O kit portátil pode ser reparado com fibra de vidro/éster de vinil curável por UV ou pré-impregnado de fibra de carbono/epóxi armazenado em temperatura ambiente e equipamento de cura alimentado por bateria.#insidemanufacturing #infraestrutura
Reparo de remendo de pré-impregnado curável por UV Embora o reparo de pré-impregnado de fibra de carbono/epóxi desenvolvido pela Custom Technologies LLC para a ponte composta interna tenha provado ser simples e rápido, o uso de resina de éster vinílico curável por UV reforçada com fibra de vidro Prepreg desenvolveu um sistema mais conveniente .Fonte da imagem: Custom Technologies LLC
As pontes modulares implantáveis são recursos críticos para operações táticas militares e logística, 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 os veículos de transporte e os mecanismos de recuperação de lançamento.Em comparação com as pontes metálicas, os materiais compósitos também têm o potencial de aumentar a capacidade de carga e prolongar a vida útil.
A Ponte Composta Modular Avançada (AMCB) é um exemplo.Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, EUA) e Materials Sciences LLC (Horsham, PA, EUA) usam laminados epóxi reforçados com fibra de carbono (Figura 1).) Design e construção).Porém, a capacidade de reparar tais estruturas em campo tem sido um problema que dificulta a adoção de materiais compósitos.
Figura 1 Ponte composta, principal ativo em campo A Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) foi projetada e construída pela Seemann Composites LLC e Materials Sciences LLC usando compósitos de resina epóxi reforçada 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 concessão de Fase 1 de Pesquisa de Inovação em Pequenas Empresas (SBIR) financiada pelo Exército dos EUA para desenvolver um método de reparo que possa ser executado com sucesso no local por soldados.Com base nesta abordagem, a segunda fase da bolsa SBIR foi concedida em 2018 para apresentar novos materiais e equipamentos alimentados por bateria, mesmo que o remendo seja realizado por um novato sem treinamento prévio, 90% ou mais da estrutura pode ser restaurada Raw força.A viabilidade da tecnologia é determinada pela realização de uma série de análises, seleção de materiais, fabricação de amostras e tarefas de 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 Naval Surface Warfare Center (NSWC) e serviu no Departamento de Estruturas e Materiais por 27 anos, onde gerenciou o desenvolvimento e aplicação de tecnologias compostas na frota da Marinha dos EUA.Dr. Roger Crane ingressou na Custom Technologies em 2015 depois de se aposentar da Marinha dos EUA em 2011 e serviu por 32 anos.Sua experiência em materiais compósitos inclui publicações técnicas e patentes, cobrindo tópicos como novos materiais compósitos, fabricação de protótipos, métodos de conexão, materiais compósitos multifuncionais, monitoramento da integridade estrutural e restauração de materiais compósitos.
Os dois especialistas desenvolveram um processo único que utiliza materiais compósitos para reparar as fissuras na superestrutura de alumínio do cruzador de mísseis guiados classe Ticonderoga CG-47 5456. “O processo foi desenvolvido para reduzir o crescimento de fissuras e servir como alternativa econômica para a substituição de uma placa de plataforma de 2 a 4 milhões de dólares”, disse Bergen.“Assim provamos que sabemos fazer reparos fora do laboratório e em ambiente real de serviço.Mas o desafio é que os actuais métodos de meios militares não são muito bem sucedidos.A opção é o reparo duplex colado [basicamente em áreas danificadas, cole uma placa no topo] ou retire o ativo de serviço para reparos no nível do armazém (nível D).Como são necessários reparos de nível D, muitos ativos são deixados de lado.”
Disse ainda que é necessário 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 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 deve ser embalado como um kit que possa ser implantado pela rede existente.”
