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

הערכה הניידת ניתנת לתיקון באמצעות פיברגלס/ויניל אסתר הניתן לריפוי UV או סיבי פחמן/אפוקסי פריפרג המאוחסן בטמפרטורת החדר וציוד ריפוי המופעל באמצעות סוללה. #ייצור פנים #תשתיות
תיקון תיקון prepreg הניתן לריפוי UV למרות שתיקון ה-prepreg של סיבי פחמן/אפוקסי שפותח על ידי Custom Technologies LLC עבור הגשר המרוכב בתוך השדה הוכיח את עצמו כפשוט ומהיר, השימוש בשרף ויניל אסתר הניתן לריפוי UV מחוזק Prepreg פיתח מערכת נוחה יותר . מקור תמונה: Custom Technologies LLC
גשרים מודולריים הניתנים לפריסה הם נכסים קריטיים לפעולות טקטיות ולוגיסטיקה צבאיות, כמו גם לשיקום תשתיות תחבורה במהלך אסונות טבע. מבנים מרוכבים נחקרים כדי להפחית את משקלם של גשרים כאלה, ובכך להפחית את העומס על כלי תחבורה ומנגנוני שיגור-שיקום. בהשוואה לגשרי מתכת, לחומרים מרוכבים יש גם פוטנציאל להגדיל את יכולת נשיאת העומס ולהאריך את חיי השירות.
גשר מורכב מודולרי מתקדם (AMCB) הוא דוגמה. Seemann Composites LLC (Gulfport, מיסיסיפי, ארה"ב) ו- Materials Sciences LLC (Horsham, PA, ארה"ב) משתמשות ברבדים אפוקסי מחוזקים בסיבי פחמן (איור 1). ) עיצוב ובנייה). עם זאת, היכולת לתקן מבנים כאלה בשטח הייתה בעיה שמפריעה לאימוץ של חומרים מרוכבים.
איור 1 גשר מרוכב, נכס מפתח בתוך השדה גשר מרוכב מודולרי מתקדם (AMCB) תוכנן ונבנה על ידי Seemann Composites LLC ו- Materials Sciences LLC באמצעות חומרים מרוכבים שרף אפוקסי מחוזקים בסיבי פחמן. מקור תמונה: Seeman Composites LLC (משמאל) והצבא האמריקאי (מימין).
בשנת 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, ארה"ב) קיבלה מענק שלב 1 למחקר חדשנות לעסקים קטנים (SBIR) במימון צבא ארה"ב לפיתוח שיטת תיקון שניתן לבצע בהצלחה במקום על ידי חיילים. בהתבסס על גישה זו, השלב השני של מענק SBIR הוענק בשנת 2018 כדי להציג חומרים חדשים וציוד המופעל באמצעות סוללה, גם אם התיקון מבוצע על ידי טירון ללא הכשרה מוקדמת, ניתן לשחזר 90% או יותר מהמבנה גולמי כּוֹחַ. כדאיות הטכנולוגיה נקבעת על ידי ביצוע סדרה של ניתוח, בחירת חומרים, ייצור דגימות ובדיקות מכניות, וכן תיקונים בקנה מידה קטן ובקנה מידה מלא.
החוקר העיקרי בשני שלבי ה-SBIR הוא מייקל ברגן, המייסד והנשיא של Custom Technologies LLC. ברגן פרש מקארדרוק ממרכז לוחמת השטח הימי (NSWC) ושירת במחלקת מבנים וחומרים במשך 27 שנים, שם ניהל את הפיתוח והיישום של טכנולוגיות מרוכבות בצי של הצי האמריקאי. ד"ר רוג'ר קריין הצטרף ל- Custom Technologies ב-2015 לאחר שפרש מהצי האמריקני ב-2011 ושירת במשך 32 שנים. המומחיות שלו בחומרים מרוכבים כוללת פרסומים טכניים ופטנטים, המכסים נושאים כמו חומרים מרוכבים חדשים, ייצור אב טיפוס, שיטות חיבור, חומרים מרוכבים רב-תכליתיים, ניטור בריאות מבני ושיקום חומרים מרוכבים.
