ערכה קלה לשימוש מאפשרת תיקון באתר של מבנים מורכבים | עולם המרוכבים

ניתן לתקן את הערכה הניידת באמצעות אסתר פיברגלס/ויניל הניתן לעידת UV או סיבי פחמן/אפוקסי prepreg המאוחסנים בטמפרטורת החדר וציוד ריפוי המונע על ידי סוללה. #insidemancing #infrastructure
תיקון טלאי טרום-פרג הניתן לעריכה של UV, אף על פי שתיקון סיבי הפחמן/אפוקסי prepReg שפותח על ידי Custom Technologies LLC עבור הגשר המורכב של Infield הוכיח כפשוט ומהיר, השימוש בסיבי זכוכית מחוזק vinyl ester ester Prepreg פיתח מערכת נוחה יותר ו מקור תמונה: Technologies Custom LLC
גשרים הניתנים לפריסה מודולרית הם נכסים קריטיים לפעולות ולוגיסטיקה טקטית צבאית, כמו גם שחזור תשתיות התחבורה במהלך אסונות טבע. מבנים מורכבים נלמדים כדי להפחית את משקלם של גשרים כאלה, ובכך מפחיתים את הנטל על רכבי התחבורה ומנגנוני התאוששות השיגור. בהשוואה לגשרי מתכת, לחומרים מורכבים יש גם פוטנציאל להגדיל את יכולת הנשיאה של העומס ולהאריך את חיי השירות.
דוגמא לגשר המורכב המודולרי המתקדם (AMCB). Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, US) ומדעי החומרים LLC (Horsham, PA, US) משתמשים למינציה אפוקסי מחוזקת סיבי פחמן (איור 1). ) תכנון ובנייה). עם זאת, היכולת לתקן מבנים כאלה בתחום הייתה סוגיה המעכבת אימוץ חומרים מורכבים.
איור 1 איור 1 גשר מורכב, מפתח נכס מפתח מתקדם גשר מורכב מודולרי (AMCB) תוכנן ונבנה על ידי Seemann Composites LLC ו- Materials Sciences LLC באמצעות מרכיבי שרף אפוקסי מזוין סיבי פחמן. מקור תמונה: Seeman Composites LLC (משמאל) וצבא ארה"ב (מימין).
בשנת 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, US) קיבלה מענק שלב 1 של שלב 1 של SBIR (Millersville) כדי לפתח שיטת תיקון שניתן לבצע בהצלחה באתר על ידי חיילים. בהתבסס על גישה זו, השלב השני של מענק SBIR הוענק בשנת 2018 כדי להציג חומרים חדשים וציוד המונע על סוללות, גם אם התיקון מבוצע על ידי טירון ללא אימונים קודמים, ניתן לשחזר 90% או יותר מהמבנה גולמי כּוֹחַ. כדאיות הטכנולוגיה נקבעת על ידי ביצוע סדרת ניתוח, בחירת חומרים, ייצור דגימות ומשימות בדיקה מכניות, כמו גם תיקונים בקנה מידה קטן וקנה מידה מלא.
החוקר העיקרי בשני שלבי SBIR הוא מייקל ברגן, המייסד והנשיא של Custom Technologies LLC. ברגן פרש מקרדרוק ממרכז הלוחמה על פני חיל הים (NSWC) ושירת במחלקת מבנים וחומרים במשך 27 שנים, שם ניהל את הפיתוח והיישום של טכנולוגיות מורכבות בצי חיל הים האמריקני. ד"ר רוג'ר קריין הצטרף לטכנולוגיות Custom Technologies בשנת 2015 לאחר שפרש מחיל הים האמריקני בשנת 2011 וכיהן 32 שנה. מומחיות החומרים המורכבים שלו כוללת פרסומים ופטנטים טכניים, המכסים נושאים כמו חומרים מורכבים חדשים, ייצור אב -טיפוס, שיטות חיבור, חומרים מורכבים רב -פונקציונליים, ניטור בריאות מבני ושיקום חומרים מורכבים.
