Пераносны камплект можна адрамантаваць з дапамогай УФ-зацвярдзельнага шкловалакна/вінілавага эфіру або вугляроднага валакна/эпаксіднага препрега, які захоўваецца пры пакаёвай тэмпературы, і абсталявання для зацвярдзення, якое працуе ад батарэек. #унутрывытворчасці #інфраструктура
Рамонт з дапамогай УФ-зацвярдзельнага препрэга. Нягледзячы на тое, што рамонт з дапамогай вугляроднага валакна/эпаксіднага препрэга, распрацаваны кампаніяй Custom Technologies LLC для кампазітнага моста ўнутры поля, аказаўся простым і хуткім, выкарыстанне вінілаэфірнай смалы Prepreg, узмоцненай шкловалакном і зацвярдзелай УФ-выпраменьваннем, дазволіла стварыць больш зручную сістэму. Крыніца выявы: Custom Technologies LLC
Модульныя разгортваемыя масты з'яўляюцца найважнейшымі рэсурсамі для ваенна-тактычных аперацый і лагістыкі, а таксама для аднаўлення транспартнай інфраструктуры падчас стыхійных бедстваў. Кампазітныя канструкцыі вывучаюцца для зніжэння вагі такіх мастоў, тым самым зніжаючы нагрузку на транспартныя сродкі і механізмы запуску і аднаўлення. У параўнанні з металічнымі мастамі, кампазітныя матэрыялы таксама маюць патэнцыял для павелічэння грузападымальнасці і падаўжэння тэрміну службы.
Прыкладам з'яўляецца Advanced Modular Composite Bridge (AMCB). Seemann Composites LLC (Галфпорт, Місісіпі, ЗША) і Materials Sciences LLC (Хоршам, Пенсільванія, ЗША) выкарыстоўваюць эпаксідныя ламінаты, узмоцненыя вугляродным валакном (малюнак 1). ) Праектаванне і будаўніцтва). Аднак магчымасць рамонту такіх канструкцый у палявых умовах была праблемай, якая перашкаджае ўкараненню кампазітных матэрыялаў.
Малюнак 1. Кампазітны мост, ключавы актыў унутрыполлевага будаўніцтва. Пашыраны модульны кампазітны мост (AMCB) быў спраектаваны і пабудаваны кампаніямі Seemann Composites LLC і Materials Sciences LLC з выкарыстаннем эпаксідных кампазітаў, узмоцненых вугляродным валакном. Крыніца выявы: Seeman Composites LLC (злева) і армія ЗША (справа).
У 2016 годзе кампанія Custom Technologies LLC (Мілерсвіл, штат Мэрыленд, ЗША) атрымала грант Фазы 1 праграмы даследаванняў інавацый для малога бізнесу (SBIR), які фінансуецца арміяй ЗША, на распрацоўку метаду рамонту, які могуць паспяхова выконваць салдаты на месцы. Зыходзячы з гэтага падыходу, у 2018 годзе быў прысуджаны другі этап гранта SBIR для дэманстрацыі новых матэрыялаў і абсталявання, якое працуе на батарэях. Нават калі рамонт выконвае пачатковец без папярэдняй падрыхтоўкі, можна аднавіць 90% або больш канструкцыі. Магчымасць рэалізацыі тэхналогіі вызначаецца шляхам правядзення серыі аналізаў, выбару матэрыялаў, вырабу ўзораў і механічных выпрабаванняў, а таксама дробнамаштабнага і паўнамаштабнага рамонту.
