Bộ dụng cụ di động có thể được sửa chữa bằng sợi thủy tinh/vinyl este đóng rắn bằng tia UV hoặc sợi carbon/epoxy prepreg được bảo quản ở nhiệt độ phòng và thiết bị đóng rắn chạy bằng pin. #insidemanufacturing #infrastructure
Sửa chữa miếng vá prepreg đóng rắn bằng tia UV Mặc dù phương pháp sửa chữa prepreg bằng sợi carbon/epoxy do Custom Technologies LLC phát triển cho cầu composite trong sân tỏ ra đơn giản và nhanh chóng, nhưng việc sử dụng nhựa vinyl este gia cố bằng sợi thủy tinh đóng rắn bằng tia UV Prepreg đã phát triển một hệ thống thuận tiện hơn. Nguồn hình ảnh: Custom Technologies LLC
Cầu triển khai theo mô-đun là tài sản quan trọng cho các hoạt động chiến thuật quân sự và hậu cần, cũng như việc khôi phục cơ sở hạ tầng giao thông trong các thảm họa thiên nhiên. Các cấu trúc composite đang được nghiên cứu để giảm trọng lượng của những cây cầu như vậy, do đó giảm gánh nặng cho các phương tiện vận tải và cơ chế phóng-hồi phục. So với cầu kim loại, vật liệu composite cũng có tiềm năng tăng khả năng chịu tải và kéo dài tuổi thọ.
Cầu Composite Mô-đun Nâng cao (AMCB) là một ví dụ. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, Hoa Kỳ) và Materials Sciences LLC (Horsham, PA, Hoa Kỳ) sử dụng vật liệu ép epoxy gia cường sợi carbon (Hình 1). ) Thiết kế và thi công). Tuy nhiên, khả năng sửa chữa các cấu trúc như vậy tại hiện trường là một vấn đề cản trở việc áp dụng vật liệu composite.
Hình 1 Cầu composite, tài sản quan trọng trong lĩnh vực Cầu composite mô-đun tiên tiến (AMCB) được thiết kế và xây dựng bởi Seemann Composites LLC và Materials Sciences LLC sử dụng vật liệu composite nhựa epoxy gia cố sợi carbon. Nguồn hình ảnh: Seeman Composites LLC (bên trái) và Quân đội Hoa Kỳ (bên phải).
Năm 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, Hoa Kỳ) đã nhận được khoản tài trợ Nghiên cứu đổi mới doanh nghiệp nhỏ (SBIR) Giai đoạn 1 do Quân đội Hoa Kỳ tài trợ để phát triển phương pháp sửa chữa có thể được binh lính thực hiện thành công tại chỗ. Dựa trên cách tiếp cận này, giai đoạn thứ hai của khoản tài trợ SBIR đã được trao vào năm 2018 để giới thiệu các vật liệu mới và thiết bị chạy bằng pin, ngay cả khi bản vá được thực hiện bởi người mới không được đào tạo trước đó, 90% hoặc hơn cấu trúc có thể được phục hồi Độ bền thô. Tính khả thi của công nghệ được xác định bằng cách thực hiện một loạt các phân tích, lựa chọn vật liệu, sản xuất mẫu và các nhiệm vụ thử nghiệm cơ học, cũng như sửa chữa quy mô nhỏ và toàn diện.
Nhà nghiên cứu chính trong hai giai đoạn SBIR là Michael Bergen, người sáng lập và chủ tịch của Custom Technologies LLC. Bergen đã nghỉ hưu tại Carderock của Trung tâm Chiến tranh Mặt nước Hải quân (NSWC) và phục vụ tại Bộ phận Kết cấu và Vật liệu trong 27 năm, nơi ông quản lý việc phát triển và ứng dụng các công nghệ composite trong hạm đội của Hải quân Hoa Kỳ. Tiến sĩ Roger Crane gia nhập Custom Technologies vào năm 2015 sau khi nghỉ hưu khỏi Hải quân Hoa Kỳ vào năm 2011 và đã phục vụ trong 32 năm. Chuyên môn về vật liệu composite của ông bao gồm các ấn phẩm kỹ thuật và bằng sáng chế, bao gồm các chủ đề như vật liệu composite mới, sản xuất nguyên mẫu, phương pháp kết nối, vật liệu composite đa chức năng, giám sát tình trạng kết cấu và phục hồi vật liệu composite.
