O kit portátil pode ser reparado com éster de fibra de vidro/vinil curável por UV ou pré-gravista de fibra de carbono/epóxi armazenado à temperatura ambiente e equipamentos de cura movidos a bateria. #insidemanufacturing #Infrastructure
Reparo de manchas pré -g-predeg-seg de UV, embora o reparo de fibra de carbono/preegurado epóxi desenvolvido pela Custom Technologies LLC para a ponte composta de campo interrompida seja simples e rápida, o uso de resina de vinil éster de fibra de vidro reforçada com resina de vinil éster pré-registro desenvolveu um sistema mais conveniente . Fonte da imagem: Custom Technologies LLC
Pontes implantáveis modulares são ativos críticos para operações táticas e logística militar, bem como a restauração da infraestrutura de transporte durante desastres naturais. Estruturas compostas estão sendo estudadas para reduzir o peso de tais pontes, reduzindo assim o ônus dos veículos de transporte e dos mecanismos de recuperação de lançamento. Comparados com pontes metálicas, os materiais compostos também têm o potencial de aumentar a capacidade de suportar a carga e prolongar a vida útil do serviço.
A ponte composta modular avançada (AMCB) é um exemplo. A Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, EUA) e Materiais Sciences LLC (Horsham, PA, EUA) usam laminados epóxi reforçados com fibra de carbono (Figura 1). ) Projeto e construção). No entanto, a capacidade de reparar essas estruturas no campo tem sido uma questão que dificulta a adoção de materiais compostos.
A Figura 1 Ponte composta, a Ponte Modular Composta Avançada de Atenção Avançada (AMCB) (AMCB) foi projetada e construída pela Seemann Composites LLC e Materiais Sciences LLC usando compósitos de resina epóxi reforçada com fibra de carbono. Fonte da imagem: Seeman Composites LLC (à esquerda) e o Exército dos EUA (à direita).
Em 2016, a Custom Technologies LLC (Millersville, MD, EUA) recebeu uma concessão de fase 1 de Pesquisa de Inovação em Pequenas Empresas (SBIR), financiada pelo Exército (SBIR), para desenvolver um método de reparo que possa ser realizado com sucesso no local por soldados. Com base nessa abordagem, a segunda fase da concessão do SBIR foi concedida em 2018 para mostrar novos materiais e equipamentos movidos a bateria, mesmo que o patch seja realizado por um novato sem treinamento prévio, 90% ou mais da estrutura pode ser restaurada RAW força. A viabilidade da tecnologia é determinada executando uma série de tarefas de análise, seleção de materiais, fabricação de amostras e testes mecânicos, além de reparos em pequena escala e em escala completa.
O principal pesquisador das duas fases do SBIR é Michael Bergen, o fundador e presidente da Custom Technologies LLC. Bergen se aposentou de Carderock do Naval Surface Warfare Center (NSWC) e serviu no departamento de estruturas e materiais por 27 anos, onde gerenciou o desenvolvimento e a aplicação de tecnologias compostas na frota da Marinha dos EUA. O Dr. Roger Crane ingressou na Custom Technologies em 2015, depois de se aposentar da Marinha dos EUA em 2011 e atua há 32 anos. Sua experiência em materiais compostos inclui publicações e patentes técnicas, abrangendo tópicos como novos materiais compostos, fabricação de protótipos, métodos de conexão, materiais compósitos multifuncionais, monitoramento estrutural da saúde e restauração de material composto.
