Bộ dụng cụ di động có thể được sửa chữa bằng sợi thủy tinh/vinyl ester có thể chữa được bằng tia cực tím hoặc prereg sợi carbon/epoxy được bảo quản ở nhiệt độ phòng và thiết bị bảo dưỡng chạy bằng pin.#sản xuất bên trong #cơ sở hạ tầng
Sửa chữa miếng vá prepreg chữa được bằng tia cực tím Mặc dù việc sửa chữa prepreg bằng sợi carbon/epoxy do Custom Technologies LLC phát triển cho cầu composite nội đồng tỏ ra đơn giản và nhanh chóng, việc sử dụng nhựa vinyl ester gia cố bằng sợi thủy tinh Prepreg đã phát triển một hệ thống thuận tiện hơn .Nguồn hình ảnh: Custom Technologies LLC
Những cây cầu có thể triển khai theo mô-đun là tài sản quan trọng cho các hoạt động chiến thuật quân sự và hậu cần, cũng như khôi phục cơ sở hạ tầng giao thông trong thiên tai.Cấu trúc hỗn hợp đang được nghiên cứu để giảm trọng lượng của những cây cầu như vậy, từ đó giảm gánh nặng cho các phương tiện vận tải và cơ chế phóng-hồi phục.So với cầu kim loại, vật liệu composite còn có khả năng tăng khả năng chịu tải và kéo dài tuổi thọ sử dụng.
Cầu tổng hợp mô-đun nâng cao (AMCB) là một ví dụ.Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, US) và Materials Sciences LLC (Horsham, PA, US) sử dụng các tấm 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 tại hiện trường là một vấn đề cản trở việc sử dụng vật liệu composite.
Hình 1 Cầu composite, tài sản nội địa quan trọng Cầu composite mô-đun nâng cao (AMCB) được thiết kế và xây dựng bởi Seemann Composites LLC và Materials Sciences LLC bằng cách sử dụng vật liệu tổng hợp nhựa epoxy gia cố bằng sợi carbon.Nguồn ảnh: Seeman Composites LLC (trái) và Quân đội Mỹ (phải).
Vào năm 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, US) đã nhận được khoản tài trợ Giai đoạn 1 của Nghiên cứu Đổi mới Doanh nghiệp Nhỏ (SBIR) do Quân đội Hoa Kỳ tài trợ để phát triển một phương pháp sửa chữa mà binh lính có thể 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 mà không được đào tạo trước, 90% cấu trúc trở lên có thể được khôi phục Nguyên sức mạnh.Tính khả thi của công nghệ được xác định bằng cách thực hiện một loạt các nhiệm vụ phân tích, lựa chọn vật liệu, sản xuất mẫu và thử nghiệm cơ học, cũng như sửa chữa quy mô nhỏ và quy mô lớn.
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 Tác chiến Bề mặt Hải quân (NSWC) và phục vụ tại Phòng Kết cấu và Vật liệu trong 27 năm, nơi ông quản lý việc phát triển và ứng dụng 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 từ Hải quân Hoa Kỳ vào năm 2011 và đã phục vụ được 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, theo dõi sức khỏe cấu trúc 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 cấu trúc thượng tầng bằng nhôm của tàu tuần dương tên lửa dẫn đường lớp Ticonderoga CG-47 5456. “Quy trình này được phát triển để giảm sự phát triển của các vết nứt và đóng vai trò như một giải pháp thay thế kinh tế đến việc thay thế một bảng nền trị giá từ 2 đến 4 triệu đô la,” 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 môi trường dịch vụ thực tế.Nhưng thách thức là các phương pháp trang bị quân sự hiện tại không mấy thành công.Tùy chọn là sửa chữa song công ngoại quan [về cơ bản ở những khu vực bị hư hỏng Dán một tấm bảng lên trên cùng] hoặc loại bỏ tài sản khỏi dịch vụ để sửa chữa cấp kho (cấp D).Vì cần phải sửa chữa cấp D nên nhiều tài sản sẽ bị gác lại ”.