Uma solução que a Custom Technologies demonstrou com sucesso é um kit portátil que usa um adesivo epóxi endurecido para personalizar o adesivo composto de acordo com o tamanho do dano (até 12 polegadas quadradas).A demonstração foi concluída em um material compósito representando um deck AMCB de 3 polegadas de espessura.O material compósito tem um núcleo de madeira balsa de 3 polegadas de espessura (densidade de 15 libras por pé cúbico) e duas camadas de tecido costurado biaxial Vectorply (Phoenix, Arizona, EUA) C -LT 1100 de fibra de carbono 0°/90°, 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 remendos pré-fabricados em um laminado quase isotrópico semelhante a um multieixo, para que a direção do tecido não seja um problema”, disse Crane.
A próxima questão é a matriz de resina utilizada para reparo de laminados.Para evitar a mistura de resina líquida, o adesivo usará pré-impregnado.“No entanto, esses desafios são o armazenamento”, explicou Bergen.Para desenvolver uma solução de adesivo armazenável, a Custom Technologies fez 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.Também colaborou com a Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, EUA), que sugeriu a utilização de um novo filme epóxi flexível.
Os primeiros estudos mostraram 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 que bloqueia a luz.Baseado no novo filme da Gougeon Brothers, o pré-impregnado epóxi final é curado por 1 hora a 210°F/99°C e tem uma longa vida útil em temperatura ambiente – sem necessidade de armazenamento em baixa temperatura.Bergen disse que se uma temperatura de transição vítrea (Tg) mais alta for necessária, a resina também será curada em uma temperatura mais alta, como 350°F/177°C.Ambos os pré-impregnados são fornecidos em um kit de reparo portátil como uma pilha de adesivos pré-impregnados selados em um envelope de filme plástico.
Como o kit de reparo pode ser armazenado por um longo período, a Custom Technologies é obrigada a realizar um estudo de prazo de validade.“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, as instalações externas em Yucca Valley (deserto da Califórnia) e o laboratório externo de testes de corrosão no sul da Flórida.Todos os casos possuem registradores de dados, ressalta Bergen: “Coletamos dados e amostras de 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, a Gougeon Brothers testou internamente a recém-desenvolvida resina epóxi pura.“As amostras que foram colocadas num forno a 120°F durante vários meses começam a polimerizar”, disse Bergen.“No entanto, para as amostras correspondentes mantidas a 110°F, a química da resina melhorou apenas um pouco.”
O reparo foi verificado na placa de teste e nesta maquete da AMCB, que utilizou o mesmo laminado e material do 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, inicialmente usamos vigas de pequena escala de 4 x 48 polegadas e testes de flexão de quatro pontos para avaliar a viabilidade do nosso processo de reparo”, disse Klein.“Depois, fizemos a transição para painéis de 12 x 48 polegadas na segunda fase do projeto, aplicamos cargas para gerar um estado de tensão biaxial que causava a 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 comprovar o desempenho do reparo foi fabricado usando a mesma linhagem de laminados e materiais de núcleo do 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 da viga e da teoria clássica do laminado [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, mais fácil de manusear e mais custo-beneficio.Em seguida, usamos o modelo de análise de elementos finitos [FEA] desenvolvido pela XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, EUA) para melhorar o projeto de reparos estruturais.”O tecido de fibra de carbono utilizado para os painéis de teste e o modelo AMCB foi adquirido da Vectorply, e o núcleo balsa foi fornecido pela Core Composites (Bristol, RI, EUA).
Passo 1. Este painel de teste exibe um diâmetro de furo de 3 polegadas para simular danos marcados no centro e reparar a circunferência.Fonte da foto para todas as etapas: Custom Technologies LLC.
Passo 2. Use uma esmerilhadeira manual alimentada por bateria para remover o material danificado e coloque o remendo de reparo com um cone 12:1.
“Queremos simular um grau de dano maior na placa de teste do que pode ser visto no tabuleiro da ponte em campo”, explicou Bergen.“Portanto, nosso método é usar uma serra copo para fazer um furo de 3 polegadas de diâmetro.Em seguida, retiramos o tampão do material danificado e usamos uma trituradora pneumática portátil para processar um lenço 12:1.”
