Ang madaladala nga kit mahimong ayohon gamit ang UV-curable fiberglass/vinyl ester o carbon fiber/epoxy prepreg nga gitipigan sa temperatura sa lawak ug mga gamit sa pag-ayo nga gigamit sa baterya. #insidemanufacturing #infrastructure
UV-curable prepreg patch repair Bisan tuod ang carbon fiber/epoxy prepreg repair nga gihimo sa Custom Technologies LLC para sa infield composite bridge napamatud-an nga yano ug dali, ang paggamit sa glass fiber reinforced UV-curable vinyl ester resin Prepreg nakamugna og mas sayon nga sistema . Tinubdan sa hulagway: Custom Technologies LLC
Ang mga modular nga ma-deploy nga tulay mga kritikal nga kabtangan alang sa mga taktikal nga operasyon sa militar ug logistik, ingon man ang pagpahiuli sa imprastraktura sa transportasyon sa panahon sa natural nga mga katalagman. Ang mga komposit nga istruktura gitun-an aron makunhuran ang gibug-aton sa maong mga tulay, sa ingon makunhuran ang palas-anon sa mga sakyanan sa transportasyon ug mga mekanismo sa paglusad-pagbawi. Kung itandi sa metal nga mga tulay, ang mga komposit nga materyales adunay potensyal usab nga madugangan ang kapasidad sa pagdala sa karga ug mapalugway ang kinabuhi sa serbisyo.
Ang Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) usa ka pananglitan. Ang Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, US) ug Materials Sciences LLC (Horsham, PA, US) naggamit sa carbon fiber-reinforced epoxy laminates (Figure 1). ) Disenyo ug pagtukod). Bisan pa, ang katakus sa pag-ayo sa ingon nga mga istruktura sa uma usa ka isyu nga nakababag sa pagsagop sa mga komposit nga materyales.
Figure 1 Composite bridge, key infield asset Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) gidisenyo ug gitukod sa Seemann Composites LLC ug Materials Sciences LLC gamit ang carbon fiber reinforced epoxy resin composites. Tinubdan sa hulagway: Seeman Composites LLC (wala) ug ang US Army (tuo).
Sa 2016, ang Custom Technologies LLC (Millersville, MD, US) nakadawat sa US Army-funded Small Business Innovation Research (SBIR) Phase 1 grant aron makahimo og paagi sa pag-ayo nga mahimong malampusong himoon on-site sa mga sundalo. Pinasukad sa kini nga pamaagi, ang ikaduhang hugna sa SBIR grant gihatag kaniadtong 2018 aron ipakita ang mga bag-ong materyales ug kagamitan nga gipadagan sa baterya, bisan kung ang patch gihimo sa usa ka bag-o nga wala’y nauna nga pagbansay, 90% o daghan pa nga istruktura mahimong ibalik Raw kusog. Ang posibilidad sa teknolohiya gitino pinaagi sa paghimo sa usa ka serye sa pag-analisar, pagpili sa materyal, paghimo sa ispesimen ug mga buluhaton sa pagsulay sa mekanikal, ingon man ang gagmay ug bug-os nga pag-ayo.
Ang nag-unang tigdukiduki sa duha ka hugna sa SBIR mao si Michael Bergen, ang magtutukod ug presidente sa Custom Technologies LLC. Nagretiro si Bergen gikan sa Carderock sa Naval Surface Warfare Center (NSWC) ug nagserbisyo sa Structures and Materials Department sulod sa 27 ka tuig, diin iyang gidumala ang pagpalambo ug paggamit sa mga composite nga teknolohiya sa armada sa US Navy. Si Dr. Roger Crane miapil sa Custom Technologies niadtong 2015 human miretiro sa US Navy niadtong 2011 ug nagserbisyo sulod sa 32 ka tuig. Ang iyang kahanas sa composite nga mga materyales naglakip sa teknikal nga mga publikasyon ug mga patente, nga naglangkob sa mga hilisgutan sama sa bag-ong composite nga mga materyales, prototype manufacturing, koneksyon nga mga pamaagi, multifunctional composite nga mga materyales, structural health monitoring, ug composite material restoration.