Hai chuyên gia đã phát triển một quy trình độc đáo sử dụng vật liệu composite để sửa chữa các vết nứt trên phần thượng tầng bằng nhôm của tàu tuần dương tên lửa dẫn đường lớp CG-47 Ticonderoga 5456. Bergen cho biết: “Quy trình này được phát triển để giảm sự phát triển của các vết nứt và đóng vai trò là giải pháp thay thế tiết kiệm cho việc thay thế một tấm ván sàn có giá từ 2 đến 4 triệu đô la”. “Vì vậy, chúng tôi đã chứng minh rằng chúng tôi biết cách thực hiện sửa chữa bên ngoài phòng thí nghiệm và trong môi trường dịch vụ thực tế. Nhưng thách thức là các phương pháp sửa chữa tài sản quân sự hiện tại không mấy thành công. Giải pháp là sửa chữa song công liên kết [về cơ bản là dán một tấm ván lên trên cùng] hoặc loại bỏ tài sản khỏi dịch vụ để sửa chữa ở cấp kho (cấp D). Vì cần phải sửa chữa ở cấp D nên nhiều tài sản bị loại bỏ”.
Ông tiếp tục nói rằng điều cần thiết là một phương pháp có thể được thực hiện bởi những người lính không có kinh nghiệm về vật liệu composite, chỉ sử dụng bộ dụng cụ và hướng dẫn bảo trì. Mục tiêu của chúng tôi là làm cho quy trình trở nên đơn giản: đọc hướng dẫn, đánh giá thiệt hại và thực hiện sửa chữa. Chúng tôi không muốn trộn nhựa lỏng, vì điều này đòi hỏi phải đo lường chính xác để đảm bảo đóng rắn hoàn toàn. Chúng tôi cũng cần một hệ thống không có chất thải nguy hại sau khi hoàn thành việc sửa chữa. Và nó phải được đóng gói dưới dạng một bộ dụng cụ có thể được triển khai bởi mạng lưới hiện có. ”
Một giải pháp mà Custom Technologies đã chứng minh thành công là một bộ dụng cụ di động sử dụng keo dán epoxy cứng để tùy chỉnh miếng vá composite dính theo kích thước của hư hỏng (lên đến 12 inch vuông). Cuộc trình diễn đã được hoàn thành trên vật liệu composite đại diện cho sàn AMCB dày 3 inch. Vật liệu composite có lõi gỗ balsa dày 3 inch (mật độ 15 pound trên một feet khối) và hai lớp vải sợi carbon Vectorply (Phoenix, Arizona, Hoa Kỳ) C -LT 1100 0°/90° khâu hai trục, một lớp sợi carbon C-TLX 1900 0°/+45°/-45° ba trục và hai lớp C-LT 1100, tổng cộng là năm lớp. Crane cho biết "Chúng tôi quyết định rằng bộ dụng cụ sẽ sử dụng các miếng vá đúc sẵn trong một lớp phủ bán đẳng hướng tương tự như nhiều trục để hướng vải không phải là vấn đề".
Vấn đề tiếp theo là ma trận nhựa được sử dụng để sửa chữa tấm ép. Để tránh trộn nhựa lỏng, miếng vá sẽ sử dụng prepreg. Bergen giải thích rằng “Tuy nhiên, những thách thức này là lưu trữ”. Để phát triển một giải pháp miếng vá có thể lưu trữ, Custom Technologies đã hợp tác với Sunrez Corp. (El Cajon, California, Hoa Kỳ) để phát triển một prepreg sợi thủy tinh/vinyl este có thể sử dụng tia cực tím (UV) trong sáu phút. Công ty cũng hợp tác với Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, Hoa Kỳ), công ty này đề xuất sử dụng một màng epoxy linh hoạt mới.
Các nghiên cứu ban đầu đã chỉ ra rằng nhựa epoxy là loại nhựa phù hợp nhất cho prepreg sợi carbon - vinyl este đóng rắn bằng tia UV và sợi thủy tinh trong mờ hoạt động tốt, nhưng không đóng rắn dưới sợi carbon chặn ánh sáng. Dựa trên màng phim mới của Gougeon Brothers, prepreg epoxy cuối cùng được đóng rắn trong 1 giờ ở 210°F/99°C và có thời hạn sử dụng dài ở nhiệt độ phòng - không cần bảo quản ở nhiệt độ thấp. Bergen cho biết nếu cần nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) cao hơn, nhựa cũng sẽ được đóng rắn ở nhiệt độ cao hơn, chẳng hạn như 350°F/177°C. Cả hai prepreg đều được cung cấp trong bộ dụng cụ sửa chữa di động dưới dạng một chồng miếng vá prepreg được niêm phong trong một phong bì màng nhựa.