Галоўным даследчыкам у дзвюх фазах SBIR з'яўляецца Майкл Берген, заснавальнік і прэзідэнт Custom Technologies LLC. Берген выйшаў на пенсію з Кардэрока ў Цэнтры надводных баявых дзеянняў ВМС ЗША (NSWC) і 27 гадоў служыў у Дэпартаменце канструкцый і матэрыялаў, дзе кіраваў распрацоўкай і прымяненнем кампазітных тэхналогій у флоце ВМС ЗША. Доктар Роджэр Крэйн далучыўся да Custom Technologies у 2015 годзе пасля сыходу з ВМС ЗША ў 2011 годзе і праслужыў на гэтай пасадзе 32 гады. Яго вопыт у галіне кампазітных матэрыялаў уключае тэхнічныя публікацыі і патэнты, якія ахопліваюць такія тэмы, як новыя кампазітныя матэрыялы, вытворчасць прататыпаў, метады злучэння, шматфункцыянальныя кампазітныя матэрыялы, маніторынг стану канструкцый і аднаўленне кампазітных матэрыялаў.
Два эксперты распрацавалі ўнікальны працэс, у якім выкарыстоўваюцца кампазітныя матэрыялы для рамонту расколін у алюмініевай надбудове ракетнага крэйсера класа CG-47 тыпу «Тыкандэрога» № 5456. «Гэты працэс быў распрацаваны для памяншэння росту расколін і ў якасці эканамічнай альтэрнатывы замене платформеннай дошкі коштам ад 2 да 4 мільёнаў долараў», — сказаў Берген. «Такім чынам, мы даказалі, што ведаем, як выконваць рамонт па-за лабараторыяй і ў рэальных умовах эксплуатацыі. Але праблема заключаецца ў тым, што існуючыя метады рамонту ваенных актываў не вельмі эфектыўныя. Варыянтам з'яўляецца рамонт з выкарыстаннем злучаных дуплексаў [у асноўным у пашкоджаных зонах прыляпляць дошку да верху] або зняцце актыву з эксплуатацыі для рамонту на ўзроўні склада (узровень D). Паколькі патрабуецца рамонт узроўню D, многія актывы адкладаюцца».
Далей ён сказаў, што патрэбен метад, які могуць выканаць салдаты без досведу працы з кампазітнымі матэрыяламі, выкарыстоўваючы толькі наборы і інструкцыі па абслугоўванні. Наша мэта — зрабіць працэс простым: прачытаць інструкцыю, ацаніць пашкоджанні і выканаць рамонт. Мы не хочам змешваць вадкія смалы, бо гэта патрабуе дакладных вымярэнняў для забеспячэння поўнага зацвярдзення. Нам таксама патрэбна сістэма без небяспечных адходаў пасля завяршэння рамонту. І яна павінна быць спакаваная ў камплект, які можна разгарнуць па існуючай сетцы.
Адно з рашэнняў, якое паспяхова прадэманстравала кампанія Custom Technologies, — гэта партатыўны камплект, які выкарыстоўвае ўмацаваны эпаксідны клей для налады клейкай кампазітнай латкі ў залежнасці ад памеру пашкоджання (да 12 квадратных цаляў). Дэманстрацыя была праведзена на кампазітным матэрыяле, які ўяўляе сабой 3-цалевую палубу AMCB. Кампазітны матэрыял мае 3-цалевы стрыжань з бальзы (шчыльнасць 15 фунтаў на кубічны фут) і два пласты двухвосевай прашытай тканіны Vectorply (Фенікс, Арызона, ЗША) C-LT 1100 з вугляроднага валакна 0°/90°, адзін пласт трохвосевай вугляроднай тканіны C-TLX 1900 0°/+45°/-45° і два пласты C-LT 1100, усяго пяць пластоў. «Мы вырашылі, што ў камплекце будуць выкарыстоўвацца загадзя вырабленыя латкі ў квазіізатропным ламінаце, падобным да шматвосевага, каб кірунак тканіны не быў праблемай», — сказаў Крэйн.