Ang duha ka mga eksperto nakahimo og usa ka talagsaon nga proseso nga naggamit sa mga composite nga materyales sa pag-ayo sa mga liki sa aluminum superstructure sa Ticonderoga CG-47 class guided missile cruiser 5456. “Ang proseso gihimo aron sa pagpakunhod sa pagtubo sa mga liki ug sa pagsilbi nga ekonomikanhon nga alternatibo sa pag-ilis sa usa ka plataporma nga board nga 2 hangtod 4 milyon dolyares, ”miingon si Bergen. "Mao nga among gipamatud-an nga nahibal-an namon kung giunsa ang pag-ayo sa gawas sa laboratoryo ug sa usa ka tinuod nga palibot sa serbisyo. Apan ang hagit mao nga ang mga pamaagi sa asset sa militar karon dili kaayo malampuson. Ang kapilian mao ang bonded duplex repair [basikal sa nadaot nga mga lugar Ipapilit ang usa ka tabla sa ibabaw] o kuhaa ang asset gikan sa serbisyo alang sa bodega-level (D-level) nga pag-ayo. Tungod kay gikinahanglan ang pag-ayo sa D-level, daghang mga kabtangan ang gipadaplin.
Siya mipadayon sa pag-ingon nga ang gikinahanglan mao ang usa ka pamaagi nga mahimo sa mga sundalo nga walay kasinatian sa composite materyales, gamit lamang ang kits ug maintenance manuals. Ang among tumong mao ang paghimo sa proseso nga yano: pagbasa sa manwal, pagtimbang-timbang sa kadaot ug paghimo sa pag-ayo. Dili kami gusto nga magsagol sa mga likido nga resin, tungod kay kini nanginahanglan tukma nga pagsukod aron masiguro ang hingpit nga pagkaayo. Nagkinahanglan usab kami og sistema nga walay peligrosong basura human mahuman ang pag-ayo. Ug kini kinahanglan nga iputos ingon usa ka kit nga mahimong i-deploy sa kasamtangan nga network. ”
Usa ka solusyon nga malampuson nga gipakita sa Custom Technologies mao ang usa ka madaladala nga kit nga naggamit sa usa ka toughened epoxy adhesive aron ipasibo ang adhesive composite patch sumala sa gidak-on sa kadaot (hangtod sa 12 square inches). Ang demonstrasyon nahuman sa usa ka komposit nga materyal nga nagrepresentar sa usa ka 3-pulgada nga gibag-on nga AMCB deck. Ang composite nga materyal adunay 3-pulgada nga baga nga balsa wood core (15 pounds kada cubic foot density) ug duha ka layer sa Vectorply (Phoenix, Arizona, US) C -LT 1100 carbon fiber 0°/90° biaxial stitched fabric, usa ka layer sa C-TLX 1900 carbon fiber 0°/+45°/-45° tulo ka shafts ug duha ka layer sa C-LT 1100, sa kinatibuk-an nga lima ka mga sapaw. "Kami nakahukom nga ang kit mogamit sa mga prefabricated patches sa usa ka quasi-isotropic laminate nga susama sa usa ka multi-axis aron ang direksyon sa panapton dili usa ka isyu," miingon si Crane.
Ang sunod nga isyu mao ang resin matrix nga gigamit alang sa pag-ayo sa laminate. Aron malikayan ang pagsagol sa likido nga resin, ang patch mogamit prepreg. "Bisan pa, kini nga mga hagit mao ang pagtipig," gipasabut ni Bergen. Aron makahimo og usa ka storable patch solution, ang Custom Technologies nakigtambayayong sa Sunrez Corp. (El Cajon, California, USA) sa paghimo og glass fiber/vinyl ester prepreg nga makagamit sa ultraviolet light (UV) sa unom ka minuto nga Light curing. Nakigtambayayong usab kini sa Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), nga nagsugyot sa paggamit sa bag-ong flexible epoxy film.
Gipakita sa unang mga pagtuon nga ang epoxy resin mao ang labing angay nga resin alang sa carbon fiber prepregs-UV-curable vinyl ester ug translucent glass fiber nga maayo ang pagtrabaho, apan dili makaayo ubos sa light-blocking carbon fiber. Base sa bag-ong salida sa Gougeon Brothers, ang kataposang epoxy prepreg naayo sulod sa 1 ka oras sa 210°F/99°C ug adunay taas nga estante sa kinabuhi sa temperatura sa lawak-dili na kinahanglang itago sa ubos nga temperatura. Si Bergen miingon nga kung gikinahanglan ang mas taas nga glass transition temperature (Tg), ang resin mamaayo usab sa mas taas nga temperatura, sama sa 350°F/177°C. Ang duha ka prepreg gihatag sa usa ka portable repair kit isip usa ka stack sa prepreg patches nga gitak-opan sa usa ka plastic film envelope.
