבור פאנלי הבדיקה ומודל AMCB נרכש מ-Vectorply, וליבת הבלזה יוצרה על ידי Core Composites (בריסטול, רוד איילנד, ארה"ב).
שלב 1. לוח בדיקה זה מציג חור בקוטר 7.5 ס"מ כדי לדמות נזק המסומן במרכז ולתקן את ההיקף. מקור התמונה לכל השלבים: Custom Technologies LLC.
שלב 2. השתמשו במטחנה ידנית המופעלת על ידי סוללה כדי להסיר את החומר הפגום ולסגור את טלאי התיקון בעזרת שרטוט ביחס של 12:1.
"אנחנו רוצים לדמות דרגת נזק גבוהה יותר על לוח הבדיקה מאשר ניתן לראות על משטח הגשר בשטח", הסביר ברגן. "לכן השיטה שלנו היא להשתמש במסור חורים כדי ליצור חור בקוטר 3 אינץ'. לאחר מכן, אנו מוציאים את הפקק של החומר הפגום ומשתמשים במטחנה פנאומטית ידנית כדי לעבד צעיף ביחס של 12:1."
קריין הסביר כי עבור תיקון סיבי פחמן/אפוקסי, לאחר הסרת חומר הפאנל "הפגום" ומילוי שכבה מתאימה, חומר ה-prepreg ייחתך לרוחב ולאורך שיתאימו לצורת הצמר של האזור הפגוע. "עבור פאנל הבדיקה שלנו, נדרשות ארבע שכבות של prepreg כדי לשמור על עקביות חומר התיקון עם החלק העליון של פאנל הפחמן המקורי שלא פגום. לאחר מכן, שלוש שכבות הכיסוי של prepreg פחמן/אפוקסי מרוכזות על החלק המתוקן. כל שכבה עוקבת משתרעת על פני 2.5 אינץ' מכל צידי השכבה התחתונה, מה שמספק העברת עומס הדרגתית מהחומר "הטוב" שמסביב לאזור המתוקן." הזמן הכולל לביצוע תיקון זה - כולל הכנת אזור התיקון, חיתוך והנחת חומר השיקום ויישום הליך הריפוי - כ-2.5 שעות.
עבור פרפרג סיבי פחמן/אפוקסי, אזור התיקון נארז בוואקום ומתקשה בטמפרטורה של 99 מעלות צלזיוס למשך שעה באמצעות מכונת הדבקה תרמית המופעלת על ידי סוללה.
למרות שתיקון פחמן/אפוקסי הוא פשוט ומהיר, הצוות זיהה את הצורך בפתרון נוח יותר לשיקום הביצועים. זה הוביל לחקר טרום-פרגים בריפוי באולטרה סגול (UV). "העניין בשרפי ויניל אסטר של סאנרז מבוסס על ניסיון ימי קודם עם מייסד החברה, מארק לייבסיי", הסביר ברגן. "תחילה סיפקנו לסאנרז בד זכוכית קוואזי-איזוטרופי, באמצעות טרום-פרגים ויניל אסטר שלהם, והערכנו את עקומת הריפוי בתנאים שונים. בנוסף, מכיוון שאנו יודעים ששרף ויניל אסטר אינו כמו שרף אפוקסי המספק ביצועי הידבקות משניים מתאימים, נדרשים מאמצים נוספים כדי להעריך חומרי צימוד שונים לשכבות דבק ולקבוע איזה מהם מתאים ליישום."
בעיה נוספת היא שסיבי זכוכית אינם יכולים לספק את אותן תכונות מכניות כמו סיבי פחמן. "בהשוואה לטלאי פחמן/אפוקסי, בעיה זו נפתרת על ידי שימוש בשכבה נוספת של זכוכית/ויניל אסטר", אמר קריין. "הסיבה לכך שנדרשת רק שכבה אחת נוספת היא שחומר הזכוכית הוא בד כבד יותר". זה מייצר טלאי מתאים שניתן להניח ולשלב תוך שש דקות אפילו בטמפרטורות קרות/מקפיאות מאוד בשטח. ייבוש ללא אספקת חום. קריין ציין כי ניתן להשלים את עבודת התיקון הזו תוך שעה.