שני המומחים פיתחו תהליך ייחודי העושה שימוש בחומרים מרוכבים לתיקון הסדקים במבנה העל האלומיניום של סיירת הטילים המונחים 5456 מסוג Ticonderoga CG-47. "התהליך פותח כדי להפחית את צמיחת הסדקים וכדי לשמש חלופה חסכונית להחלפת לוח פלטפורמה של 2 עד 4 מיליון דולר", אמר ברגן. “אז הוכחנו שאנחנו יודעים לבצע תיקונים מחוץ למעבדה ובסביבת שירות אמיתית. אבל האתגר הוא ששיטות הנכסים הצבאיות הנוכחיות אינן מוצלחות במיוחד. האופציה היא תיקון דופלקס מלוכד [בעיקרון באזורים פגומים הדבק לוח למעלה] או הוצא את הנכס משירות לתיקונים ברמת המחסן (רמת D). מכיוון שנדרשים תיקונים ברמת D, נכסים רבים מונחים בצד".
הוא המשיך ואמר כי מה שצריך הוא שיטה שיכולה להתבצע על ידי חיילים ללא ניסיון בחומרים מרוכבים, תוך שימוש רק בערכות ובמדריכי תחזוקה. המטרה שלנו היא להפוך את התהליך לפשוט: לקרוא את המדריך, להעריך את הנזק ולבצע תיקונים. אנחנו לא רוצים לערבב שרפים נוזליים, מכיוון שהדבר דורש מדידה מדויקת כדי להבטיח ריפוי מלא. אנו זקוקים גם למערכת ללא פסולת מסוכנת לאחר סיום התיקונים. וזה חייב להיות ארוז כערכה שניתן לפרוס על ידי הרשת הקיימת. ”
פתרון אחד ש-Custom Technologies הדגימה בהצלחה הוא ערכה ניידת המשתמשת בדבק אפוקסי קשיח כדי להתאים אישית את התיקון המורכב של הדבק בהתאם לגודל הנזק (עד 12 אינץ' רבועים). ההדגמה הושלמה על חומר מרוכב המייצג סיפון AMCB בעובי 3 אינץ'. לחומר המרוכב יש ליבת עץ בלסה בעובי 3 אינץ' (15 פאונד לצפיפות רגל מעוקבת) ושתי שכבות של Vectorply (פניקס, אריזונה, ארה"ב) C -LT 1100 סיבי פחמן 0°/90° בד תפור דו-צירי, שכבה אחת של C-TLX 1900 סיבי פחמן 0°/+45°/-45° שלושה פירים ושתי שכבות של C-LT 1100, בסך הכל חמש שכבות. "החלטנו שהערכה תשתמש בטלאים מוכנים בלמינציה מעין-איזוטרופית בדומה לרב צירים, כך שכיוון הבד לא יהיה בעיה", אמר קריין.
הנושא הבא הוא מטריצת השרף המשמשת לתיקון לרבד. על מנת להימנע מערבוב שרף נוזלי, המדבקה תשתמש ב-prepreg. "עם זאת, האתגרים האלה הם אחסון", הסביר ברגן. כדי לפתח פתרון תיקון לאחסון, Custom Technologies שיתפה פעולה עם Sunrez Corp. (El Cajon, קליפורניה, ארה"ב) כדי לפתח סיבי זכוכית/ויניל אסטר prepreg שיכול להשתמש באור אולטרה סגול (UV) תוך שש דקות ריפוי אור. הוא גם שיתף פעולה עם Gougeon Brothers (Bay City, מישיגן, ארה"ב), אשר הציע שימוש בסרט אפוקסי גמיש חדש.
מחקרים מוקדמים הראו כי שרף אפוקסי הוא השרף המתאים ביותר עבור סיבי פחמן prepregs - ויניל אסטר הניתן לריפוי UV וסיבי זכוכית שקופים עובדים היטב, אך אינם מתרפאים תחת סיבי פחמן חוסמי אור. בהתבסס על הסרט החדש של האחים Gougeon, ה-prepreg הסופי של אפוקסי נרפא למשך שעה אחת ב-210°F/99°C ויש לו חיי מדף ארוכים בטמפרטורת החדר - אין צורך באחסון בטמפרטורה נמוכה. ברגן אמר שאם נדרשת טמפרטורת מעבר זכוכית גבוהה יותר (Tg), השרף יתרפא גם בטמפרטורה גבוהה יותר, כגון 350°F/177°C. שני ה-prepregs מסופקים בערכת תיקון ניידת כערימה של תיקוני prepreg חתומים במעטפת סרט פלסטיק.