Tungod kay ang repair kit mahimong tipigan sa dugay nga panahon, ang Custom Technologies gikinahanglan nga magpahigayon ug estante sa kinabuhi nga pagtuon. "Nagpalit kami og upat ka gahi nga plastik nga mga enclosure-usa ka tipikal nga tipo sa militar nga gigamit sa mga kagamitan sa transportasyon-ug nagbutang mga sample sa epoxy adhesive ug vinyl ester prepreg sa matag enclosure," ingon ni Bergen. Dayon ang mga kahon gibutang sa upat ka lain-laing mga lokasyon alang sa pagsulay: ang atop sa pabrika sa Gougeon Brothers sa Michigan, ang atop sa tugpahanan sa Maryland, ang pasilidad sa gawas sa Yucca Valley (California desert), ug ang outdoor corrosion testing laboratory sa habagatang Florida. Ang tanan nga mga kaso adunay mga data logger, gipunting ni Bergen, "Nagkuha kami mga datos ug materyal nga mga sampol alang sa pagtimbangtimbang matag tulo ka bulan. Ang labing taas nga temperatura nga natala sa mga kahon sa Florida ug California mao ang 140 ° F, nga maayo alang sa kadaghanan sa mga resin sa pagpahiuli. Usa kini ka tinuod nga hagit.” Dugang pa, gisulayan sa sulod sa Gougeon Brothers ang bag-ong naugmad nga puro nga epoxy resin. "Ang mga sample nga gibutang sa usa ka hurnohan sa 120 ° F sulod sa daghang mga bulan nagsugod sa polymerize," miingon si Bergen. "Apan, alang sa katugbang nga mga sample nga gitipigan sa 110 ° F, ang resin chemistry nag-uswag lamang sa gamay nga kantidad."
Ang pag-ayo gipamatud-an sa test board ug kini nga scale model sa AMCB, nga migamit sa samang laminate ug core nga materyal sama sa orihinal nga tulay nga gitukod sa Seemann Composites. Tinubdan sa hulagway: Custom Technologies LLC
Aron mapakita ang teknik sa pag-ayo, ang usa ka representante nga laminate kinahanglan nga himuon, madaot ug ayohon. "Sa unang hugna sa proyekto, sa sinugdan gigamit namo ang gagmay nga 4 x 48-pulgada nga mga sagbayan ug upat ka punto nga mga pagsulay sa bending aron sa pagtimbang-timbang sa posibilidad sa among proseso sa pag-ayo," miingon si Klein. “Dayon, mibalhin kami ngadto sa 12 x 48 ka pulgada nga mga panel sa ikaduhang hugna sa proyekto, mi-apply og mga load aron makamugna og biaxial stress state nga maoy hinungdan sa kapakyasan, ug dayon gisusi ang performance sa pag-ayo. Sa ikaduhang hugna, nahuman usab namo ang modelo sa AMCB nga among gitukod nga Maintenance.
Giingon ni Bergen nga ang panel sa pagsulay nga gigamit aron pamatud-an ang pasundayag sa pag-ayo gihimo gamit ang parehas nga linya sa mga laminate ug kinauyokan nga mga materyales sama sa AMCB nga gihimo sa Seemann Composites, "apan gipakubus namon ang gibag-on sa panel gikan sa 0.375 pulgada hangtod 0.175 pulgada, base sa parallel axis theorem . Mao kini ang kaso. Ang pamaagi, uban sa dugang nga mga elemento sa beam theory ug classical laminate theory [CLT], gigamit sa pagsumpay sa moment of inertia ug epektibo nga pagkagahi sa full-scale AMCB nga adunay mas gamay nga gidak-on nga demo nga produkto nga mas sayon dumalahon ug daghan pa. gasto-epektibo. Dayon, kami Ang finite element analysis [FEA] nga modelo nga gimugna sa XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) gigamit sa pagpalambo sa disenyo sa structural repairs.” Ang carbon fiber nga panapton nga gigamit alang sa mga panel sa pagsulay ug ang modelo sa AMCB gipalit gikan sa Vectorply, ug ang balsa core gihimo sa Core Composites (Bristol, RI, US) nga gihatag.
Lakang 1. Kini nga panel sa pagsulay nagpakita sa usa ka 3 pulgada nga diametro sa lungag aron masundog ang kadaot nga gimarkahan sa sentro ug ayohon ang sirkumperensiya. Tinubdan sa litrato para sa tanang lakang: Custom Technologies LLC.
Lakang 2. Gamita ang battery-powered manual grinder aron makuha ang nadaot nga materyal ug ilakip ang repair patch gamit ang 12:1 taper.
