Bộ dụng cụ di động có thể được sửa chữa bằng sợi thủy tinh/vinyl có thể chống tia cực tím hoặc bằng sợi carbon/epoxy được lưu trữ ở nhiệt độ phòng và thiết bị bảo dưỡng chạy bằng pin. #Insideman sản xuất #infracture
Sửa chữa bản vá trước khả năng UV Mặc dù sửa chữa Prepreg bằng sợi carbon/epoxy được phát triển bởi Custom Technologies LLC cho cây cầu tổng hợp nội bộ đã được chứng minh là đơn giản và nhanh chóng, việc sử dụng nhựa vinyl este có khả năng điều trị bằng sợi thủy tinh đã phát triển một hệ thống thuận tiện hơn . Nguồn hình ảnh: Công nghệ tùy chỉnh LLC
Cầu có thể triển khai mô -đun là tài sản quan trọng cho các hoạt động và hậu cần chiến thuật quân sự, cũng như phục hồi cơ sở hạ tầng giao thông trong thảm họa tự nhiên. Các cấu trúc tổng hợp đang được nghiên cứu để giảm trọng lượng của những cây cầu như vậy, do đó giảm gánh nặng cho các phương tiện vận chuyển và cơ chế phục hồi khởi động. So với cầu kim loại, vật liệu composite cũng có khả năng tăng khả năng chịu tải và kéo dài tuổi thọ dịch vụ.
Cầu tổng hợp mô -đun tiên tiến (AMCB) là một ví dụ. SEEMANN Composites LLC (Gulfport, Mississippi, US) và Vật liệu Khoa học LLC (Horsham, PA, Hoa Kỳ) sử dụng các lớp epoxy được gia cố bằng sợi carbon (Hình 1). ) Thiết kế và xây dựng). Tuy nhiên, khả năng sửa chữa các cấu trúc như vậy trong lĩnh vực này là một vấn đề cản trở việc áp dụng các vật liệu composite.
Hình 1 Cầu tổng hợp, Cầu tổng hợp mô -đun nâng cao tài sản quan trọng (AMCB) được thiết kế và xây dựng bởi SEEMANN Composites LLC và Vật liệu Khoa học LLC sử dụng vật liệu tổng hợp nhựa Epoxy cốt sợi carbon. Nguồn hình ảnh: Seeman Composites LLC (trái) và Quân đội Hoa Kỳ (phải).
Vào năm 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, US) đã nhận được một khoản trợ cấp nghiên cứu đổi mới kinh doanh nhỏ (SBIR) do quân đội Hoa Kỳ tài trợ để phát triển một phương pháp sửa chữa có thể được các binh sĩ thực hiện thành công tại chỗ. Dựa trên phương pháp này, giai đoạn thứ hai của SBIR Grant 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 một người mới mà không cần đào tạo trước, có thể khôi phục lại cấu trúc 90% hoặc nhiều hơn sức mạnh. 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 vật và các tác vụ thử nghiệm cơ học, cũng như sửa chữa quy mô nhỏ và quy mô đầy đủ.
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 từ Carderock của Trung tâm chiến tranh bề mặt hải quân (NSWC) và phục vụ trong Sở Cấu trúc và Vật liệu trong 27 năm, nơi ông quản lý việc phát triển và áp dụng các công nghệ tổng hợp trong hạm đội của Hải quân Hoa Kỳ. Tiến sĩ Roger Crane đã tham gia Custom Technologies vào năm 2015 sau khi nghỉ hưu từ Hải quân Hoa Kỳ năm 2011 và đã phục vụ trong 32 năm. Chuyên môn vật liệu tổng hợp 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 sức khỏe cấu trúc và phục hồi vật liệu tổng hợp.
Hai chuyên gia đã phát triển một quy trình độc đáo sử dụng vật liệu composite để sửa chữa các vết nứt trong cấu trúc thượng tầng nhôm của Ticonderoga CG-47 Cruiser hướng dẫn để thay thế một hội đồng nền tảng từ 2 đến 4 triệu đô la, ông Berg Bergen nói. Vì vậy, chúng tôi đã chứng minh rằng chúng tôi biết cách thực hiện sửa chữa bên ngoài phòng thí nghiệm và trong một môi trường dịch vụ thực sự. Nhưng thách thức là các phương pháp tài sản quân sự hiện tại không thành công lắm. Tùy chọn là sửa chữa song công liên kết [về cơ bản ở các khu vực bị hư hỏng dán bảng lên trên cùng] hoặc loại bỏ tài sản khỏi dịch vụ để sửa chữa cấp kho (cấp D). Bởi vì cần phải sửa chữa cấp D, nhiều tài sản được đặt sang một bên.