מאחר וערכת התיקון עשויה להישמר לאורך זמן, Custom Technologies נדרשת לערוך בדיקת חיי מדף. "רכשנו ארבעה מארזי פלסטיק קשיחים - סוג צבאי טיפוסי המשמש בציוד תחבורה - והכנסנו לכל מתחם דוגמאות של דבק אפוקסי ו-prepreg ויניל אסטר", אמר ברגן. לאחר מכן הוצבו הקופסאות בארבעה מיקומים שונים לבדיקה: גג מפעל האחים Gougeon במישיגן, גג שדה התעופה של מרילנד, המתקן החיצוני בעמק יוקה (מדבר קליפורניה), ומעבדת בדיקות קורוזיה חיצונית בדרום פלורידה. לכל המקרים יש רוגרי נתונים, מציין ברגן, "אנחנו לוקחים נתונים ודגימות חומר להערכה כל שלושה חודשים. הטמפרטורה המקסימלית שנרשמה בקופסאות בפלורידה ובקליפורניה היא 140 מעלות צלזיוס, וזה טוב לרוב שרפי השיקום. זה אתגר אמיתי". בנוסף, Gougeon Brothers בדקו באופן פנימי את שרף האפוקסי הטהור החדש שפותח. "דגימות שהוכנסו לתנור ב-120 מעלות צלזיוס במשך מספר חודשים מתחילות להתפלמר", אמר ברגן. "עם זאת, עבור הדגימות המקבילות שנשמרו ב-110 מעלות צלזיוס, כימיית השרף השתפרה רק בכמות קטנה."
התיקון אומת על לוח הבדיקה ובדגם מוקטן זה של AMCB, שהשתמש באותו למינציה ובחומר ליבה כמו הגשר המקורי שנבנה על ידי Seemann Composites. מקור תמונה: Custom Technologies LLC
על מנת להדגים את טכניקת התיקון יש לייצר, להזיק ולתקן לרבד מייצג. "בשלב הראשון של הפרויקט, השתמשנו בתחילה בקורות בקנה מידה קטן של 4 x 48 אינץ' ובבדיקות כיפוף ארבע נקודות כדי להעריך את היתכנות תהליך התיקון שלנו", אמר קליין. "לאחר מכן, עברנו לפאנלים בגודל 12 x 48 אינץ' בשלב השני של הפרויקט, הפעלנו עומסים כדי ליצור מצב מתח דו-צירי כדי לגרום לכשל, ולאחר מכן הערכנו את ביצועי התיקון. בשלב השני השלמנו גם את מודל AMCB שבנינו תחזוקה".
ברגן אמר כי לוח הבדיקה ששימש להוכחת ביצועי התיקון יוצר באמצעות אותה שושלת של למינטים וחומרי ליבה כמו AMCB מתוצרת Seemann Composites, "אבל הפחתנו את עובי הפאנל מ-0.375 אינץ' ל-0.175 אינץ', בהתבסס על משפט הציר המקביל. . זהו המקרה. השיטה, יחד עם האלמנטים הנוספים של תורת האלומה ותאוריית הלמינציה הקלאסית [CLT], שימשה לקשר בין רגע האינרציה והקשיחות האפקטיבית של ה-AMCB בקנה מידה מלא עם מוצר הדגמה בגודל קטן יותר שקל יותר לטפל בו ועוד. חסכוני. לאחר מכן, נעשה שימוש במודל ניתוח האלמנטים הסופי [FEA] שפותח על ידי XCraft Inc. (בוסטון, מסצ'וסטס, ארה"ב) כדי לשפר את התכנון של תיקונים מבניים." בד סיבי הפחמן המשמש ללוחות הבדיקה ולדגם AMCB נרכש מחברת Vectorply, וליבת הבלסה יוצרה על ידי Core Composites (בריסטול, RI, ארה"ב).
שלב 1. לוח בדיקה זה מציג קוטר חור של 3 אינץ' כדי לדמות נזק המסומן במרכז ולתקן את ההיקף. מקור תמונה לכל השלבים: Custom Technologies LLC.
שלב 2. השתמשו במטחנה ידנית המופעלת על ידי סוללה כדי להסיר את החומר הפגום ולסגור את תיקון התיקון עם מתחדדת של 12:1.