Наступная праблема — гэта смаляная матрыца, якая выкарыстоўваецца для рамонту ламінату. Каб пазбегнуць змешвання вадкай смалы, у лаце будзе выкарыстоўвацца препрэг. «Аднак гэтыя праблемы звязаныя са захоўваннем», — растлумачыў Берген. Каб распрацаваць рашэнне для латак, якое можна захоўваць, Custom Technologies сумесна з Sunrez Corp. (Эль-Кахон, Каліфорнія, ЗША) распрацавала препрэг са шкловалакна/вінілавага эфіру, які можа выкарыстоўваць ультрафіялетавае святло (УФ) за шэсць хвілін і зацвярдзець пад святлом. Кампанія таксама супрацоўнічала з Gougeon Brothers (Бэй-Сіці, Мічыган, ЗША), якія прапанавалі выкарыстоўваць новую гнуткую эпаксідную плёнку.
Раннія даследаванні паказалі, што эпаксідная смала з'яўляецца найбольш прыдатнай смалой для препрегаў з вугляроднага валакна — вінілавы эфір, які зацвярдзее пад уздзеяннем ультрафіялетавага выпраменьвання, і напаўпразрыстае шкловалакно добра працуюць, але не зацвярдзеюць пад уласцівасцямі вугляроднага валакна, якое блакуе святло. Згодна з новай плёнкай Gougeon Brothers, канчатковы эпаксідны препрег зацвярдзее на працягу 1 гадзіны пры тэмпературы 99°C і мае працяглы тэрмін захоўвання пры пакаёвай тэмпературы — няма неабходнасці ў захоўванні пры нізкіх тэмпературах. Берген сказаў, што калі патрабуецца больш высокая тэмпература шкловання (Tg), смала таксама будзе зацвярдзець пры больш высокай тэмпературы, напрыклад, 177°C. Абодва препрегі пастаўляюцца ў партатыўным рамонтным камплекце ў выглядзе стоса препрегаў, запячатаных у поліэтыленавую плёнку.
Паколькі рамантны камплект можа захоўвацца працяглы час, кампанія Custom Technologies павінна правесці даследаванне тэрміну прыдатнасці. «Мы набылі чатыры цвёрдыя пластыкавыя корпусы — тыповы ваенны тып, які выкарыстоўваецца ў транспартным абсталяванні, — і змясцілі ў кожны корпус узоры эпаксіднага клею і вінілаэфірнага прэпрэга», — сказаў Берген. Затым корпусы былі размешчаны ў чатырох розных месцах для выпрабаванняў: на даху фабрыкі Gougeon Brothers у Мічыгане, на даху аэрапорта Мэрыленда, на адкрытым паветры ў даліне Юка (пустыня Каліфорнія) і ў лабараторыі каразійных выпрабаванняў на адкрытым паветры ў паўднёвай Фларыдзе. Ва ўсіх корпусах ёсць рэгістратары дадзеных, адзначае Берген, «Мы бярэм узоры дадзеных і матэрыялаў для ацэнкі кожныя тры месяцы. Максімальная тэмпература, зафіксаваная ў корпусах у Фларыдзе і Каліфорніі, складае 140°F, што добра для большасці рэстаўрацыйных смол. Гэта сапраўдная праблема». Акрамя таго, Gougeon Brothers правялі ўнутраныя выпрабаванні нядаўна распрацаванай чыстай эпаксіднай смалы. «Узоры, якія былі змешчаны ў печ пры тэмпературы 120°F на некалькі месяцаў, пачынаюць палімерызавацца», — сказаў Берген. «Аднак для адпаведных узораў, якія захоўваліся пры тэмпературы 110°F (43°C), хімічны склад смалы палепшыўся толькі нязначна».
Рамонт быў правераны на тэставай дошцы і гэтай маштабнай мадэлі AMCB, у якой выкарыстоўваўся той жа ламінат і матэрыял асновы, што і ў арыгінальным мосце, пабудаваным кампаніяй Seemann Composites. Крыніца выявы: Custom Technologies LLC
Каб прадэманстраваць тэхніку рамонту, неабходна вырабіць, пашкодзіць і адрамантаваць тыповы ламінат. «На першым этапе праекта мы спачатку выкарыстоўвалі невялікія бэлькі памерам 4 х 48 цаляў і выпрабаванні на чатырохкропкавы выгіб, каб ацаніць магчымасць нашага працэсу рамонту», — сказаў Кляйн. «Затым на другім этапе праекта мы перайшлі да панэляў памерам 12 х 48 цаляў, прыклалі нагрузкі, каб стварыць двухвосевы напружаны стан, які выклікаў разбурэнне, а затым ацанілі эфектыўнасць рамонту. На другім этапе мы таксама завяршылі мадэль AMCB, якую мы стварылі для тэхнічнага абслугоўвання».