שתי מערכות התיקון הודגמו ונבדקו. עבור כל תיקון, האזור הפגום מסומן (שלב 1), נוצר באמצעות מסור חורים, ולאחר מכן מוסר באמצעות מטחנה ידנית המופעלת על ידי סוללה (שלב 2). לאחר מכן חותכים את האזור המתוקן לצורת חריצות של 12:1. נקו את פני השטח של הצעיף בעזרת פד אלכוהול (שלב 3). לאחר מכן, חותכים את טלאי התיקון לגודל מסוים, מקמים אותו על המשטח הנקי (שלב 4) ומהדקים אותו בעזרת גלגלת כדי להסיר בועות אוויר. עבור פרפרג מסיבי זכוכית/ויניל אסטר המתקשה ב-UV, יש להניח את שכבת השחרור על האזור המתוקן וליבש את הטלאי בעזרת מנורת UV אלחוטית למשך שש דקות (שלב 5). עבור פרפרג מסיבי פחמן/אפוקסי, יש להשתמש במכשיר תרמי מתוכנת מראש, המופעל על ידי סוללה, בעל כפתור אחד, כדי לארוז בוואקום וליבש את האזור המתוקן בטמפרטורה של 99°C למשך שעה.
שלב 5. לאחר הנחת שכבת הקילוף על האזור המתוקן, השתמשו במנורת UV אלחוטית כדי לייבש את הטלאי במשך 6 דקות.
"לאחר מכן ערכנו בדיקות כדי להעריך את כושר ההדבקה של הטלאי ואת יכולתו לשקם את כושר נשיאת העומס של המבנה", אמר ברגן. "בשלב הראשון, עלינו להוכיח את קלות היישום ואת היכולת לשחזר לפחות 75% מהחוזק. זה נעשה על ידי כיפוף בארבע נקודות על קורת סיבי פחמן/שרף אפוקסי וליבת בלזה בגודל 4 x 48 אינץ' לאחר תיקון הנזק המדומה. כן. השלב השני של הפרויקט השתמש בפאנל בגודל 12 x 48 אינץ', ועליו להציג דרישות חוזק של יותר מ-90% תחת עומסי מאמץ מורכבים. עמדנו בכל הדרישות הללו, ולאחר מכן צילמנו את שיטות התיקון על מודל AMCB. כיצד להשתמש בטכנולוגיה ובציוד בשטח כדי לספק התייחסות חזותית."
היבט מרכזי בפרויקט הוא להוכיח שמתחילים יכולים להשלים את התיקון בקלות. מסיבה זו, לברגן היה רעיון: "הבטחתי להדגים לשני אנשי הקשר הטכניים שלנו בצבא: ד"ר ברנרד סיה ואשלי ג'נה. בסקירה הסופית של השלב הראשון של הפרויקט, ביקשתי שלא לבצע תיקונים. אשלי המנוסה ביצעה את התיקון. בעזרת הערכה והמדריך שסיפקנו, היא הניחה את הטלאי והשלימה את התיקון ללא בעיות."
איור 2. מכונת הדבקה תרמית המופעלת על ידי סוללה, מתוכנתת מראש ומאפשרת ריפוי טלאי תיקון סיבי פחמן/אפוקסי בלחיצת כפתור, ללא צורך בידע בתיקון או בתכנות מחזור ריפוי. מקור התמונה: Custom Technologies, LLC
פיתוח מרכזי נוסף הוא מערכת הריפוי המופעלת על ידי סוללה (איור 2). "באמצעות תחזוקה בשטח, יש לכם רק סוללה", ציין ברגן. "כל ציוד התהליך בערכת התיקון שפיתחנו הוא אלחוטי". זה כולל מכונת הדבקה תרמית המופעלת על ידי סוללה שפותחה במשותף על ידי Custom Technologies וספקית מכונות ההדבקה התרמית WichiTech Industries Inc. (רנדלסטאון, מרילנד, ארה"ב). "מערכת ההדבקה התרמית המופעלת על ידי סוללה זו מתוכנתת מראש להשלמת הריפוי, כך שמתחילים אינם צריכים לתכנת את מחזור הריפוי", אמר קריין. "הם רק צריכים ללחוץ על כפתור כדי להשלים את הרמפה וההשריה המתאימות". הסוללות הנמצאות כיום בשימוש יכולות להחזיק מעמד שנה לפני שיהיה צורך לטעון אותן מחדש.
עם השלמת השלב השני של הפרויקט, חברת Custom Technologies מכינה הצעות שיפור נוספות ואוספת מכתבי עניין ותמיכה. "מטרתנו היא להבשיל את הטכנולוגיה הזו ל-TRL 8 ולהביא אותה לשטח", אמר ברגן. "אנו רואים פוטנציאל גם ליישומים שאינם צבאיים".
מסביר את האמנות הישנה שמאחורי חיזוק הסיבים הראשון בתעשייה, ובעל הבנה מעמיקה של מדע הסיבים החדש ופיתוח עתידי.
בקרוב ויטוס לראשונה, ה-787 מסתמך על חידושים בחומרים ותהליכים מרוכבים כדי להשיג את מטרותיו