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 các bộ dụng cụ và sách hướng dẫn bảo trì.Mục tiêu của chúng tôi là làm cho quy trình trở nên đơn giản: đọc hướng dẫn sử dụng, đánh giá hư hỏng và tiến hành sửa chữa.Chúng tôi không muốn trộn nhựa lỏng vì điều này đòi hỏi phải đo lường chính xác để đảm bảo xử lý hoàn toàn.Chúng ta cũng cần một hệ thống không có chất thải nguy hại sau khi sửa chữa xong.Và nó phải được đóng gói dưới dạng một bộ công cụ có thể được triển khai bởi mạng hiện có.”
Một giải pháp mà Custom Technologies đã thể hiện thành công là bộ dụng cụ di động sử dụng keo epoxy cường lực để tùy chỉnh miếng dán tổng hợp kết 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 tổng hợp có lõi gỗ balsa dày 3 inch (mật độ 15 pound trên foot khối) và hai lớp Vectorply (Phoenix, Arizona, US) C -LT 1100 vải khâu hai trục bằng sợi carbon 0°/90°, một lớp C-TLX 1900 sợi carbon 0°/+45°/-45° ba trục và hai lớp C-LT 1100, tổng cộng có năm lớp.Crane cho biết: “Chúng tôi đã quyết định rằng bộ sản phẩm sẽ sử dụng các miếng vá đúc sẵn trong một tấm cán mỏng gần như đẳng hướng tương tự như nhiều trục để hướng vải sẽ không thành vấn đề”.
Vấn đề tiếp theo là ma trận nhựa được sử dụng để sửa chữa tấm laminate.Để tránh trộn lẫn nhựa lỏng, miếng dán sẽ sử dụng prereg.“Tuy nhiên, những thách thức này là việc lưu trữ,” Bergen giải thích.Để phát triển giải pháp miếng vá có thể lưu trữ, Custom Technologies đã hợp tác với Sunrez Corp. (El Cajon, California, Hoa Kỳ) để phát triển prepreg sợi thủy tinh/vinyl ester có thể sử dụng tia cực tím (UV) trong sáu phút.Nó cũng hợp tác với Gougeon Brothers (Thành phố Bay, Michigan, Hoa Kỳ), đề xuất sử dụng màng epoxy dẻo mới.
Các nghiên cứu ban đầu đã chỉ ra rằng nhựa epoxy là loại nhựa thích hợp nhất cho preregs sợi carbon - este vinyl có thể chữa được bằng tia cực tím và sợi thủy tinh mờ hoạt động tốt, nhưng không xử lý được dưới sợi carbon chặn ánh sáng.Dựa trên màng mới của Gougeon Brothers, lớp prepreg epoxy cuối cùng được xử lý trong 1 giờ ở 210°F/99°C và có thời hạn sử dụng lâu dài ở nhiệt độ phòng-không cần bảo quản ở nhiệt độ thấp.Bergen cho biết nếu cần nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg) cao hơn thì nhựa cũng sẽ được xử lý ở nhiệt độ cao hơn, chẳng hạn như 350°F/177°C.Cả hai prereg đều được cung cấp dưới dạng bộ dụng cụ sửa chữa di động dưới dạng chồng các miếng vá prereg được niêm phong trong một phong bì màng nhựa.
Vì bộ dụng cụ sửa chữa có thể được bảo quản trong thời gian dài nên Custom Technologies phải tiến hành nghiên cứu về thời hạn sử dụng.Bergen cho biết: “Chúng tôi đã mua bốn vỏ nhựa cứng — một loại quân sự điển hình được sử dụng trong thiết bị vận tải — và đặt các mẫu chất kết dính epoxy và nhựa vinyl ester vào mỗi vỏ”.Sau đó, những chiếc hộp này 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 trường hợp 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 trong hộp ở Florida và California là 140°F, nhiệt độ này tốt cho hầu hết các loại nhựa phục hồi.Đó thực sự là một thử thách.”Ngoài ra, Gougeon Brothers đã thử nghiệm nội bộ loại nhựa epoxy nguyên chất mới được phát triển.Bergen cho biết: “Các mẫu được đặt trong lò ở nhiệt độ 120°F trong vài tháng sẽ bắt đầu polyme hóa.“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 tỷ lệ này của AMCB, sử dụng cùng loại vật liệu cán và lõi như cây cầu ban đầu do Seemann Composites xây dựng.Nguồn hình ảnh: Custom Technologies LLC
Để thể hiện kỹ thuật sửa chữa, một tấm laminate đại diện 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 dầm 4 x 48 inch quy mô nhỏ và thử nghiệm 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, tác dụng tải trọng để tạo ra trạng thái ứng suất hai trục gây ra hư hỏng, sau đó đánh giá hiệu suất sửa chữa.Ở giai đoạn 2, chúng tôi cũng đã hoàn thiện mô hình AMCB mà chúng tôi đã xây dựng Bảo trì.”