Берген сказаў, што выпрабавальная панэль, якая выкарыстоўвалася для пацверджання рамонтных характарыстык, была выраблена з выкарыстаннем той жа лініі ламінату і асноўных матэрыялаў, што і AMCB, выраблены кампаніяй Seemann Composites, «але мы паменшылі таўшчыню панэлі з 0,375 цалі да 0,175 цалі, грунтуючыся на тэарэме аб паралельных восях. Гэта так. Метад, разам з дадатковымі элементамі тэорыі бэлек і класічнай тэорыі ламінату [CLT], быў выкарыстаны для сувязі моманту інэрцыі і эфектыўнай калянасці паўнамаштабнага AMCB з дэманстрацыйным прадуктам меншага памеру, які прасцей у выкарыстанні і больш эканамічна эфектыўны. Затым мы... Мадэль аналізу канчатковых элементаў [FEA], распрацаваная XCraft Inc. (Бостан, Масачусэтс, ЗША), была выкарыстана для паляпшэння праектавання рамонтных канструкцый». Вугляродная тканіна, якая выкарыстоўвалася для выпрабавальных панэляў і мадэлі AMCB, была набыта ў Vectorply, а бальзавы стрыжань быў выраблены кампаніяй Core Composites (Брысталь, Род-Айленд, ЗША).
Крок 1. На гэтай тэставай панэлі намалявана адтуліна дыяметрам 3 цалі для імітацыі пашкоджанняў, адзначаных у цэнтры, і рамонту па перыметры. Крыніца фота для ўсіх этапаў: Custom Technologies LLC.
Крок 2. Выкарыстайце ручную шліфавальную машынку з батарэйным харчаваннем, каб выдаліць пашкоджаны матэрыял і замацаваць рамонтную пляму канічнай нажніцай 12:1.
«Мы хочам імітаваць больш высокую ступень пашкоджання на выпрабавальнай дошцы, чым тая, якую можна было б убачыць на насціле моста ў палявых умовах», — растлумачыў Берген. «Таму наш метад заключаецца ў тым, каб выкарыстоўваць кольцавую пілу, каб зрабіць адтуліну дыяметрам 3 цалі. Затым мы выцягваем корак пашкоджанага матэрыялу і выкарыстоўваем ручную пнеўматычную шліфавальную машыну для апрацоўкі кавалачкаў у суадносінах 12:1».
Крэйн растлумачыў, што пры рамонце вугляродным валакном/эпаксіднай смалой, пасля таго, як «пашкоджаны» матэрыял панэлі будзе выдалены і нанесены адпаведны пласт, препрэг будзе разрэзаны па шырыні і даўжыні, каб ён адпавядаў канічнасці пашкоджанай зоны. «Для нашай тэставай панэлі патрабуецца чатыры пласты препрэга, каб рамонтны матэрыял быў аднолькавым з верхняй часткай арыгінальнай непашкоджанай вугляроднай панэлі. Пасля гэтага тры пакрывальныя пласты вугляроднага/эпаксіднага препрэга канцэнтруюцца на адрамантаванай частцы. Кожны наступны пласт распасціраецца на 1 цалю з усіх бакоў ніжняга пласта, што забяспечвае паступовую перадачу нагрузкі ад «добрага» навакольнага матэрыялу да адрамантаванай зоны». Агульны час выканання гэтага рамонту, уключаючы падрыхтоўку зоны рамонту, разразанне і размяшчэнне рэстаўрацыйнага матэрыялу і нанясенне працэдуры зацвярдзення, — прыблізна 2,5 гадзіны.