שני המומחים פיתחו תהליך ייחודי המשתמש בחומרים מורכבים לתיקון הסדקים במבנה-העל של אלומיניום של טייקונדרוגה CG-47 טילים מודרכים טילים 5456. "התהליך פותח כדי להפחית את צמיחת הסדקים ולשמש כחלופה חסכונית להחלפת לוח פלטפורמה של 2 עד 4 מיליון דולר, "אמר ברגן. "אז הוכחנו שאנחנו יודעים לבצע תיקונים מחוץ למעבדה ובסביבת שירות אמיתית. אך האתגר הוא ששיטות הנכסים הצבאיים הנוכחיים לא מצליחים במיוחד. האפשרות היא תיקון דופלקס קשור [בעיקרון באזורים פגומים הדביק לוח לראש] או הסר את הנכס מהשירות לתיקונים ברמת המחסן (ברמת D). מכיוון שנדרשים תיקונים ברמת D, נכסים רבים מונחים בצד. "
הוא המשיך ואמר שמה שצריך הוא שיטה שניתן לבצע על ידי חיילים ללא ניסיון בחומרים מורכבים, תוך שימוש רק בערכות ומדריכי תחזוקה. המטרה שלנו היא להפוך את התהליך לפשוט: קרא את המדריך, הערך את הנזק וביצע תיקונים. איננו רוצים לערבב שרפים נוזליים, מכיוון שזה דורש מדידה מדויקת כדי להבטיח תרופה מלאה. אנו זקוקים גם למערכת ללא פסולת מסוכנת לאחר סיום התיקונים. וזה חייב להיות ארוז כערכה שניתן לפרוס על ידי הרשת הקיימת. ”
פיתרון אחד שהדגימו בהצלחה טכנולוגיות בהצלחה הוא ערכה ניידת המשתמשת בדבק אפוקסי קשה כדי להתאים אישית את התיקון המורכב הדבק לפי גודל הנזק (עד 12 סנטימטרים רבועים). ההפגנה הושלמה על חומר מורכב המייצג סיפון AMCB בעובי 3 אינץ '. לחומר המורכב יש ליבת עץ בלסה בעובי 3 אינץ '(15 פאונד לכל צפיפות רגל מעוקב) ושתי שכבות של ווקטורפלי (פיניקס, אריזונה, ארה"ב) C -LT 1100 סיבי פחמן 0 °/90 ° תפור ביהקסיאלי, שכבה אחת של שכבה אחת של שכבה אחת של שכבה אחת של שכבה אחת של שכבה אחת של שכבה אחת של שכבה אחת של שכבה אחת של שכבה אחת של שכבה אחת של החובר של החובר של החובק של לחובת. יש C-TLX 1900 סיבי פחמן 0 °/+45 °/-45 ° שלוש פירים ושתי שכבות של C-LT 1100, בסך הכל חמש שכבות. "החלטנו שהערכה תשתמש בכתמים טרומיים במינציה מעין-איזוטרופית הדומה לציר רב-ציר כך שכיוון הבד לא יהיה נושא," אמר קריין.
הגיליון הבא הוא מטריצת השרף המשמשת לתיקון למינציה. על מנת להימנע מערבוב שרף נוזלי, התיקון ישתמש ב- PrepReg. "עם זאת, אתגרים אלה הם אחסון", הסביר ברגן. כדי לפתח פיתרון טלאים נצמד, Technologies Custom Technologies הצטרף לשותפות עם Sunrez Corp. (El Cajon, קליפורניה, ארה"ב) כדי לפתח סיבי זכוכית/ויניל אסטר Prepreg שיכול להשתמש באור אולטרה סגול (UV) בשש דקות ריפוי אור. זה גם שיתף פעולה עם האחים גוג'ון (Bay City, מישיגן, ארה"ב), שהציע את השימוש בסרט אפוקסי גמיש חדש.
מחקרים מוקדמים הראו כי שרף אפוקסי הוא השרף המתאים ביותר לסיבי סיבי פחמן פרגרים-אסטר הניתנים לעידת UV וסיבי זכוכית שקופים עובדים היטב, אך אינם מרפאים תחת סיבי פחמן חוסמים קלים. בהתבסס על סרטם החדש של האחים גוג'ון, ה- Epoxy Prepreg הסופי נרפא למשך שעה אחת ב 210 מעלות צלזיוס/99 מעלות צלזיוס ויש לו חיי מדף ארוכים בטמפרטורת החדר-ללא צורך באחסון בטמפרטורה נמוכה. ברגן אמר כי אם נדרשת טמפרטורת מעבר זכוכית גבוהה יותר (TG), השרף יירפא גם בטמפרטורה גבוהה יותר, כגון 350 ° F/177 מעלות צלזיוס. שני פרגינגים מסופקים בערכת תיקון ניידת כערימה של טלאי prepreg אטומים במעטפת סרטים מפלסטיק.