Ông tiếp tục nói rằng những gì 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 quá trình đơn giản: Đọc hướng dẫn sử dụng, đánh giá thiệt hại và thực hiện sửa chữa. Chúng tôi không muốn trộn nhựa chất lỏng, vì điều này đòi hỏi phải đo chính xác để đảm bảo chữa khỏi hoàn toàn. Chúng tôi cũng cần một hệ thống không có chất thải nguy hại sau khi sửa chữa được hoàn thành. Và nó phải được đóng gói như một bộ có thể được triển khai bởi mạng hiện có. "
Một giải pháp mà các công nghệ tùy chỉnh đã thể hiện thành công là bộ dụng cụ di động sử dụng chất kết dính epoxy cứng để tùy chỉnh miếng vá hỗn hợp dính theo kích thước của thiệt hại (lên tới 12 inch vuông). Cuộc biểu tình đã được hoàn thành trên một vật liệu tổng hợp đại diện cho một boong AMCB dày 3 inch. Vật liệu composite có lõi gỗ balsa dày 3 inch (mật độ 15 pound mỗi feet khối) và hai lớp vectorply (Phoenix, Arizona, US) C -LT 1100 Sợi carbon C-TLX 1900 Sợi carbon 0 °/+45 °/-45 ° ba trục và hai lớp C-LT 1100, tổng cộng năm lớp. Chúng tôi đã quyết định rằng bộ dụng cụ này sẽ sử dụng các bản vá đúc sẵn trong một tấm gỗ gần như isotropic tương tự như đa trục để hướng vải sẽ không phải là một vấn đề, theo ông Crane.
Vấn đề tiếp theo là ma trận nhựa được sử dụng để sửa chữa gỗ. Để tránh trộn nhựa chất lỏng, bản vá sẽ sử dụng Prepreg. Tuy nhiên, những thách thức này là lưu trữ. Để phát triển một giải pháp Patch có thể lưu trữ, Custom Technologies đã hợp tác với Sunrez Corp (El Cajon, California, Hoa Kỳ) để phát triển một chiếc Ester bằng sợi thủy tinh/vinyl có thể sử dụng tia cực tím (UV) trong sáu phút bảo dưỡng ánh sáng. Nó cũng hợp tác với Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), cho thấy việc sử dụng một bộ phim epoxy linh hoạt mới.
Các nghiên cứu ban đầu đã chỉ ra rằng nhựa epoxy là loại nhựa phù hợp nhất cho sợi vinyl ester prepregs-uv có thể có được và sợi thủy tinh mờ hoạt động tốt, nhưng không chữa được dưới sợi carbon ngăn chặn ánh sáng. Dựa trên bộ phim mới của Gougeon Brothers, Epoxy Prepreg cuối cùng được chữa khỏi 1 giờ ở 210 ° f/99 ° C và có thời hạn sử dụng dài ở nhiệt độ phòng không cần lưu trữ nhiệt độ thấp. Bergen nói rằng nếu cần có nhiệt độ chuyển đổi thủy tinh cao hơn (TG), nhựa cũng sẽ được chữa khỏi ở nhiệt độ cao hơn, chẳng hạn như 350 ° f/177 ° C. Cả hai chuẩn bị được cung cấp trong một bộ sửa chữa di động như một chồng các bản vá chuẩn bị được niêm phong trong một phong bì màng nhựa.