Для вугляроднага валакна/эпаксіднага препрега рамонтная зона ўпакоўваецца ў вакуум і зацвярдзее пры тэмпературы 99°C на працягу адной гадзіны з дапамогай тэрмазвязальніка з батарэйным харчаваннем.
Нягледзячы на тое, што рамонт вугляроднымі/эпаксіднымі смаламі просты і хуткі, каманда ўсвядоміла неабходнасць больш зручнага рашэння для аднаўлення прадукцыйнасці. Гэта прывяло да вывучэння ультрафіялетавага (УФ) зацвярдзення препрэгаў. «Цікавасць да вінілаэфірных смол Sunrez заснавана на папярэднім вопыце працы ў ВМС з заснавальнікам кампаніі Маркам Ліўсеем», — растлумачыў Берген. «Спачатку мы прадаставілі Sunrez квазіізатропную шклотканіну, выкарыстоўваючы іх вінілаэфірны препрэг, і ацанілі крывую зацвярдзення ў розных умовах. Акрамя таго, паколькі мы ведаем, што вінілаэфірная смала, падобная да эпаксіднай смалы, забяспечвае адпаведную другасную адгезію, патрабуюцца дадатковыя намаганні для ацэнкі розных злучальных агентаў клеевага пласта і вызначэння таго, які з іх падыходзіць для канкрэтнага прымянення».
Яшчэ адна праблема заключаецца ў тым, што шкляныя валокны не могуць забяспечыць такія ж механічныя ўласцівасці, як вугляродныя валокны. «У параўнанні з вугляродна-эпаксіднай латкай, гэтая праблема вырашаецца выкарыстаннем дадатковага пласта шкла/вінілавага эфіру», — сказаў Крэйн. «Прычына, па якой патрэбен толькі адзін дадатковы пласт, заключаецца ў тым, што шкляны матэрыял — гэта больш цяжкі матэрыял». Гэта дазваляе атрымаць прыдатную латку, якую можна нанесці і злучыць на працягу шасці хвілін нават пры вельмі нізкіх/маразовых тэмпературах у полі. Яна зацвярдзее без падачы цяпла. Крэйн адзначыў, што гэты рамонт можна выканаць на працягу гадзіны.
Абедзве сістэмы латак былі прадэманстраваны і пратэставаны. Для кожнага рамонту пашкоджаная зона пазначаецца (крок 1), ствараецца кольцавай пілой, а затым выдаляецца з дапамогай ручной шліфавальнай машыны з батарэйным харчаваннем (крок 2). Затым адрамантаваная зона разразаецца да канічнасці 12:1. Ачысціце паверхню латкі спіртавой сурвэткай (крок 3). Далей разразайце рамонтную латку пэўнага памеру, размяшчайце яе на ачышчанай паверхні (крок 4) і замацоўвайце валікам, каб выдаліць паветраныя бурбалкі. Для шкловалакна/вінілаэфірнага прэпрэга, які зацвярдзее пад уздзеяннем ультрафіялетавага выпраменьвання, затым размясціце ахоўны пласт на адрамантаванай зоне і высушыце латку бесправадной УФ-лямпай на працягу шасці хвілін (крок 5). Для вугляроднага валакна/эпаксіднага прэпрэга выкарыстоўвайце загадзя запраграмаваны аднакнопкавы тэрмасклер з батарэйным харчаваннем для вакуумнай упакоўкі і высушвання адрамантаванай зоны пры тэмпературы 99°C на працягу адной гадзіны.
Крок 5. Пасля нанясення пласта пілінгу на адрамантаваны ўчастак, выкарыстайце бесправадную УФ-лямпу для прасушвання пластыра на працягу 6 хвілін.