מכיוון שערכת התיקון עשויה להיות מאוחסנת למשך זמן רב, נדרשות טכנולוגיות בהתאמה אישית לביצוע מחקר חיי מדף. "רכשנו ארבעה מארזים מפלסטיק קשיחים - סוג צבאי טיפוסי המשמש בציוד הובלה - והכניסו דגימות של דבק אפוקסי ויניל אסטר פרפרג לכל מתחם," אמר ברגן. לאחר מכן הוצבו הקופסאות בארבעה מיקומים שונים לבדיקה: גג מפעל האחים גוג'ון במישיגן, גג שדה התעופה מרילנד, מתקן החוץ בעמק יוקה (מדבר קליפורניה), ומעבדה לבדיקת קורוזיה בחוץ בדרום פלורידה. בכל המקרים יש לוגני נתונים, מציין ברגן, "אנו לוקחים דגימות נתונים וחומרים להערכה כל שלושה חודשים. הטמפרטורה המרבית שנרשמה בתיבות בפלורידה ובקליפורניה היא 140 מעלות צלזיוס, וזה טוב לרוב שרפי השיקום. זה אתגר אמיתי. " בנוסף, האחים גוג'ון בדקו באופן פנימי את שרף האפוקסי הטהור החדש שפותח. "דגימות שהונחו בתנור בטמפרטורה של 120 מעלות במשך מספר חודשים מתחילות לפולימר," אמר ברגן. "עם זאת, עבור הדגימות המתאימות שנשמרו על 110 מעלות צלזיוס, כימיה של השרף השתפרה רק בכמות קטנה."
התיקון אומת על לוח הבדיקה ומודל בקנה מידה זה של AMCB, שהשתמש באותו חומר למינציה וליבה כמו הגשר המקורי שנבנה על ידי מרוכבים של Seemann. מקור תמונה: Technologies Custom LLC
על מנת להדגים את טכניקת התיקון, יש לייצר, לפגום ולתקן רבד מייצג. "בשלב הראשון של הפרויקט השתמשנו בתחילה בקורות 48 אינץ 'בקנה מידה קטן 48 אינץ' ובבדיקות כיפוף של ארבע נקודות כדי להעריך את היתכנות תהליך התיקון שלנו," אמר קליין. "לאחר מכן, עברנו לפנלים בגודל 12X48 אינץ 'בשלב השני של הפרויקט, יישמנו עומסים כדי לייצר מצב לחץ דו -מימי כדי לגרום לכישלון ואז הערכתי 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 למינציה וחומרי ליבה כמו AMCB מיוצר על ידי מרוכבים של Seemann, "אבל צמצמנו את עובי הפאנל מ- 0.375 אינץ 'ל 0.175 אינץ', על סמך משפט הציר המקביל ו זה המקרה. השיטה, יחד עם האלמנטים הנוספים של תיאוריית הקורות ותורת הרבד הקלאסית [CLT], שימשה לקישור רגע האינרציה והקשיחות האפקטיבית של ה- AMCB בקנה מידה מלא עם מוצר הדגמה בגודל קטן יותר שקל יותר לטפל בו ועוד חסכוני. לאחר מכן, אנו דגם הניתוח של האלמנטים הסופיים [FEA] שפותח על ידי Xcript Inc. (בוסטון, מסצ'וסטס, ארה"ב) שימש לשיפור תכנון התיקונים המבניים. " בד סיבי הפחמן המשמש ללוחות הבדיקה ודגם AMCB נרכש מ- vectorply, וליבת Balsa נוצרה על ידי מרוכבים ליבה (בריסטול, RI, ארה"ב).
שלב 1. לוח בדיקה זה מציג קוטר חור בגודל 3 אינץ 'כדי לדמות נזק המסומן במרכז ולתקן את ההיקף. מקור צילום לכל השלבים: Technologies Custom LLC.