"אנחנו רוצים לדמות רמה גבוהה יותר של נזק על לוח הבדיקה ממה שניתן לראות על סיפון הגשר בשטח", הסביר ברגן. "אז השיטה שלנו היא להשתמש במסור חורים כדי ליצור חור בקוטר 3 אינץ'. לאחר מכן, אנו מוציאים את התקע של החומר הפגום ומשתמשים במטחנה פנאומטית ידנית לעיבוד צעיף 12:1".
קריין הסביר כי עבור תיקון סיבי פחמן/אפוקסי, לאחר הסרת חומר הפאנל ה"פגום" והחלפת צעיף מתאים, ה-prepreg ייחתך לרוחב ולאורך כך שיתאים למתח של האזור הפגוע. "עבור לוח הבדיקה שלנו, זה דורש ארבע שכבות של prepreg כדי לשמור על חומר התיקון בקנה אחד עם החלק העליון של לוח הפחמן המקורי ללא פגיעה. לאחר מכן, שלוש שכבות הכיסוי של פחמן/אפוקסי מרוכזות בחלק הזה על החלק המתוקן. כל שכבה רצופה נמשכת 1 אינץ' מכל צדדי השכבה התחתונה, מה שמספק העברת עומס הדרגתית מהחומר ה"טוב" שמסביב לאזור המתוקן. הזמן הכולל לביצוע תיקון זה - כולל הכנת אזור התיקון, חיתוך והנחת חומר השיקום ויישום הליך הריפוי - כ-2.5 שעות.
עבור סיבי פחמן/אפוקסי prepreg, אזור התיקון נארז בוואקום ומתרפא ב-210°F/99°C למשך שעה אחת באמצעות מקשר תרמי המופעל על ידי סוללה.
למרות שתיקון פחמן/אפוקסי הוא פשוט ומהיר, הצוות זיהה את הצורך בפתרון נוח יותר לשחזור הביצועים. זה הוביל לחקירה של prepregs לריפוי אולטרה סגול (UV). "העניין בשרף ויניל אסטר של Sunrez מבוסס על ניסיון ימי קודם עם מייסד החברה מארק לייבסי", הסביר ברגן. "תחילה סיפקנו ל-Sunrez בד זכוכית מעין-איזוטרופי, תוך שימוש ב-prepreg הוויניל אסטר שלהם, והערכנו את עקומת הריפוי בתנאים שונים. בנוסף, מכיוון שאנו יודעים ששרף ויניל אסטר אינו כמו שרף אפוקסי המספק ביצועי הדבקה משניים מתאימים, ולכן נדרשים מאמצים נוספים כדי להעריך חומרי צימוד שונים של שכבות דבק ולקבוע איזה מהם מתאים ליישום."
בעיה נוספת היא שסיבי זכוכית אינם יכולים לספק את אותן תכונות מכניות כמו סיבי פחמן. "בהשוואה לתיקון פחמן/אפוקסי, בעיה זו נפתרת על ידי שימוש בשכבה נוספת של זכוכית/ויניל אסטר," אמר קריין. "הסיבה שנדרשת רק שכבה אחת נוספת היא שחומר הזכוכית הוא בד כבד יותר." זה מייצר תיקון מתאים שניתן להדביק ולשלב תוך שש דקות אפילו בטמפרטורות קרות/קפואות מאוד בשטח. אשפרה מבלי לספק חום. קריין ציין כי ניתן להשלים את עבודת התיקון הזו תוך שעה.
שתי מערכות התיקון הוכחו ונבדקו. עבור כל תיקון, האזור המיועד להינזק מסומן (שלב 1), נוצר עם מסור חורים, ולאחר מכן מוסר באמצעות מטחנה ידנית המופעלת על ידי סוללה (שלב 2). לאחר מכן חתוך את האזור המתוקן למתח של 12:1. נקו את פני הצעיף בעזרת כרית אלכוהול (שלב 3). לאחר מכן, חתוך את מדבקת התיקון לגודל מסוים, הניח אותו על המשטח הנוקה (שלב 4) ואחד אותו עם רולר כדי להסיר בועות אוויר. עבור סיבי זכוכית/פריפרג ויניל אסטר מרפא UV, לאחר מכן הנח את שכבת השחרור על האזור המתוקן ורפא את התיקון עם מנורת UV אלחוטית למשך שש דקות (שלב 5). עבור סיבי פחמן/אפוקסי prepreg, השתמשו בלחצן תרמי מתוכנת מראש, בעל כפתור אחד, המופעל באמצעות סוללה כדי לארוז בוואקום ולרפא את האזור המתוקן ב-210°F/99°C למשך שעה אחת.