Vì bộ dụng cụ sửa chữa có thể được lưu trữ trong thời gian dài, Custom Technologies được yêu cầu tiến hành nghiên cứu thời hạn sử dụng. Bergen cho biết: “Chúng tôi đã mua bốn hộp nhựa cứng - loại hộp quân sự thông thường được sử dụng trong thiết bị vận chuyển - và cho các mẫu keo epoxy và vinyl este prepreg vào mỗi hộp”. Sau đó, các hộp được đặt ở bốn địa điểm khác nhau để thử nghiệm: mái nhà máy Gougeon Brothers ở Michigan, mái nhà sân bay Maryland, cơ sở ngoài trời ở Thung lũng Yucca (sa mạc California) và phòng thí nghiệm thử nghiệm ăn mòn ngoài trời ở miền nam Florida. Bergen chỉ ra rằng tất cả các hộp đều có máy ghi dữ liệu, “Chúng tôi lấy mẫu dữ liệu và vật liệu để đánh giá ba tháng một lần. Nhiệt độ tối đa được ghi lại trong các hộp ở Florida và California là 140°F, nhiệt độ này phù hợp với hầu hết các loại nhựa phục hồi. Đây thực sự là một thách thức”. Ngoài ra, Gougeon Brothers đã thử nghiệm nội bộ loại nhựa epoxy nguyên chất mới phát triển. Bergen cho biết: “Các mẫu được đặt trong lò ở nhiệt độ 120°F trong vài tháng sẽ bắt đầu trùng hợp”. “Tuy nhiên, đối với các mẫu tương ứng được giữ ở nhiệt độ 110°F, tính chất hóa học của nhựa chỉ được cải thiện một lượng nhỏ.”
Việc sửa chữa đã được xác minh trên bảng thử nghiệm và mô hình thu nhỏ này của AMCB, sử dụng cùng loại vật liệu lõi và lớp phủ như cây cầu ban đầu do Seemann Composites xây dựng. Nguồn hình ảnh: Custom Technologies LLC
Để chứng minh kỹ thuật sửa chữa, một tấm gỗ dán tiêu biểu phải được sản xuất, hư hỏng và sửa chữa. Klein cho biết: “Trong giai đoạn đầu của dự án, ban đầu chúng tôi sử dụng các dầm 4 x 48 inch quy mô nhỏ và các bài kiểm tra uốn bốn điểm để đánh giá tính khả thi của quy trình sửa chữa của chúng tôi”. “Sau đó, chúng tôi chuyển sang các tấm 12 x 48 inch trong giai đoạn thứ hai của dự án, áp dụng tải trọng để tạo ra trạng thái ứng suất hai trục gây ra hỏng hóc, sau đó đánh giá hiệu suất sửa chữa. Trong giai đoạn thứ hai, chúng tôi cũng đã hoàn thành mô hình AMCB mà chúng tôi đã xây dựng Bảo trì”.
Bergen cho biết tấm thử nghiệm được sử dụng để chứng minh hiệu suất sửa chữa được sản xuất bằng cùng dòng vật liệu lõi và tấm ép nhiều lớp như AMCB do Seemann Composites sản xuất, “nhưng chúng tôi đã giảm độ dày của tấm từ 0,375 inch xuống 0,175 inch, dựa trên định lý trục song song. Đây là trường hợp. Phương pháp này, cùng với các yếu tố bổ sung của lý thuyết dầm và lý thuyết tấm ép nhiều lớp cổ điển [CLT], đã được sử dụng để liên kết mômen quán tính và độ cứng hiệu dụng của AMCB quy mô đầy đủ với sản phẩm demo có kích thước nhỏ hơn, dễ xử lý hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Sau đó, chúng tôi Mô hình phân tích phần tử hữu hạn [FEA] do XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, Hoa Kỳ) phát triển đã được sử dụng để cải thiện thiết kế sửa chữa kết cấu.” Vải sợi carbon được sử dụng cho tấm thử nghiệm và mô hình AMCB được mua từ Vectorply và lõi balsa được sản xuất bởi Core Composites (Bristol, RI, Hoa Kỳ).
Bước 1. Bảng thử nghiệm này hiển thị một lỗ có đường kính 3 inch để mô phỏng hư hỏng được đánh dấu ở giữa và sửa chữa chu vi. Nguồn ảnh cho tất cả các bước: Custom Technologies LLC.
Bước 2. Sử dụng máy mài thủ công chạy bằng pin để loại bỏ phần vật liệu bị hỏng và dán miếng vá sửa chữa bằng máy mài côn 12:1.
