O kit portátil pode ser reparado com fibra de vidro/éster vinílico curável por UV ou fibra de carbono/epóxi pré-impregnado armazenado em temperatura ambiente e equipamento de cura alimentado por bateria. #insidemanufacturing #infrastructure
Reparo de remendo pré-impregnado curável por UV. Embora o reparo com pré-impregnado de fibra de carbono/epóxi desenvolvido pela Custom Technologies LLC para a ponte composta interna tenha se mostrado simples e rápido, o uso de resina éster vinílica pré-impregnada de cura por UV reforçada com fibra de vidro desenvolveu um sistema mais conveniente. Fonte da imagem: Custom Technologies LLC
Pontes modulares implantáveis são recursos essenciais para operações táticas e logísticas militares, bem como para a restauração da infraestrutura de transporte durante desastres naturais. Estruturas compostas estão sendo estudadas para reduzir o peso dessas pontes, reduzindo assim a carga sobre veículos de transporte e mecanismos de lançamento e recuperação. Em comparação com pontes metálicas, os materiais compostos também têm o potencial de aumentar a capacidade de carga e prolongar a vida útil.
A Ponte Composta Modular Avançada (AMCB) é um exemplo. A Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, EUA) e a Materials Sciences LLC (Horsham, PA, EUA) utilizam laminados epóxi reforçados com fibra de carbono (Figura 1). ) Projeto e construção). No entanto, a capacidade de reparar tais estruturas em campo tem sido um problema que dificulta a adoção de materiais compósitos.
Figura 1 Ponte composta, principal recurso interno. A Ponte Composta Modular Avançada (AMCB) foi projetada e construída pela Seemann Composites LLC e Material Sciences LLC usando compósitos de resina epóxi reforçados com fibra de carbono. Fonte da imagem: Seeman Composites LLC (esquerda) e Exército dos EUA (direita).
Em 2016, a Custom Technologies LLC (Millersville, MD, EUA) recebeu uma bolsa da Fase 1 do programa Small Business Innovation Research (SBIR) financiado pelo Exército dos EUA para desenvolver um método de reparo que pudesse ser executado com sucesso no local por soldados. Com base nessa abordagem, a segunda fase da bolsa SBIR foi concedida em 2018 para apresentar novos materiais e equipamentos alimentados por bateria. Mesmo que o reparo seja realizado por um novato sem treinamento prévio, 90% ou mais da estrutura podem ser restaurados, com sua resistência bruta preservada. A viabilidade da tecnologia é determinada pela realização de uma série de análises, seleção de materiais, fabricação de espécimes e testes mecânicos, bem como reparos em pequena e grande escala.
O principal pesquisador nas duas fases do SBIR é Michael Bergen, fundador e presidente da Custom Technologies LLC. Bergen aposentou-se de Carderock, do Centro de Guerra de Superfície Naval (NSWC), e serviu no Departamento de Estruturas e Materiais por 27 anos, onde gerenciou o desenvolvimento e a aplicação de tecnologias compósitas na frota da Marinha dos EUA. O Dr. Roger Crane ingressou na Custom Technologies em 2015, após se aposentar da Marinha dos EUA em 2011, e serviu por 32 anos. Sua experiência em materiais compósitos inclui publicações técnicas e patentes, abrangendo tópicos como novos materiais compósitos, fabricação de protótipos, métodos de conexão, materiais compósitos multifuncionais, monitoramento da saúde estrutural e restauração de materiais compósitos.
Os dois especialistas desenvolveram um processo exclusivo que utiliza materiais compósitos para reparar as rachaduras na superestrutura de alumínio do cruzador de mísseis guiados 5456 da classe Ticonderoga CG-47. "O processo foi desenvolvido para reduzir o crescimento de rachaduras e servir como uma alternativa econômica à substituição de uma placa de plataforma de 2 a 4 milhões de dólares", disse Bergen. "Assim, provamos que sabemos como realizar reparos fora do laboratório e em um ambiente de serviço real. Mas o desafio é que os métodos atuais de ativos militares não são muito bem-sucedidos. A opção é o reparo duplex colado [basicamente em áreas danificadas, colando uma placa na parte superior] ou remover o ativo de serviço para reparos em nível de depósito (nível D). Como os reparos de nível D são necessários, muitos ativos são colocados de lado."