Bergen cho biết bảng thử nghiệm được sử dụng để chứng minh hiệu suất sửa chữa được sản xuất bằng cách sử dụng cùng dòng vật liệu cán mỏng và lõi như AMCB do Seemann Composites sản xuất, “nhưng chúng tôi đã giảm độ dày của bảng 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 lớp cổ điển [CLT], được sử dụng để liên kết mômen quán tính và độ cứng hiệu dụng của AMCB quy mô đầy đủ với sản phẩm demo kích thước nhỏ hơn, dễ xử lý hơn và hơn thế nữa hiệu quả về mặt chi phí.Sau đó, chúng tôi sử dụng Mô hình phân tích phần tử hữu hạn [FEA] do XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, Hoa Kỳ) phát triển để cải thiện thiết kế sửa chữa kết cấu.”Vải sợi carbon được sử dụng cho các tấm thử nghiệm và mẫu AMCB được mua từ Vectorply và lõi balsa được sản xuất bởi Core Composites (Bristol, RI, US) do Core Composites cung cấp.
Bước 1. Bảng kiểm tra này hiển thị đường kính lỗ 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 vật liệu bị hư hỏng và đóng miếng vá sửa chữa bằng côn 12:1.
Bergen giải thích: “Chúng tôi muốn mô phỏng mức độ hư hỏng trên bảng thử nghiệm cao hơn mức có thể thấy trên mặt cầu trên thực địa”.“Vì vậy, phương pháp của chúng tôi là dùng cưa lỗ để tạo một lỗ có đường kính 3 inch.Sau đó, chúng tôi rút phích cắm của vật liệu bị hư hỏng và sử dụng máy mài khí nén cầm tay để xử lý chiếc khăn theo tỷ lệ 12:1.”
Crane giải thích rằng để sửa chữa sợi carbon/epoxy, sau khi vật liệu tấm “hư hỏng” được loại bỏ và áp dụng một lớp bọc thích hợp, lớp prereg 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 prereg để giữ cho vật liệu sửa chữa phù hợp với mặt trên của bảng carbon ban đầu không bị hư hại.Sau đó, ba lớp prepreg carbon/epoxy bao phủ được tập trung vào phần được sửa chữa này.Mỗi lớp kế tiếp kéo dài 1 inch ở tất cả các mặt của lớp dưới, giúp truyền 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 cũng như áp dụng quy trình bảo dưỡng - khoảng 2,5 giờ.
Đối với prereg 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 cách sử dụng máy liên kết nhiệt chạy bằng pin.
Mặc dù việc sửa chữa carbon/epoxy rất đơn giản và nhanh chóng nhưng nhóm nghiên cứu nhận thấy cần có một giải pháp thuận tiện hơn để khôi phục hiệu suất.Điều này dẫn đến việc khám phá các prereg chữa bệnh bằng tia cực tím (UV).Bergen giải thích: “Sự quan tâm đến nhựa vinyl ester 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 gần như đẳng hướng, sử dụng prepreg vinyl ester của họ và đánh giá đường cong xử lý trong các điều kiện khác nhau.Ngoài ra, vì chúng tôi biết rằng nhựa vinyl ester không giống như nhựa epoxy. Nó mang lại hiệu suất bám dính thứ cấp phù hợp, nên cần có thêm nỗ lực để đánh giá các chất kết dính lớp 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 giống 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 este thủy tinh/vinyl.“Lý do chỉ cần thêm một lớp nữa là vì chất liệu thủy tinh là loại vải nặng hơn.”Điều này tạo ra một miếng dán phù hợp có thể được dán và kết hợp trong vòng sáu phút ngay cả ở nhiệt độ nội đồng rất lạnh/đóng băng.Chữa 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 vá lỗi đã được chứng minh và thử nghiệm.Đối với mỗi lần sửa chữa, khu vực bị hư hỏng sẽ được đánh dấu (bước 1), được tạo bằng cưa lỗ và sau đó loại bỏ bằng máy mài thủ công chạy bằng pin (bước 2).Sau đó cắt vùng 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 một kích thước nhất định, đặt nó lên bề mặt đã được làm sạch (bước 4) và dùng con lăn gia cố lại để loại bỏ bọt khí.Đối với prepreg vinyl ester xử lý sợi thủy tinh/UV, sau đó đặt lớp giải phóng lên khu vực đã được sửa chữa và xử lý miếng vá bằng đèn UV không dây trong sáu phút (bước 5).Đối với prereg sợi carbon/epoxy, hãy sử dụng máy liên kết nhiệt chạy bằng pin, một nút bấm, được lập trình sẵn để hút chân không và xử lý khu vực đã sửa chữa ở nhiệt độ 210°F/99°C trong một giờ.