“Chúng tôi muốn mô phỏng mức độ hư hỏng cao hơn trên bảng thử nghiệm so với mức có thể thấy trên sàn cầu ngoài thực địa”, Bergen giải thích. “Vì vậy, phương pháp của chúng tôi là sử dụng máy cưa lỗ để tạo một lỗ có đường kính 3 inch. Sau đó, chúng tôi rút nút vật liệu bị hư hỏng ra và sử dụng máy mài khí nén cầm tay để xử lý một lớp vải 12:1”.
Crane giải thích rằng đối với việc sửa chữa bằng sợi carbon/epoxy, sau khi vật liệu tấm “bị hỏng” được loại bỏ và áp dụng một lớp phủ thích hợp, lớp prepreg sẽ được cắt theo chiều rộng và chiều dài để phù hợp với độ thuôn của khu vực bị hỏng. “Đối với tấm thử nghiệm của chúng tôi, điều này đòi hỏi bốn lớp prepreg để giữ cho vật liệu sửa chữa nhất quán với phần trên cùng của tấm carbon ban đầu không bị hỏng. Sau đó, ba lớp phủ prepreg carbon/epoxy được tập trung vào phần này Trên phần được sửa chữa. Mỗi lớp liên tiếp kéo dài 1 inch ở tất cả các mặt của lớp dưới cùng, giúp truyền tải tải dần dần từ vật liệu xung quanh “tốt” sang khu vực được sửa chữa.” Tổng thời gian để thực hiện việc sửa chữa này - bao gồm chuẩn bị khu vực sửa chữa, Cắt và đặt vật liệu phục hồi và áp dụng quy trình bảo dưỡng - khoảng 2,5 giờ.
Đối với vật liệu prepreg sợi carbon/epoxy, khu vực sửa chữa được đóng gói chân không và xử lý ở nhiệt độ 210°F/99°C trong một giờ bằng máy liên kết nhiệt chạy bằng pin.
Mặc dù sửa chữa carbon/epoxy đơn giản và nhanh chóng, nhóm nghiên cứu nhận ra nhu cầu về một giải pháp thuận tiện hơn để khôi phục hiệu suất. Điều này dẫn đến việc khám phá các prepreg đóng rắn bằng tia cực tím (UV). Bergen giải thích: “Sự quan tâm đến nhựa vinyl este Sunrez dựa trên kinh nghiệm hải quân trước đây với người sáng lập công ty Mark Livesay”. “Đầu tiên, chúng tôi cung cấp cho Sunrez một loại vải thủy tinh bán đẳng hướng, sử dụng prepreg vinyl este của họ và đánh giá đường cong đóng rắn trong các điều kiện khác nhau. Ngoài ra, vì chúng tôi biết rằng nhựa vinyl este không giống như nhựa epoxy mang lại hiệu suất bám dính thứ cấp phù hợp, vì vậy cần phải nỗ lực thêm để đánh giá các tác nhân ghép lớp keo dính khác nhau và xác định loại nào phù hợp cho ứng dụng”.
Một vấn đề khác là sợi thủy tinh không thể cung cấp cùng các tính chất cơ học như sợi carbon. Crane cho biết: “So với miếng vá carbon/epoxy, vấn đề này được giải quyết bằng cách sử dụng thêm một lớp thủy tinh/vinyl este”. “Lý do tại sao chỉ cần thêm một lớp nữa là vì vật liệu thủy tinh là loại vải nặng hơn”. Điều này tạo ra một miếng vá phù hợp có thể được áp dụng và kết hợp trong vòng sáu phút ngay cả ở nhiệt độ rất lạnh/đóng băng trong sân. Đóng rắn mà không cung cấp nhiệt. Crane chỉ ra rằng công việc sửa chữa này có thể hoàn thành trong vòng một giờ.
Cả hai hệ thống miếng vá đều đã được chứng minh và thử nghiệm. Đối với mỗi lần sửa chữa, khu vực bị hư hỏng được đánh dấu (bước 1), tạo bằng cưa lỗ, sau đó loại bỏ bằng máy mài thủ công chạy bằng pin (bước 2). Sau đó, cắt khu vực đã sửa chữa thành hình côn 12:1. Làm sạch bề mặt khăn bằng miếng cồn (bước 3). Tiếp theo, cắt miếng vá sửa chữa theo kích thước nhất định, đặt lên bề mặt đã làm sạch (bước 4) và cố định bằng con lăn để loại bỏ bọt khí. Đối với prepreg vinyl este đóng rắn bằng sợi thủy tinh/UV, sau đó đặt lớp giải phóng lên khu vực đã sửa chữa và làm khô miếng vá bằng đèn UV không dây trong sáu phút (bước 5). Đối với prepreg sợi carbon/epoxy, hãy sử dụng máy liên kết nhiệt chạy bằng pin, một nút bấm, được lập trình sẵn để đóng gói chân không và làm khô khu vực đã sửa chữa ở nhiệt độ 210°F/99°C trong một giờ.