Vì bộ dụng cụ sửa chữa có thể được lưu trữ trong một thời gian dài, nên cần có các công nghệ tùy chỉnh để tiến hành nghiên cứu thời hạn sử dụng. Chúng tôi đã mua bốn thùng nhựa cứng, một loại quân sự điển hình được sử dụng trong thiết bị vận chuyển, và đặt các mẫu chất kết dính epoxy và vinyl ester prepreg vào mỗi vỏ bọc, ông Berg Bergen nói. Các hộp sau đó được đặt ở bốn địa điểm khác nhau để thử nghiệm: mái nhà của nhà máy Gougeon Brothers ở Michigan, mái nhà của sân bay Maryland, cơ sở ngoài trời ở Thung lũng Yucca (sa mạc California) và phòng thí nghiệm thử ăn mòn ngoài trời ở miền nam Florida. Tất cả các trường hợp đều có bộ ghi dữ liệu, Bergen chỉ ra, chúng tôi lấy dữ liệu và mẫu vật liệu để đánh giá cứ sau ba tháng. Nhiệt độ tối đa được ghi nhận trong các hộp ở Florida và California là 140 ° F, tốt cho hầu hết các loại nhựa phục hồi. Đó là một thử thách thực sự. ” Ngoài ra, Gougeon Brothers đã thử nghiệm nhựa Epoxy tinh khiết mới được phát triển. Các mẫu đã được đặt trong lò nướng ở 120 ° F trong vài tháng bắt đầu trùng hợp, theo ông Berg Bergen. Tuy nhiên, đối với các mẫu tương ứng được giữ ở 110 ° F, hóa học nhựa chỉ được cải thiện bởi một lượng nhỏ.
Việc sửa chữa đã được xác minh trên bảng thử và mô hình quy mô này của AMCB, sử dụng cùng một vật liệu gỗ và cốt lõi như cây cầu ban đầu được xây dựng bởi các vật liệu tổng hợp Seemann. Nguồn hình ảnh: Công nghệ tùy chỉnh LLC
Để chứng minh kỹ thuật sửa chữa, một tấm gỗ đại diện phải được sản xuất, hư hỏng và sửa chữa. Trong giai đoạn đầu tiên của dự án, ban đầu chúng tôi đã sử dụng dầm 4 x 48 inch quy mô nhỏ và các thử nghiệm uốn bốn điểm để đánh giá tính khả thi của quá trình sửa chữa của chúng tôi, ông Kle Klein nói. Sau đó, chúng tôi đã chuyển sang các tấm 12 x 48 inch trong giai đoạn thứ hai của dự án, áp dụng tải để tạo trạng thái ứng suất hai trục để gây ra thất bại, và 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 nói rằng bảng thử nghiệm được sử dụng để chứng minh hiệu suất sửa chữa được sản xuất bằng cùng một dòng chữ và vật liệu cốt lõi như AMCB được sản xuất bởi các vật liệu tổng hợp SEEMANN, nhưng chúng tôi đã giảm độ dày của bảng điều khiển từ 0,375 inch xuống 0,175 inch, dựa trên định lý trục song song . Đây là trường hợp. Phương pháp, cùng với các yếu tố bổ sung của lý thuyết chùm tia và lý thuyết gỗ cổ điển [CLT], đã được sử dụng để liên kết thời điểm quán tính và độ cứng hiệu quả của AMCB quy mô đầy đủ với sản phẩm demo có kích thước nhỏ hơn, dễ xử lý hơn và nhiều hơn nữa hiệu quả chi phí. Sau đó, chúng tôi mô hình phân tích phần tử hữu hạn [FEA] được phát triển bởi Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) đã được sử dụng để cải thiện thiết kế sửa chữa cấu trúc. Vải sợi carbon được sử dụng cho các tấm thử nghiệm và mô hình AMCB được mua từ Vectorply và lõi Balsa được sản xuất bởi các vật liệu tổng hợp lõi (Bristol, RI, US) cung cấp.
Bước 1. Bảng thử nghiệm này hiển thị đường kính lỗ 3 inch để mô phỏng thiệt hại được đánh dấu ở trung tâm và sửa chữa chu vi. Nguồn ảnh cho tất cả các bước: Công nghệ tùy chỉnh LLC.
Bước 2. Sử dụng máy xay thủ công chạy bằng pin để loại bỏ vật liệu bị hư hỏng và gửi kèm theo bản vá sửa chữa bằng côn 12: 1.