Ele prosseguiu afirmando que o que é necessário é um método que possa ser executado por soldados sem experiência em materiais compósitos, utilizando apenas kits e manuais de manutenção. Nosso objetivo é simplificar o processo: ler o manual, avaliar os danos e realizar os reparos. Não queremos misturar resinas líquidas, pois isso requer medições precisas para garantir a cura completa. Também precisamos de um sistema sem resíduos perigosos após a conclusão dos reparos. E ele deve ser embalado como um kit que possa ser implantado pela rede existente.
Uma solução demonstrada com sucesso pela Custom Technologies é um kit portátil que utiliza um adesivo epóxi reforçado para personalizar o remendo composto adesivo de acordo com o tamanho do dano (até 12 polegadas quadradas). A demonstração foi realizada em um material composto representando um deck AMCB de 3 polegadas de espessura. O material composto possui um núcleo de madeira balsa de 3 polegadas de espessura (densidade de 15 libras por pé cúbico) e duas camadas de tecido de fibra de carbono C-LT 1100 Vectorply (Phoenix, Arizona, EUA) com costura biaxial de 0°/90°, uma camada de fibra de carbono C-TLX 1900 com 0°/+45°/-45° e três eixos e duas camadas de C-LT 1100, totalizando cinco camadas. "Decidimos que o kit utilizará remendos pré-fabricados em um laminado quase isotrópico semelhante a um multieixo para que a direção do tecido não seja um problema", disse Crane.
O próximo problema é a matriz de resina usada para o reparo laminado. Para evitar a mistura de resina líquida, o remendo usará pré-impregnado. "No entanto, esses desafios são o armazenamento", explicou Bergen. Para desenvolver uma solução de remendo armazenável, a Custom Technologies fez uma parceria com a Sunrez Corp. (El Cajon, Califórnia, EUA) para desenvolver um pré-impregnado de fibra de vidro/éster vinílico que pode usar luz ultravioleta (UV) em seis minutos de fotopolimerização. A empresa também colaborou com a Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, EUA), que sugeriu o uso de um novo filme epóxi flexível.
Estudos iniciais demonstraram que a resina epóxi é a resina mais adequada para pré-impregnados de fibra de carbono — éster vinílico curável por UV e fibra de vidro translúcida funcionam bem, mas não curam sob fibra de carbono bloqueadora de luz. Com base no novo filme da Gougeon Brothers, o pré-impregnado epóxi final é curado por 1 hora a 99°C/210°F e tem longa vida útil em temperatura ambiente — sem necessidade de armazenamento em baixa temperatura. Bergen afirmou que, se uma temperatura de transição vítrea (Tg) mais alta for necessária, a resina também será curada a uma temperatura mais alta, como 177°C/350°F. Ambos os pré-impregnados são fornecidos em um kit de reparo portátil, como uma pilha de remendos de pré-impregnado selados em um envelope de filme plástico.
Como o kit de reparo pode ser armazenado por um longo período, a Custom Technologies precisa realizar um estudo de vida útil. "Compramos quatro invólucros de plástico rígido — um tipo militar típico usado em equipamentos de transporte — e colocamos amostras de adesivo epóxi e pré-impregnado de éster vinílico em cada invólucro", disse Bergen. As caixas foram então colocadas em quatro locais diferentes para testes: o telhado da fábrica da Gougeon Brothers em Michigan, o telhado do aeroporto de Maryland, a instalação externa em Yucca Valley (deserto da Califórnia) e o laboratório de testes de corrosão externa no sul da Flórida. Todas as caixas têm registradores de dados, destaca Bergen: "Coletamos dados e amostras de material para avaliação a cada três meses. A temperatura máxima registrada nas caixas na Flórida e na Califórnia é de 60 °C, o que é bom para a maioria das resinas de restauração. É um verdadeiro desafio." Além disso, a Gougeon Brothers testou internamente a resina epóxi pura recém-desenvolvida. "Amostras que foram colocadas em um forno a 49 °C por vários meses começam a polimerizar", disse Bergen. “No entanto, para as amostras correspondentes mantidas a 43°C, a química da resina melhorou apenas uma pequena quantidade.”