Bước 5. Sau khi đặt lớp bong tróc lên vùng đã sửa chữa, hãy sử dụng đèn UV không dây để xử lý miếng dán trong 6 phút.
Bergen cho biết: “Sau đó, chúng tôi tiến hành các thử nghiệm để đánh giá độ bám dính của miếng vá và khả năng khôi phục khả năng chịu tải của cấu trúc”.“Ở giai đoạn đầu, chúng tôi cần chứng minh tính dễ áp dụng và khả năng phục hồi ít nhất 75% sức mạnh.Điều này được thực hiện bằng cách uốn bốn điểm trên sợi carbon/nhựa epoxy 4 x 48 inch và dầm lõi balsa sau khi sửa chữa hư hỏng mô phỏng.Đúng.Giai đoạn thứ hai của dự án sử dụng tấm 12 x 48 inch và phải đáp ứng yêu cầu về độ bền trên 90% dưới tải trọng biến dạng phức tạp.Chúng tôi 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 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 nảy ra một ý tưởng: “Tôi đã hứa sẽ chứng minh cho hai người liên hệ kỹ thuật của chúng tôi trong Quân đội: Tiến sĩ Bernard Sia và Ashley Genna.Trong lần xem xét cuối cùng về giai đoạn đầu tiên của dự án, tôi đã yêu cầu không sửa chữa.Ashley có kinh nghiệm đã thực hiện việc sửa chữa.Bằng cách sử dụng bộ công cụ và sách hướng dẫn mà chúng tôi cung cấp, cô ấy đã dán miếng 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 và bảo dưỡng bằng pin có thể xử lý miếng vá sửa chữa sợi carbon/epoxy chỉ bằng một nút nhấn mà không cần kiến thức sửa chữa hoặc lập trình chu trình bảo dưỡng.Nguồn hình ảnh: Custom Technologies, LLC
Một bước phát triển quan trọng khác là hệ thống sấy khô chạy bằng pin (Hình 2).Bergen chỉ ra: “Thông qua bảo trì nội bộ, bạn chỉ có nguồn 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 liên kết nhiệt chạy bằng pin được phát triển chung bởi Custom Technologies và nhà cung cấp máy liên kết nhiệt WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, Hoa Kỳ).Crane cho biết: “Máy liên kết nhiệt chạy bằng pin này được lập trình sẵn để hoàn tất việc xử lý, vì vậy những người mới sử dụng không cần lập trình chu trình xử lý”.“Họ chỉ cần nhấn nút để hoàn thành đoạn đường dốc thích hợp và ngâm mình.”Loại pin hiện đang được sử dụng có thể sử dụng được một năm trước khi cần phải 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 phát triển công nghệ này lên TRL 8 và đưa nó vào hiện trường.“Chúng tôi cũng nhìn thấy tiềm năng cho các ứng dụng phi quân sự.”
Giải thích nghệ thuật cũ đằng sau việc gia cố sợi đầu tiên của ngành và có 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 dựa vào những cải tiến về vật liệu và quy trình composite để đạt được mục tiêu của mình
Thời gian đăng: Sep-02-2021