שלב 5. לאחר הנחת שכבת הקילוף על האזור המתוקן, השתמש במנורת UV אלחוטית כדי לרפא את המדבקה למשך 6 דקות.
"לאחר מכן ערכנו בדיקות כדי להעריך את ההדבקה של התיקון ואת יכולתו לשחזר את יכולת נשיאת העומס של המבנה", אמר ברגן. "בשלב הראשון, עלינו להוכיח את קלות היישום ואת היכולת לשחזר לפחות 75% מהחוזק. זה נעשה על ידי כיפוף ארבע נקודות על סיבי פחמן/שרף אפוקסי בגודל 4 x 48 אינץ' וקורה ליבת בלסה לאחר תיקון הנזק המדומה. כֵּן. השלב השני של הפרויקט השתמש בפאנל בגודל 12 x 48 אינץ', וחייב להציג יותר מ-90% דרישות חוזק בעומסי מתח מורכבים. עמדנו בכל הדרישות הללו, ואז צילמנו את שיטות התיקון בדגם AMCB. כיצד להשתמש בטכנולוגיה וציוד בשטח כדי לספק התייחסות ויזואלית."
היבט מרכזי של הפרויקט הוא להוכיח כי טירונים יכולים בקלות להשלים את התיקון. מסיבה זו, היה לברגן רעיון: "הבטחתי להפגין בפני שני אנשי הקשר הטכניים שלנו בצבא: ד"ר ברנרד סיה ואשלי ג'נה. בסקירה הסופית של השלב הראשון של הפרויקט, ביקשתי לא לבצע תיקונים. אשלי מנוסה ביצעה את התיקון. באמצעות הערכה והמדריך שסיפקנו, היא הרכיבה את התיקון והשלימה את התיקון ללא כל בעיה".
איור 2 מכונת ההדבקה התרמית המופעלת על ידי סוללה, מתוכנתת מראש על בסיס סוללות, יכולה לרפא את תיקון סיבי הפחמן/אפוקסי בלחיצת כפתור, ללא צורך בידע תיקון או בתכנות מחזור ריפוי. מקור תמונה: Custom Technologies, LLC
פיתוח מרכזי נוסף הוא מערכת הריפוי המופעלת על ידי סוללות (איור 2). "באמצעות תחזוקה בשטח, יש לך רק כוח סוללה", ציין ברגן. "כל ציוד התהליך בערכת התיקון שפיתחנו הוא אלחוטי." זה כולל מליטה תרמית המופעלת על ידי סוללות שפותחה במשותף על ידי Custom Technologies ומכונת הדבקה תרמית, WichiTech Industries Inc. (Randallstown, מרילנד, ארה"ב). "הקשר התרמי המופעל על ידי סוללה מתוכנת מראש להשלמת ריפוי, כך שטירונים לא צריכים לתכנת את מחזור הריפוי", אמר קריין. "הם רק צריכים ללחוץ על כפתור כדי להשלים את הרמפה המתאימה ולספוג." הסוללות שנמצאות כיום בשימוש יכולות להחזיק מעמד שנה לפני שצריך להטעין אותן מחדש.
עם סיום השלב השני של הפרויקט, חברת Custom Technologies מכינה הצעות המשך לשיפור ואוסף מכתבי התעניינות ותמיכה. "המטרה שלנו היא להבשיל את הטכנולוגיה הזו ל-TRL 8 ולהביא אותה לשטח", אמר ברגן. "אנו רואים גם את הפוטנציאל ליישומים שאינם צבאיים".
מסביר את האמנות הישנה מאחורי חיזוק הסיבים הראשון בתעשייה, ויש לו הבנה מעמיקה של מדע הסיבים החדשים ופיתוח עתידי.
בקרוב וטס לראשונה, ה-787 מסתמך על חידושים בחומרים מרוכבים ותהליכים כדי להשיג את מטרותיו