Chúng tôi muốn mô phỏng một mức độ thiệt hại cao hơn trên bảng thử hơn có thể thấy trên sàn cầu trên cánh đồng, ông Berg Bergen giải thích. Vì vậy, phương pháp của chúng tôi là sử dụng một cái cưa lỗ để tạo lỗ có đường kính 3 inch. Sau đó, chúng tôi rút ra phích cắm của vật liệu bị hư hỏng và sử dụng máy xay khí nén cầm tay để xử lý một chiếc khăn 12: 1.
Crane giải thích rằng đối với việc sửa chữa sợi carbon/epoxy, một khi vật liệu bảng điều khiển bị hư hỏng của người dùng được loại bỏ và một chiếc khăn thích hợp được áp dụng, Prepreg sẽ được cắt theo chiều rộng và chiều dài để phù hợp với độ côn của khu vực bị hư hỏng. Đối với bảng thử nghiệm của chúng tôi, điều này đòi hỏi bốn lớp chuẩn bị để giữ cho vật liệu sửa chữa phù hợp với đỉnh của bảng carbon không bị hư hại ban đầu. Sau đó, ba lớp bao gồm các lớp carbon/epoxy được tập trung vào phần này trên phần đã sửa chữa. Mỗi lớp liên tiếp kéo dài 1 inch ở tất cả các mặt của lớp thấp hơn, cung cấp một sự chuyển tải dần dần từ các vật liệu xung quanh tốt của Good Good sang khu vực được sửa chữa. Tổng thời gian để thực hiện việc chuẩn bị khu vực sửa chữa bao gồm việc sửa chữa này, cắt và đặt vật liệu phục hồi và áp dụng quy trình bảo dưỡng-tiếp cận khoảng 2,5 giờ.
Đối với sợi carbon/epoxy pregreg, khu vực sửa chữa được đóng gói chân không và được chữa khỏi ở 210 ° f/99 ° C trong một giờ bằng cách sử dụng bonder nhiệt chạy bằng pin.
Mặc dù sửa chữa carbon/epoxy rất đơn giản và nhanh chóng, nhóm đã nhận ra sự cần thiết phải có một giải pháp thuận tiện hơn để khôi phục hiệu suất. Điều này dẫn đến việc thăm dò các phương pháp bảo dưỡng tia cực tím (UV). Sự quan tâm đến các loại nhựa Sunrez Vinyl Ester dựa trên kinh nghiệm hải quân trước đây với người sáng lập của công ty Mark Livesay, ông Berg Bergen giải thích. Lần đầu tiên chúng tôi cung cấp cho Sunrez một loại vải thủy tinh gần như isotropic, sử dụng vinyl este pregreg của họ và đánh giá đường cong bảo dưỡng trong các điều kiện khác nhau. Ngoài ra, vì chúng tôi biết rằng nhựa este vinyl không giống như nhựa epoxy cung cấp hiệu suất bám dính thứ cấp phù hợp, vì vậy cần có những nỗ lực bổ sung để đánh giá các chất kết hợp lớp kết 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 các tính chất cơ học tương tự như sợi carbon. So với bản 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 một lớp bổ sung là vật liệu thủy tinh là một loại vải nặng hơn. Điều này tạo ra một bản vá phù hợp có thể được áp dụng và kết hợp trong vòng sáu phút ngay cả ở nhiệt độ rất lạnh/đóng băng. Curing mà không cung cấp nhiệt. Cần cẩu chỉ ra rằng công việc sửa chữa này có thể được hoàn thành trong vòng một giờ.
Cả hai hệ thống vá đã được chứng minh và thử nghiệm. Đối với mỗi lần sửa chữa, khu vực bị hư hỏng được đánh dấu (Bước 1), được tạo bằng cưa lỗ, sau đó được loại bỏ bằng máy xay thủ công chạy bằng pin (Bước 2). Sau đó cắt khu vực sửa chữa thành một côn 12: 1. Làm sạch bề mặt của chiếc khăn bằng một miếng rượu (Bước 3). Tiếp theo, cắt bản vá sửa chữa đến một kích thước nhất định, đặt nó lên bề mặt được làm sạch (Bước 4) và củng cố nó bằng một con lăn để loại bỏ bọt khí. Đối với sợi thủy tinh/vinyl este prepreg, sau đó đặt lớp giải phóng lên khu vực sửa chữa và xử lý miếng vá bằng đèn UV không dây trong sáu phút (bước 5). Đối với sợi carbon/epoxy pregreg, hãy sử dụng một chiếc Bonder nhiệt được lập trình sẵn, một nút, chạy bằng pin để gói chân không và chữa khỏi khu vực sửa chữa ở 210 ° f/99 ° C trong một giờ.