«Затым мы правялі выпрабаванні, каб ацаніць клейкасць латы і яе здольнасць аднаўляць апорную здольнасць канструкцыі», — сказаў Берген. «На першым этапе нам трэба даказаць лёгкасць нанясення і здольнасць аднаўляць не менш за 75% трываласці. Гэта робіцца шляхам чатырохкропкавага выгібу бэлькі з вугляроднага валакна/эпаксіднай смалы памерам 4 х 48 цаляў і бальзавага стрыжня пасля рамонту мадэляваных пашкоджанняў. Так. На другім этапе праекта выкарыстоўвалася панэль памерам 12 х 48 цаляў, і яна павінна была прадэманстраваць больш за 90% патрабаванняў да трываласці пры складаных дэфармацыйных нагрузках. Мы выканалі ўсе гэтыя патрабаванні, а затым сфатаграфавалі метады рамонту на мадэлі AMCB. Як выкарыстоўваць тэхналогіі і абсталяванне для ўнутраных работ, каб забяспечыць візуальную даведку».
Ключавым аспектам праекта з'яўляецца доказ таго, што пачаткоўцы могуць лёгка выканаць рамонт. Па гэтай прычыне ў Бергена з'явілася ідэя: «Я паабяцаў прадэманстраваць гэта нашым двум тэхнічным кантактам у арміі: доктару Бернарду Сія і Эшлі Джэне. У заключным аглядзе першага этапу праекта я папрасіў не рабіць рамонту. Дасведчаная Эшлі выканала рамонт. Выкарыстоўваючы прадастаўлены намі камплект і інструкцыю, яна наляпіла латку і выканала рамонт без якіх-небудзь праблем».
Малюнак 2. Запраграмаваная на батарэйках машына для тэрмічнага злучэння можа зацвярдзець рамонтны пластыр з вугляроднага валакна/эпаксіднай смалы адным націскам кнопкі, без неабходнасці ведаў аб рамонце або праграмавання цыклу зацвярдзення. Крыніца выявы: Custom Technologies, LLC
Яшчэ адной ключавой распрацоўкай з'яўляецца сістэма зацвярдзення з харчаваннем ад батарэй (малюнак 2). «Пры абслугоўванні ў палявых умовах у вас ёсць харчаванне толькі ад батарэй», — адзначыў Берген. «Усё тэхналагічнае абсталяванне ў распрацаваным намі рамонтным камплекце бесправадное». Гэта ўключае ў сябе машыну для тэрмічнага злучэння з харчаваннем ад батарэй, распрацаваную сумесна кампаніяй Custom Technologies і пастаўшчыком машын для тэрмічнага злучэння WichiTech Industries Inc. (Рэндалстаўн, штат Мэрыленд, ЗША). «Гэтая сістэма тэрмічнага злучэння з харчаваннем ад батарэй папярэдне запраграмавана на завяршэнне зацвярдзення, таму пачаткоўцам не трэба праграмаваць цыкл зацвярдзення», — сказаў Крэйн. «Ім проста трэба націснуць кнопку, каб завяршыць належны набор хуткасці і вытрымку». Батарэі, якія выкарыстоўваюцца ў цяперашні час, могуць працаваць год, перш чым іх спатрэбіцца падзарадка.
Пасля завяршэння другой фазы праекта кампанія Custom Technologies рыхтуе прапановы па далейшым паляпшэнні і збірае лісты з зацікаўленасцю і падтрымкай. «Наша мэта — давесці гэту тэхналогію да ўзроўню TRL 8 і вывесці яе на практыку», — сказаў Берген. «Мы таксама бачым патэнцыял для неваенных прымяненняў».
Тлумачыць старажытнае мастацтва стварэння першага ў галіны валакністага армавання і мае глыбокае разуменне новай навукі аб валакне і яго будучага развіцця.
Неўзабаве і ўпершыню ў палёце, 787 абапіраецца на інавацыі ў кампазітных матэрыялах і працэсах для дасягнення сваіх мэтаў.
Час публікацыі: 02 верасня 2021 г.