Os dois especialistas desenvolveram um processo exclusivo que usa materiais compostos para reparar as rachaduras na superestrutura de alumínio da classe guiada de mísseis guiados por classe Ticonderoga CG-47 5456. “O processo foi desenvolvido para reduzir o crescimento de rachaduras e servir como uma alternativa econômica para a substituição de uma plataforma de 2 a 4 milhões de dólares ”, disse Bergen. “Então, provamos que sabemos como executar reparos fora do laboratório e em um ambiente de serviço real. Mas o desafio é que os métodos atuais de ativos militares não sejam muito bem -sucedidos. A opção é reparada duplex ligada [basicamente em áreas danificadas cola uma placa na parte superior] ou remova o ativo do serviço para reparos no nível do armazém (nível D). Como os reparos no nível D são necessários, muitos ativos são deixados de lado. ”
Ele continuou dizendo que o que é necessário é um método que pode ser realizado por soldados sem experiência em materiais compostos, usando apenas kits e manuais de manutenção. Nosso objetivo é simplificar o processo: leia o manual, avalie os danos e execute reparos. Não queremos misturar resinas líquidas, pois isso requer medição precisa para garantir a cura completa. Também precisamos de um sistema sem resíduos perigosos após a conclusão dos reparos. E deve ser embalado como um kit que pode ser implantado pela rede existente. ”
Uma solução que as tecnologias personalizadas demonstraram com sucesso é um kit portátil que usa um adesivo epóxi endurecido para personalizar o patch composto adesivo de acordo com o tamanho do dano (até 12 polegadas quadradas). A demonstração foi concluída em um material composto representando um deck AMCB de 3 polegadas de espessura. O material compósito possui um núcleo de madeira balsa de 3 polegadas de espessura (15 libras por densidade do pé cúbico) e duas camadas de Vectorply (Phoenix, Arizona, EUA) C -LT 1100 Fibra de carbono 0 °/90 ° Fabric biaxial, uma camada de C-TLX 1900 Fibra de carbono 0 °/+45 °/-45 ° Três eixos e duas camadas de C-LT 1100, um total de cinco camadas. "Decidimos que o kit usará patches pré-fabricados em um laminado quase isotrópico semelhante a um vários eixos para que a direção do tecido não seja um problema", disse Crane.
A próxima edição é a matriz de resina usada para reparo de laminado. Para evitar a mistura de resina líquida, o patch usará o Preceg. "No entanto, esses desafios são armazenamento", explicou Bergen. Para desenvolver uma solução de adesiva armazenável, a Custom Technologies fez uma parceria com a Sunrez Corp. (El Cajon, Califórnia, EUA) para desenvolver um pré -registro de fibra de vidro/éster de vinil que pode usar luz ultravioleta (UV) em seis minutos de cura leve. Também colaborou com a Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, EUA), que sugeriu o uso de um novo filme de epóxi flexível.
Estudos iniciais mostraram que a resina epóxi é a resina mais adequada para o éster de vinil com fibra de carbono e fibra de vidro com fibra de carbono-UV e fibra de vidro translúcida funcionam bem, mas não curam sob fibra de carbono de bloqueio de luz. Baseado no novo filme dos irmãos Gougeon, o predexi epóxi final é curado por 1 hora a 210 ° F/99 ° C e tem uma vida útil longa à temperatura ambiente, sem necessidade de armazenamento de baixa temperatura. Bergen disse que, se for necessária uma temperatura de transição vítrea mais alta (TG), a resina também será curada a uma temperatura mais alta, como 350 ° F/177 ° C. Ambos os pré -registros são fornecidos em um kit de reparo portátil como uma pilha de manchas pré -registradas seladas em um envelope de filme plástico.
Como o kit de reparo pode ser armazenado por um longo tempo, as tecnologias personalizadas são necessárias para realizar um estudo de prazo de validade. "Compramos quatro gabinetes de plástico rígido - um tipo militar típico usado em equipamentos de transporte - e colocamos amostras de adesivo epóxi e éster de vinil pré -gravista em cada gabinete", disse Bergen. As caixas foram então colocadas em quatro locais diferentes para testes: o telhado da fábrica dos irmãos Gougeon em Michigan, o teto do aeroporto de Maryland, a instalação ao ar livre no vale de Yucca (deserto da Califórnia) e o Laboratório de Testes de Corrosão ao ar livre, no sul da Flórida. Todos os casos têm registradores de dados, Bergen ressalta: “Tomamos amostras de dados e materiais para avaliação a cada três meses. A temperatura máxima registrada nas caixas na Flórida e na Califórnia é de 140 ° F, o que é bom para a maioria das resinas de restauração. É um verdadeiro desafio. ” Além disso, os irmãos Gougeon testaram internamente a resina epóxi pura recém -desenvolvida. "Amostras que foram colocadas em um forno a 120 ° F por vários meses começam a polimerizar", disse Bergen. "No entanto, para as amostras correspondentes mantidas a 110 ° F, a química da resina só melhorou por uma pequena quantidade".