O reparo foi verificado na placa de teste e nesta maquete da AMCB, que utilizou o mesmo laminado e material de núcleo da 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, utilizamos inicialmente vigas de 10 x 122 cm em pequena escala e ensaios de flexão em quatro pontos para avaliar a viabilidade do nosso processo de reparo", disse Klein. "Em seguida, passamos para painéis de 30 x 122 cm na segunda fase do projeto, aplicamos cargas para gerar um estado de tensão biaxial que causaria a falha e, em seguida, avaliamos o desempenho do reparo. Na segunda fase, também concluímos o modelo AMCB que construímos para a Manutenção."
Bergen disse que o painel de teste usado para provar o desempenho do reparo foi fabricado usando a mesma linhagem de laminados e materiais de núcleo que o AMCB fabricado pela Seemann Composites, "mas reduzimos a espessura do painel de 0,375 polegadas para 0,175 polegadas, com base no teorema do eixo paralelo. Este é o caso. O método, juntamente com os elementos adicionais da teoria de vigas e da teoria clássica de laminados [CLT], foi usado para vincular o momento de inércia e a rigidez efetiva do AMCB em escala real com um produto de demonstração de tamanho menor que é mais fácil de manusear e mais econômico. Então, nós O modelo de análise de elementos finitos [FEA] desenvolvido pela XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, EUA) foi usado para melhorar o projeto 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 de balsa foi feito pela Core Composites (Bristol, RI, EUA) fornecido.
Etapa 1. Este painel de teste exibe um furo de 7,6 cm de diâmetro para simular danos marcados no centro e reparar a circunferência. Fonte da foto para todas as etapas: Custom Technologies LLC.
Etapa 2. Use uma lixadeira manual alimentada por bateria para remover o material danificado e feche o remendo de reparo com um cone 12:1.
“Queremos simular um grau de dano maior na placa de teste do que o observado no tabuleiro da ponte em campo”, explicou Bergen. “Portanto, nosso método consiste em usar uma serra copo para fazer um furo de 7,5 cm de diâmetro. Em seguida, retiramos o tampão do material danificado e usamos uma lixadeira pneumática manual para processar uma camada de 12:1.”
Crane explicou que, para reparos com fibra de carbono/epóxi, após a remoção do material do painel "danificado" e a aplicação de uma manta apropriada, o pré-impregnado será cortado na largura e no comprimento correspondentes à conicidade da área danificada. "Para o nosso painel de teste, foram necessárias quatro camadas de pré-impregnado para manter o material de reparo consistente com a parte superior do painel de carbono original não danificado. Depois disso, as três camadas de cobertura de pré-impregnado de carbono/epóxi são concentradas na parte reparada. Cada camada sucessiva se estende por 2,5 cm em todos os lados da camada inferior, o que proporciona uma transferência gradual de carga do material circundante "bom" para a área reparada." O tempo total para executar esse reparo — incluindo a preparação da área de reparo, o corte e a colocação do material de restauração e a aplicação do procedimento de cura — é de aproximadamente 2,5 horas.
Para pré-impregnados de fibra de carbono/epóxi, a área de reparo é embalada a vácuo e curada a 210°F/99°C por uma hora usando um adesivo térmico alimentado por bateria.
Embora o reparo com carbono/epóxi seja simples e rápido, a equipe reconheceu a necessidade de uma solução mais conveniente para restaurar o desempenho. Isso levou à exploração de pré-impregnados com cura ultravioleta (UV). "O interesse nas resinas de éster vinílico da Sunrez se baseia na experiência naval anterior com o fundador da empresa, Mark Livesay", explicou Bergen. "Primeiramente, fornecemos à Sunrez um tecido de vidro quase isotrópico, usando seu pré-impregnado de éster vinílico, e avaliamos a curva de cura em diferentes condições. Além disso, como sabemos que a resina de éster vinílico não é como a resina epóxi, que proporciona um desempenho de adesão secundária adequado, esforços adicionais são necessários para avaliar os diferentes agentes de acoplamento da camada adesiva e determinar qual é o mais adequado para a aplicação."