"Gusto namon nga i-simulate ang usa ka mas taas nga lebel sa kadaot sa test board kaysa makita sa bridge deck sa uma," gipasabut ni Bergen. "Mao nga ang among pamaagi mao ang paggamit sa usa ka hole saw aron makahimo usa ka 3-pulgada nga diametro nga lungag. Dayon, tangtangon namo ang plug sa nadaot nga materyal ug mogamit ug hand-held pneumatic grinder aron maproseso ang 12:1 scarf.
Gipasabot ni Crane nga alang sa pag-ayo sa carbon fiber/epoxy, sa higayon nga matangtang ang "nadaot" nga materyal sa panel ug mabutangan og angay nga scarf, ang prepreg putlon sa gilapdon ug gitas-on aron motakdo sa taper sa nadaot nga lugar. "Alang sa among panel sa pagsulay, kini nanginahanglan upat ka mga layer sa prepreg aron mapadayon ang pag-ayo nga materyal nga nahiuyon sa ibabaw sa orihinal nga wala madaot nga carbon panel. Human niana, ang tulo ka tabon nga mga sapaw sa carbon/epoxy prepreg gikonsentrar niini Sa giayo nga bahin. Ang matag sunodsunod nga lut-od molugway ug 1 ka pulgada sa tanang kilid sa ubos nga lut-od, nga naghatag ug hinay-hinay nga pagbalhin sa karga gikan sa “maayo” nga naglibot nga materyal ngadto sa giayo nga dapit.” Ang kinatibuk-ang oras sa paghimo niini nga pag-ayo-lakip ang pag-andam sa lugar sa pag-ayo, Pagputol ug pagbutang sa materyal sa pagpahiuli ug pagpadapat sa pamaagi sa pag-ayo-gibana-bana nga 2.5 ka oras.
Para sa carbon fiber/epoxy prepreg, ang repair area kay vacuum packed ug giayo sa 210°F/99°C sulod sa usa ka oras gamit ang battery-powered thermal bonder.
Bisan kung ang pag-ayo sa carbon/epoxy yano ug dali, giila sa team ang panginahanglan alang sa usa ka mas kombenyente nga solusyon aron mapasig-uli ang pasundayag. Kini misangpot sa eksplorasyon sa ultraviolet (UV) curing prepregs. "Ang interes sa Sunrez vinyl ester resins gibase sa miaging naval nga kasinatian uban sa founder sa kompanya nga si Mark Livesay," gipasabot ni Bergen. "Among una nga gihatagan si Sunrez og usa ka quasi-isotropic nga tela nga bildo, gamit ang ilang vinyl ester prepreg, ug gisusi ang curing curve ubos sa lain-laing mga kondisyon. Dugang pa, tungod kay nahibal-an namon nga ang vinyl ester resin dili sama sa epoxy resin nga naghatag angay nga sekundaryong adhesion nga pasundayag, mao nga dugang nga mga paningkamot ang gikinahanglan sa pagtimbang-timbang sa lainlaing mga ahente sa pagdugtong sa layer ug pagtino kung kinsa ang angay alang sa aplikasyon.
Ang laing problema mao nga ang mga lanot sa bildo dili makahatag sa parehas nga mekanikal nga mga kabtangan sama sa mga lanot sa carbon. "Kon itandi sa carbon / epoxy patch, kini nga problema masulbad pinaagi sa paggamit sa usa ka dugang nga layer sa bildo / vinyl ester," miingon si Crane. "Ang hinungdan ngano nga usa ra ka dugang nga layer ang gikinahanglan mao nga ang materyal nga bildo usa ka mas bug-at nga panapton." Naghimo kini usa ka angay nga patch nga mahimong magamit ug mahiusa sa sulod sa unom ka minuto bisan sa bugnaw kaayo / nagyelo nga temperatura sa infield. Pag-ayo nga wala maghatag kainit. Gitumbok ni Crane nga kining pag-ayo mahimong mahuman sulod sa usa ka oras.
Ang duha nga mga sistema sa patch gipakita ug gisulayan. Sa matag pag-ayo, ang lugar nga madaot gimarkahan (lakang 1), gihimo gamit ang usa ka hole saw, ug dayon gikuha gamit ang usa ka manual grinder nga gipadagan sa baterya (lakang 2). Dayon putlon ang giayo nga lugar ngadto sa 12:1 nga taper. Limpyohi ang nawong sa scarf gamit ang alcohol pad (lakang 3). Sunod, putla ang patch sa pag-ayo sa usa ka piho nga gidak-on, ibutang kini sa nalimpyohan nga nawong (lakang 4) ug i-consolidate kini sa usa ka roller aron makuha ang mga bula sa hangin. Para sa glass fiber/UV-curing vinyl ester prepreg, unya ibutang ang release layer sa giayo nga lugar ug ayoha ang patch gamit ang cordless UV lamp sulod sa unom ka minuto (step 5). Para sa carbon fiber/epoxy prepreg, gamita ang pre-programmed, one-button, battery-powered thermal bonder sa vacuum pack ug ayohon ang giayo nga lugar sa 210°F/99°C sulod sa usa ka oras.