O reparo foi verificado na placa de teste e esse modelo de escala da AMCB, que usava o mesmo laminado e material do núcleo que a ponte original construída pela Seemann Composites. Fonte da imagem: Custom Technologies LLC
Para demonstrar a técnica de reparo, um laminado representativo deve ser fabricado, danificado e reparado. "Na primeira fase do projeto, usamos inicialmente feixes de 4 x 48 polegadas em pequena escala e testes de flexão de quatro pontos para avaliar a viabilidade do nosso processo de reparo", disse Klein. “Então, passamos para painéis de 12 x 48 polegadas na segunda fase do projeto, aplicamos cargas para gerar um estado de estresse biaxial para causar falha e, em seguida, avaliamos o desempenho do reparo. Na segunda fase, também concluímos o modelo AMCB que construímos manutenção. ”
Bergen disse que o painel de teste usado para provar que o desempenho do reparo foi fabricado usando a mesma linhagem de laminados e materiais centrais que a AMCB fabricada por Composites Seemann, “mas reduzimos a espessura do painel de 0,375 polegadas para 0,175 polegadas, com base no teor de eixo paralelo . Este é o caso. O método, juntamente com os elementos adicionais da teoria do feixe e da teoria do laminado clássico [CLT], foi usado para vincular o momento da inércia e a rigidez eficaz do AMCB em larga escala com um produto de demonstração de menor tamanho que é mais fácil de lidar e mais econômico. Em seguida, nós, o modelo de análise de elementos finitos [FEA], desenvolvido pela Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, EUA), foi utilizado para melhorar o design de reparos estruturais. ” O tecido de fibra de carbono usado para os painéis de teste e o modelo AMCB foi adquirido da Vectorply, e o núcleo da balsa foi feito por compósitos principais (Bristol, RI, EUA) fornecidos.
Etapa 1. Este painel de teste exibe um diâmetro de orifício de 3 polegadas para simular danos marcados no centro e reparar a circunferência. Fonte Fonte para todas as etapas: Custom Technologies LLC.
Etapa 2. Use um moedor manual movido a bateria para remover o material danificado e inclua o patch de reparo com um cone de 12: 1.
"Queremos simular um maior grau de dano na placa de teste do que pode ser visto no deck da ponte no campo", explicou Bergen. “Portanto, nosso método é usar uma serra de orifício para fazer um orifício de 3 polegadas de diâmetro. Em seguida, retiramos o plugue do material danificado e usamos um moedor pneumático portátil para processar um lenço de 12: 1. ”
Crane explicou que, para o reparo de fibra de carbono/epóxi, uma vez que o material do painel "danificado" é removido e um lenço apropriado é aplicado, o pré -gravador será cortado para largura e comprimento para corresponder à diminuição da área danificada. “Para o nosso painel de teste, isso requer quatro camadas de pré -g para manter o material de reparo consistente com o topo do painel de carbono não danificado original. Depois disso, as três camadas de cobertura de pré -gravador de carbono/epóxi estão concentradas nisso na peça reparada. Cada camada sucessiva se estende 1 polegada em todos os lados da camada inferior, que fornece uma transferência de carga gradual do material "bom" ao redor da área reparada ". O tempo total para executar essa preparação da área de reparo de reparo, cortando e colocando o material de restauração e aplicando o procedimento de cura aproximadamente 2,5 horas.
Para pré-registro de fibra de carbono/epóxi, a área de reparo é compactada a vácuo e curada a 210 ° F/99 ° C por uma hora usando um Bonder térmico movido a bateria.
Embora o reparo de carbono/epóxi seja simples e rápido, a equipe reconheceu a necessidade de uma solução mais conveniente para restaurar o desempenho. Isso levou à exploração do ultravioleta (UV) de cura pré -gravura. "O interesse em Sunrez Vinyl éster resinas é baseado na experiência naval anterior com o fundador da empresa, Mark Livesay", explicou Bergen. “Primeiro, fornecemos a Sunrez um tecido de vidro quase isotrópico, usando o seu éster de vinil pré -g e avaliamos a curva de cura sob diferentes condições. Além disso, como sabemos que a resina éster de vinil não é como a resina epóxi que fornece desempenho de adesão secundária adequada, portanto, são necessários esforços adicionais para avaliar vários agentes de acoplamento de camada adesiva e determinar qual é adequado para a aplicação. ”
Outro problema é que as fibras de vidro não podem fornecer as mesmas propriedades mecânicas que as fibras de carbono. "Comparado com o patch de carbono/epóxi, esse problema é resolvido usando uma camada extra de éster de vidro/vinil", disse Crane. "A razão pela qual apenas uma camada adicional é necessária é que o material de vidro é um tecido mais pesado." Isso produz um patch adequado que pode ser aplicado e combinado em seis minutos, mesmo a temperaturas de campo interno muito frio/gelado. Cura sem fornecer calor. Crane apontou que esse trabalho de reparo pode ser concluído em uma hora.