שלב 2. השתמש במטחנה ידנית המונעת על ידי סוללה כדי להסיר את החומר הפגום ולסגור את תיקון התיקון בעזרת מחודד 12: 1.
"אנו רוצים לדמות דרגה גבוהה יותר של נזק בלוח הבדיקה ממה שניתן היה לראות על סיפון הגשר בשטח," הסביר ברגן. "אז השיטה שלנו היא להשתמש במסור חור כדי ליצור חור בקוטר 3 אינץ '. לאחר מכן, אנו שולפים את התקע של החומר הפגום ומשתמשים במטחנה פנאומטית כף יד כדי לעבד צעיף 12: 1. "
המנוף הסביר כי לצורך תיקון סיבי פחמן/אפוקסי, לאחר הסרת חומר הפאנל "הפגוע" ומופעל צעיף מתאים, ה- PrepReg ייחתך לרוחב ואורך כדי להתאים להתחדשות 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 שלא פגום. לאחר מכן, שלושת שכבות הפחמן/אפוקסי prepreg מרוכזות על זה בחלק המתוקן. כל שכבה רצופה משתרעת על סנטימטר 1 סנטימטר מכל צידי השכבה התחתונה, המספקת העברת עומס הדרגתית מהחומר "הטוב" סביב האזור המתוקן. " הזמן הכולל לביצוע הכנת שטח תיקון כלול תיקון זה, חיתוך והצבת חומר השיקום והפעלת נוהל הריפוי-בקפידה 2.5 שעות.
עבור סיבי פחמן/Epoxy Prepreg, אזור התיקון ארוז ואקום ונרפא בטמפרטורה של 210 מעלות צלזיוס למשך שעה באמצעות בונדר תרמי המונע על ידי סוללה.
למרות שתיקון הפחמן/אפוקסי הוא פשוט ומהיר, הצוות זיהה את הצורך בפתרון נוח יותר כדי להחזיר את הביצועים. זה הוביל לחקירה של ריפוי אולטרה סגול (UV) לריפוי PrepRegs. "העניין בסאנרז ויניל אסטר שרפים מבוסס על ניסיון ימי קודם עם מייסד החברה מארק לייבסיי," הסביר ברגן. "סיפקנו לראשונה לסאנראז בד זכוכית מעין-איזוטרופי, בעזרת הוויניל אסתר שלהם Prepreg, והערכנו את עקומת הריפוי בתנאים שונים. בנוסף, מכיוון שאנו יודעים ששרף ויניל אסתר אינו כמו שרף אפוקסי המספק ביצועי הדבקה משניים מתאימים, ולכן נדרשים מאמצים נוספים כדי להעריך חומרי צימוד שונים של שכבת דבק ולקבוע איזה מהם מתאים ליישום. "
בעיה נוספת היא שסיבי זכוכית אינם יכולים לספק את אותם תכונות מכניות כמו סיבי פחמן. "בהשוואה לתיקון פחמן/אפוקסי, בעיה זו נפתרת על ידי שימוש בשכבה נוספת של אסטר זכוכית/ויניל", אמר קריין. "הסיבה לכך שנדרשת רק שכבה נוספת אחת היא שחומר הזכוכית הוא בד כבד יותר." זה מייצר טלאי מתאים שניתן ליישם ולשלב אותו תוך שש דקות אפילו בטמפרטורות קרה מאוד/קפוא. ריפוי מבלי לספק חום. קריין ציין כי ניתן להשלים את עבודות התיקון הללו תוך שעה.
שתי מערכות התיקון הוכחו ונבדקו. עבור כל תיקון, האזור שנפגע מסומן (שלב 1), נוצר עם מסור חור ואז מוסר באמצעות מטחנה ידנית המונעת על ידי סוללה (שלב 2). ואז חתוך את האזור המתוקן להתחדדות 12: 1. נקה את פני הצעיף בעזרת כרית אלכוהול (שלב 3). בשלב הבא, חתוך את תיקון התיקון לגודל מסוים, הניח אותו על המשטח המנקה (שלב 4) וגבש אותו עם גלגלת להסרת בועות אוויר. עבור סיבי זכוכית/UV ריפוי ויניל אסתר פרפרג, אז הניחו את שכבת השחרור על האזור המתוקן וריפאו את הטלאי עם מנורת UV אלחוטית למשך שש דקות (שלב 5). עבור סיבי פחמן/Epoxy Prepreg, השתמשו בבונדר תרמי עם כפתור אחד, כפתור אחד, המונע על ידי סוללה, כדי לארוז ואקום ולרפא את האזור המתוקן בטמפרטורה של 210 ° F/99 מעלות צלזיוס למשך שעה.