Bước 5. Sau khi đặt lớp bong tróc trên khu vực sửa chữa, sử dụng đèn UV không dây để chữa miếng vá trong 6 phút.
Sau đó, chúng tôi đã tiến hành các thử nghiệm để đánh giá độ bám dính của bản vá và khả năng khôi phục khả năng chịu tải của cấu trúc, theo ông Berg Bergen. Trong giai đoạn đầu tiên, chúng ta cần chứng minh sự dễ dàng của ứng dụng và khả năng phục hồi ít nhất 75% sức mạnh. Điều này được thực hiện bằng cách uốn bốn điểm trên nhựa sợi carbon/epoxy 4 x 48 inch và chùm lõi Balsa sau khi sửa chữa thiệt hại mô phỏng. Đúng. Giai đoạn thứ hai của dự án đã sử dụng bảng điều khiển 12 x 48 inch và phải thể hiện hơn 90% yêu cầu sức mạnh theo tải 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 nội bộ để cung cấp một 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 có một ý tưởng: Tôi đã hứa sẽ chứng minh cho hai liên hệ kỹ thuật của chúng tôi trong Quân đội: Tiến sĩ Bernard Sia và Ashley Genna. Trong bài đánh giá cuối cùng về giai đoạn đầu tiên của dự án, tôi đã yêu cầu không sửa chữa. Ashley có kinh nghiệm thực hiện sửa chữa. Sử dụng bộ dụng cụ và hướng dẫn mà chúng tôi cung cấp, cô ấy đã áp dụng bản vá và hoàn thành việc sửa chữa mà không gặp vấn đề gì.
Hình 2 Máy liên kết nhiệt chạy bằng pin được lập trình sẵn, có thể chữa khỏi bản vá sửa chữa bằng sợi carbon/epoxy khi nhấn nút, mà không cần phải sửa chữa kiến thức hoặc lập trình chu kỳ. Nguồn hình ảnh: Công nghệ tùy chỉnh, LLC
Một phát triển quan trọng khác là hệ thống bảo dưỡng chạy bằng pin (Hình 2). Thông qua bảo trì nội bộ, bạn chỉ có năng lượng pin, ông Bergen chỉ ra. Tất cả các thiết bị quy trình trong bộ sửa chữa mà chúng tôi đã phát triển là không dây. Điều này bao gồm liên kết nhiệt chạy bằng pin được phát triển cùng với các công nghệ tùy chỉnh và nhà cung cấp máy liên kết nhiệt Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). Bonder này được hỗ trợ bằng pin được lập trình sẵn để bảo dưỡng hoàn toàn, vì vậy người mới không cần lập trình chu kỳ chữa bệnh, theo ông Crane. Họ chỉ cần nhấn một nút để hoàn thành đoạn đường nối thích hợp và ngâm mình. Pin hiện đang được sử dụng có thể kéo dài trong một năm trước khi chúng cần được sạc lại.
Với việc hoàn thành giai đoạn thứ hai của dự án, các công nghệ tùy chỉnh đang chuẩn bị các đề xuất cải tiến tiếp theo và thu thập thư quan tâm và hỗ trợ. Mục tiêu của chúng tôi là trưởng thành công nghệ này đến TRL 8 và đưa nó đến lĩnh vực này, ông Berg Bergen nói. Chúng tôi cũng thấy tiềm năng cho các ứng dụng phi quân sự.
Giải thích nghệ thuật cũ đằng sau sự gia cố sợi đầu tiên của ngành, và có sự hiểu biết sâu sắc về khoa học sợi mới và sự phát triển trong tương lai.
Sắp ra mắt và bay lần đầu tiên, 787 phụ thuộc vào sự đổi mới trong các vật liệu và quy trình composite để đạt được mục tiêu của mình
Thời gian đăng: Tháng 9-02-2021