Outro problema é que as fibras de vidro não oferecem as mesmas propriedades mecânicas que as fibras de carbono. "Em comparação com o remendo de carbono/epóxi, esse problema é resolvido com o uso de 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 remendo adequado que pode ser aplicado e combinado em seis minutos, mesmo em temperaturas muito baixas/congelantes no campo. Cura sem fornecimento de calor. Crane destacou que esse trabalho de reparo pode ser concluído em uma hora.
Ambos os sistemas de remendo foram demonstrados e testados. Para cada reparo, a área a ser danificada é marcada (etapa 1), criada com uma serra copo e, em seguida, removida usando uma lixadeira manual alimentada por bateria (etapa 2). Em seguida, corte a área reparada em um cone de 12:1. Limpe a superfície do lenço com uma compressa embebida em álcool (etapa 3). Em seguida, corte o remendo de reparo em um determinado tamanho, coloque-o sobre a superfície limpa (etapa 4) e consolide-o com um rolo para remover bolhas de ar. Para pré-impregnado de éster vinílico de cura UV/fibra de vidro, coloque a camada de liberação na área reparada e cure o remendo com uma lâmpada UV sem fio por seis minutos (etapa 5). Para pré-impregnado de fibra de carbono/epóxi, use um adesivo térmico pré-programado, de um botão, alimentado por bateria para embalar a vácuo e curar a área reparada a 210 °F / 99 °C por uma hora.
Etapa 5. Depois de aplicar a camada de descascamento na área reparada, use uma lâmpada UV sem fio para curar o remendo por 6 minutos.
“Em seguida, realizamos testes para avaliar a adesividade do remendo e sua capacidade de restaurar a capacidade de carga da estrutura”, disse Bergen. “Na primeira etapa, precisamos comprovar a facilidade de aplicação e a capacidade de recuperar pelo menos 75% da resistência. Isso é feito por flexão em quatro pontos em uma viga de fibra de carbono/resina epóxi e núcleo de balsa de 10 x 122 cm após o reparo do dano simulado. Sim. A segunda fase do projeto utilizou um painel de 30 x 122 cm e deve apresentar requisitos de resistência superiores a 90% sob cargas de deformação complexas. Atendemos a todos esses requisitos e, em seguida, fotografamos os métodos de reparo no modelo AMCB. Como usar tecnologia e equipamentos de campo para fornecer uma referência visual.”
Um aspecto fundamental do projeto é provar que novatos podem concluir o reparo com facilidade. Por isso, Bergen teve uma ideia: “Prometi fazer uma demonstração aos nossos dois contatos técnicos no Exército: Dr. Bernard Sia e Ashley Genna. Na revisão final da primeira fase do projeto, solicitei que não houvesse reparos. A experiente Ashley realizou o reparo. Usando o kit e o manual que fornecemos, ela aplicou o remendo e concluiu o reparo sem problemas.”
Figura 2: A máquina de colagem térmica pré-programada e alimentada por bateria pode curar o remendo de reparo em fibra de carbono/epóxi com o toque de um botão, sem a necessidade de conhecimento em reparo ou programação do ciclo de cura. Fonte da imagem: Custom Technologies, LLC
Outro desenvolvimento importante é o sistema de cura alimentado por bateria (Figura 2). "Durante a manutenção em campo, você só tem energia da bateria", destacou Bergen. "Todos os equipamentos de processo no kit de reparo que desenvolvemos são sem fio." Isso inclui a máquina de colagem térmica alimentada por bateria, desenvolvida em conjunto pela Custom Technologies e pela WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, EUA), fornecedora de máquinas de colagem térmica. "Esta máquina de colagem térmica alimentada por bateria é pré-programada para concluir a cura, então iniciantes não precisam programar o ciclo de cura", disse Crane. "Eles só precisam pressionar um botão para concluir a rampa e a imersão adequadas." As baterias atualmente em uso podem durar um ano antes de precisarem ser recarregadas.
Com a conclusão da segunda fase do projeto, a Custom Technologies está preparando propostas de melhorias subsequentes e coletando cartas de interesse e apoio. "Nosso objetivo é amadurecer essa tecnologia até o nível TRL 8 e levá-la a campo", disse Bergen. "Também vemos potencial para aplicações não militares."
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Horário da publicação: 02/09/2021