Ambos os sistemas de patches foram demonstrados e testados. Para cada reparo, a área a ser danificada é marcada (etapa 1), criada com uma serra de orifício e removida usando um moedor manual movido a bateria (etapa 2). Em seguida, corte a área reparada em um cone de 12: 1. Limpe a superfície do lenço com uma almofada de álcool (etapa 3). Em seguida, corte o patch de reparo para um determinado tamanho, coloque -o na superfície limpa (etapa 4) e consolide -o com um rolo para remover bolhas de ar. Para o Prereg de vinil éster de fibra de vidro/cura UV, coloque a camada de liberação na área reparada e cure o adesivo com uma lâmpada UV sem fio por seis minutos (etapa 5). Para fibra de carbono/pré-registro epóxi, use um ritmo térmico pré-programado, de um botão e de bateria para pacote de vácuo e curar a área reparada a 210 ° F/99 ° C por uma hora.
Etapa 5. Depois de colocar a camada de descamação na área reparada, use uma lâmpada UV sem fio para curar o patch por 6 minutos.
"Em seguida, realizamos testes para avaliar a adesão do patch e sua capacidade de restaurar a capacidade de suportar a estrutura", disse Bergen. “No primeiro estágio, precisamos provar a facilidade de aplicação e a capacidade de recuperar pelo menos 75% da força. Isso é feito por flexão de quatro pontos em uma resina de fibra de carbono/fibra de carbono de 4 x 48 polegadas e feixe de núcleo de balsa após reparar o dano simulado. Sim. A segunda fase do projeto usou um painel de 12 x 48 polegadas e deve exibir mais de 90% de requisitos de força sob cargas complexas de deformação. Atendemos todos esses requisitos e depois fotografamos os métodos de reparo no modelo AMCB. Como usar a tecnologia e o equipamento internos para fornecer uma referência visual. ”
Um aspecto essencial do projeto é provar que os novatos podem concluir facilmente o reparo. Por esse motivo, Bergen teve uma idéia: “Prometi demonstrar aos nossos dois contatos técnicos no exército: o Dr. Bernard Sia e Ashley Genna. Na revisão final da primeira fase do projeto, pedi reparos. Ashley experiente fez o reparo. Usando o kit e o manual que fornecemos, ela aplicou o patch e completou o reparo sem problemas. ”
Figura 2 A máquina de ligação térmica pré-programada e alimentada por bateria movida a bateria pode curar o adesivo de reparo de fibra de carbono/epóxi na pressão de um botão, sem a necessidade de conhecimento de conhecimento ou programação do ciclo de cura. Fonte da imagem: Custom Technologies, LLC
Outro desenvolvimento importante é o sistema de cura movido a bateria (Figura 2). "Através da manutenção interna, você só tem energia da bateria", apontou Bergen. "Todo o equipamento de processo no kit de reparo que desenvolvemos é sem fio". Isso inclui a ligação térmica movida a bateria desenvolvida em conjunto por tecnologias personalizadas e fornecedor de máquina de união térmica Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, EUA). "Este Térmico Rodado com bateria é pré-programado para completar a cura, para que os iniciantes não precisem programar o ciclo de cura", disse Crane. "Eles só precisam pressionar um botão para completar a rampa adequada e mergulhar." As baterias atualmente em uso podem durar um ano antes de precisarem ser recarregadas.
Com a conclusão da segunda fase do projeto, as tecnologias personalizadas estão preparando propostas de melhoria de acompanhamento e coletando cartas de interesse e apoio. "Nosso objetivo é amadurecer essa tecnologia ao TRL 8 e trazê -la para o campo", disse Bergen. "Também vemos o potencial de aplicações não militares".
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Tempo de postagem: set-02-2021