Lakang 5. Human ibutang ang peeling layer sa giayo nga lugar, gamita ang cordless UV lamp aron ayohon ang patch sulod sa 6 minutos.
"Dayon nagpahigayon kami og mga pagsulay aron sa pagtimbang-timbang sa adhesiveness sa patch ug sa abilidad niini sa pagpasig-uli sa load-bearing capacity sa structure," miingon si Bergen. "Sa una nga yugto, kinahanglan naton pamatud-an ang kadali sa aplikasyon ug ang abilidad nga mabawi ang labing menos 75% sa kusog. Gihimo kini pinaagi sa upat ka punto nga pagyukbo sa usa ka 4 x 48 pulgada nga carbon fiber/epoxy resin ug balsa core beam human sa pag-ayo sa simulate nga kadaot. Oo. Ang ikaduhang hugna sa proyekto migamit ug 12 x 48 ka pulgada nga panel, ug kinahanglang magpakita ug labaw sa 90% nga mga kinahanglanon sa kalig-on ubos sa komplikadong mga strain load. Nahimamat namo ang tanan niini nga mga kinahanglanon, ug dayon gikuhaan og litrato ang mga pamaagi sa pag-ayo sa modelo sa AMCB. Giunsa paggamit ang teknolohiya ug kagamitan sa infield aron mahatagan usa ka biswal nga pakisayran. ”
Usa ka yawe nga aspeto sa proyekto mao ang pagmatuod nga ang mga bag-ohan dali nga makompleto ang pag-ayo. Tungod niini, si Bergen adunay ideya: "Ako misaad nga ipakita sa among duha ka teknikal nga kontak sa Army: Dr. Bernard Sia ug Ashley Genna. Sa katapusan nga pagrepaso sa unang hugna sa proyekto, wala ko mihangyo nga ayohon. Ang eksperyensiyadong si Ashley ang mihimo sa pag-ayo. Gamit ang kit ug manwal nga among gihatag, iyang gipadapat ang patch ug nahuman ang pag-ayo nga wala’y problema.
Figure 2 Ang battery-powered curing pre-programmed, battery-powered thermal bonding machine makaayo sa carbon fiber/epoxy repair patch sa pagduso sa usa ka buton, nga walay panginahanglan sa pag-ayo sa kahibalo o curing cycle programming. Tinubdan sa hulagway: Custom Technologies, LLC
Ang laing importante nga kalamboan mao ang battery-powered curing system (Figure 2). "Pinaagi sa pagmentinar sa infield, naa ra nimo ang gahum sa baterya," gipunting ni Bergen. "Ang tanan nga kagamitan sa proseso sa repair kit nga among gihimo kay wireless." Naglakip kini sa thermal bonding nga gipadagan sa baterya nga hiniusang gihimo sa Custom Technologies ug supplier sa thermal bonding machine nga WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA) nga makina. "Kini nga thermal bonder nga gipadagan sa baterya giprograma nang daan aron makompleto ang pag-ayo, busa ang mga bag-ohan dili kinahanglan nga magprograma sa siklo sa pag-ayo," ingon ni Crane. "Kinahanglan lang nila nga mopindot sa usa ka buton aron makompleto ang husto nga rampa ug magbabad." Ang mga baterya nga gigamit karon mahimong molungtad sa usa ka tuig sa dili pa kini kinahanglan nga i-recharge.
Sa pagkompleto sa ikaduhang hugna sa proyekto, ang Custom Technologies nag-andam sa follow-up nga mga sugyot sa pagpaayo ug pagkolekta sa mga sulat sa interes ug suporta. "Ang among katuyoan mao ang pagpahamtong niini nga teknolohiya sa TRL 8 ug dad-on kini sa uma," ingon ni Bergen. "Nakita usab namon ang potensyal alang sa mga aplikasyon nga dili militar."
Gipatin-aw ang daan nga arte luyo sa unang fiber reinforcement sa industriya, ug adunay lawom nga pagsabot sa bag-ong fiber science ug umaabot nga kalamboan.
Moabut sa dili madugay ug molupad sa unang higayon, ang 787 nagsalig sa mga inobasyon sa mga composite nga materyales ug proseso aron makab-ot ang mga tumong niini.
Oras sa pag-post: Sep-02-2021