שלב 5. לאחר הנחת שכבת הקילוף על האזור המתוקן, השתמש במנורת UV אלחוטית כדי לרפא את הטלאי למשך 6 דקות.
"ואז ערכנו בדיקות כדי להעריך את ההדבקות של התיקון ואת יכולתו להחזיר את יכולת הנושא העומס של המבנה," אמר ברגן. "בשלב הראשון עלינו להוכיח את קלות היישום ואת היכולת לשחזר לפחות 75% מהכוח. זה נעשה על ידי כיפוף של ארבע נקודות על שרף סיבי פחמן/אפוקסי בגודל 48 אינץ '/קרן ליבת בלסה לאחר תיקון הנזק המדומה. כֵּן. השלב השני של הפרויקט השתמש בפאנל בגודל 12X48 אינץ ', ועליו להציג יותר מ- 90% דרישות חוזק תחת עומסי מתח מורכבים. עמדנו בכל הדרישות הללו ואז צילמנו את שיטות התיקון במודל AMCB. כיצד להשתמש בטכנולוגיית אינפילד וציוד כדי לספק התייחסות חזותית. "
היבט מרכזי בפרויקט הוא להוכיח כי טירונים יכולים להשלים בקלות את התיקון. מסיבה זו היה לברגן רעיון: "הבטחתי להפגין לשני המגעים הטכניים שלנו בצבא: ד"ר ברנרד סיה ואשלי ג'נה. בסקירה הסופית של השלב הראשון של הפרויקט, לא ביקשתי שום תיקונים. אשלי המנוסה ביצעה את התיקון. בעזרת הערכה והמדריך שסיפקנו, היא החלה את התיקון והשלימה את התיקון ללא בעיות. "
איור 2 איור 2 מכונת ההדבקה התרמית המופעלת על ידי סוללה מכונה מראש, המונעת על ידי סוללה, יכולה לרפא את תיקון סיבי הפחמן/תיקון אפוקסי בלחיצת כפתור, ללא צורך בתיקון ידע או תכנות מחזור ריפוי. מקור תמונה: Technologies Custom, LLC
פיתוח מפתח נוסף הוא מערכת הריפוי המופעלת על סוללות (איור 2). "באמצעות תחזוקת אינפילד, יש לך רק כוח סוללה", ציין ברגן. "כל ציוד התהליך בערכת התיקון שפיתחנו הוא אלחוטי." זה כולל מליטה תרמית המונעת על ידי סוללות שפותחו במשותף על ידי טכנולוגיות בהתאמה אישית וספק מכונות מליטה תרמית Wichitech Industries Inc. (רנדלסטאון, מרילנד, ארה"ב). "בונדר תרמי זה המונע על ידי סוללה מתוכנת מראש לריפוי מלא, כך שטירונים לא צריכים לתכנת את מחזור הריפוי," אמר קריין. "הם רק צריכים ללחוץ על כפתור כדי להשלים את הרמפה והספיגה הנכונים." הסוללות הנמצאות כיום בשימוש יכולות להימשך שנה לפני שהן צריכות להטעין.
עם השלמת השלב השני של הפרויקט, Technologies Custom מכין הצעות לשיפור מעקב ואיסוף מכתבי עניין ותמיכה. "המטרה שלנו היא לבשר את הטכנולוגיה הזו ל- TRL 8 ולהביא אותה לשדה," אמר ברגן. "אנו רואים גם את הפוטנציאל ליישומים שאינם צבאיים."
מסביר את האמנות הישנה העומדת מאחורי חיזוק הסיבים הראשון בענף, ובהבנה מעמיקה של מדעי הסיבים החדשים והתפתחות העתידית.
ה- 787 מסתמך על חידושים בחומרים מורכבים ותהליכים מורכבים בכדי להשיג את יעדיה