Bước 5. Sau khi đặt lớp lột lên vùng cần sửa chữa, hãy sử dụng đèn UV không dây để làm khô miếng vá trong 6 phút.
“Sau đó, chúng tôi tiến hành thử nghiệm để đánh giá độ bám dính của miếng vá và khả năng phục hồi khả năng chịu tải của kết cấu”, Bergen cho biết. “Trong giai đoạn đầu tiên, chúng tôi cần chứng minh tính dễ thi công và khả năng phục hồi ít nhất 75% cường độ. Điều này được thực hiện bằng cách uốn bốn điểm trên dầm lõi balsa và sợi carbon/nhựa epoxy 4 x 48 inch sau khi sửa chữa hư hỏng mô phỏng. Đúng vậy. Giai đoạn thứ hai của dự án sử dụng tấm 12 x 48 inch và phải thể hiện hơn 90% yêu cầu về cường độ dưới tải trọng biến dạng phức tạp. Chúng tôi đã đáp ứng tất cả các yêu cầu này và sau đó chụp ảnh các phương pháp sửa chữa trên mô hình AMCB. Cách sử dụng công nghệ và thiết bị trong sân để cung cấp tài liệu tham khảo trực quan”.
Một khía cạnh quan trọng của dự án là chứng minh rằng người mới có thể dễ dàng hoàn thành việc sửa chữa. Vì lý do này, Bergen đã nảy ra một ý tưởng: “Tôi đã hứa sẽ trình diễn cho hai người liên lạc kỹ thuật của chúng tôi trong Quân đội: Tiến sĩ Bernard Sia và Ashley Genna. Trong lần đánh giá cuối cùng của giai đoạn đầu tiên của dự án, tôi đã yêu cầu không sửa chữa. Ashley giàu kinh nghiệm đã thực hiện việc sửa chữa. Sử dụng bộ dụng cụ và hướng dẫn mà chúng tôi cung cấp, cô ấy đã dán miếng vá và hoàn thành việc sửa chữa mà không gặp bất kỳ vấn đề nào.”
Hình 2 Máy liên kết nhiệt chạy bằng pin được lập trình sẵn có thể làm đông cứng miếng vá sửa chữa bằng sợi carbon/epoxy chỉ bằng một nút bấm mà không cần kiến thức sửa chữa hoặc lập trình chu trình đông cứng. Nguồn hình ảnh: Custom Technologies, LLC
Một phát triển quan trọng khác là hệ thống bảo dưỡng chạy bằng pin (Hình 2). Bergen chỉ ra rằng “Thông qua bảo dưỡng tại chỗ, bạn chỉ có nguồn điện từ pin”. “Tất cả các thiết bị xử lý trong bộ dụng cụ sửa chữa mà chúng tôi phát triển đều không dây”. Điều này bao gồm máy liên kết nhiệt chạy bằng pin do Custom Technologies và nhà cung cấp máy liên kết nhiệt WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, Hoa Kỳ) cùng phát triển. Crane cho biết: “Máy liên kết nhiệt chạy bằng pin này được lập trình sẵn để hoàn tất quá trình bảo dưỡng, vì vậy người mới không cần phải lập trình chu trình bảo dưỡng”. “Họ chỉ cần nhấn nút để hoàn tất quá trình ram và ngâm thích hợp”. Các loại pin hiện đang sử dụng có thể dùng được trong một năm trước khi cần sạc lại.
Với việc hoàn thành giai đoạn thứ hai của dự án, Custom Technologies đang chuẩn bị các đề xuất cải tiến tiếp theo và thu thập thư quan tâm và hỗ trợ. Bergen cho biết: "Mục tiêu của chúng tôi là hoàn thiện công nghệ này đến TRL 8 và đưa nó vào thực tế". "Chúng tôi cũng thấy tiềm năng cho các ứng dụng phi quân sự".
Giải thích về nghệ thuật cũ đằng sau công nghệ gia cố sợi đầu tiên trong ngành và có hiểu biết sâu sắc về khoa học sợi mới cũng như sự phát triển trong tương lai.
Sắp ra mắt và bay lần đầu tiên, 787 dựa vào những cải tiến trong vật liệu và quy trình tổng hợp để đạt được mục tiêu của mình
Thời gian đăng: 02-09-2021