Crane explicou que para reparos de fibra de carbono/epóxi, uma vez removido o material do painel “danificado” e aplicado um lenço apropriado, o pré-impregnado será cortado na largura e no comprimento para corresponder à conicidade da área danificada.“Para o nosso painel de teste, isso requer 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 nesta parte reparada.Cada camada sucessiva se estende 1 polegada em todos os lados da camada inferior, o que proporciona uma transferência gradual de carga do “bom” material circundante para a área reparada.”O tempo total para realizar este reparo – incluindo a preparação da área de reparo, corte e colocação do material de restauração e aplicação do procedimento de cura – é de aproximadamente 2,5 horas.
Para pré-impregnado 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 de cura ultravioleta (UV).“O interesse nas resinas de éster vinílico da Sunrez baseia-se na experiência naval anterior com o fundador da empresa, Mark Livesay”, explicou Bergen.“Primeiro fornecemos à Sunrez um tecido de vidro quase isotrópico, usando seu pré-impregnado de éster vinílico, e avaliamos a curva de cura sob diferentes condições.Além disso, como sabemos que a resina éster vinílica não é como a resina epóxi, que fornece desempenho de adesão secundária adequado, são necessários esforços adicionais para avaliar vários agentes de acoplamento de camada adesiva e determinar qual deles 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 adesivo de carbono/epóxi, esse problema é resolvido com o uso de uma camada extra de vidro/éster vinílico”, disse Crane.“A razão pela qual apenas uma camada adicional é necessária é que o material de vidro é um tecido mais pesado.”Isto produz um adesivo adequado que pode ser aplicado e combinado em seis minutos, mesmo em temperaturas muito frias/congelantes no campo.Cura sem fornecer calor.Crane destacou 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 copo e depois removida com uma esmerilhadeira 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 fixe-o com um rolo para remover as bolhas de ar.Para pré-impregnado de éster vinílico com cura por fibra de vidro/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 pré-impregnado de fibra de carbono/epóxi, use um adesivo térmico pré-programado, de um botão e alimentado por bateria, para embalar a vácuo e curar a área reparada a 210°F/99°C por uma hora.
Passo 5. Após colocar a camada peeling na área reparada, use uma lâmpada UV sem fio para curar o adesivo 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 recuperação de pelo menos 75% da resistência.Isso é feito dobrando quatro pontos em uma fibra de carbono/resina epóxi de 4 x 48 polegadas e viga central de balsa após reparar o dano simulado.Sim.A segunda fase do projeto utilizou um painel de 12 x 48 polegadas e deve apresentar mais de 90% dos requisitos de resistência sob cargas de deformação complexas.Atendemos a todos esses requisitos e depois 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 os novatos podem facilmente concluir o reparo.Por isso Bergen teve uma ideia: “Prometi demonstrar aos nossos dois contatos técnicos no Exército: Dr. Bernard Sia e Ashley Genna.Na revisão final da primeira fase do projeto, não pedi nenhum reparo.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 de fibra de carbono/epóxi com o apertar de um botão, sem a necessidade de conhecimento de 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).“Através da manutenção interna, você só tem energia da bateria”, destacou Bergen.“Todos os equipamentos de processo do kit de reparo que desenvolvemos são sem fio.”Isso inclui ligação térmica alimentada por bateria desenvolvida em conjunto pela Custom Technologies e pelo fornecedor de máquinas de ligação térmica WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, EUA).“Este adesivo térmico alimentado por bateria é pré-programado para completar a cura, portanto os novatos não precisam programar o ciclo de cura”, disse Crane.“Eles só precisam pressionar um botão para completar a rampa e 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 melhoria de acompanhamento e coletando cartas de interesse e apoio.“Nosso objetivo é amadurecer essa tecnologia até o TRL 8 e trazê-la para o campo”, disse Bergen.“Também vemos potencial para aplicações não militares.”
Explica a antiga arte por trás do primeiro reforço de fibra da indústria e tem um conhecimento profundo da nova ciência das fibras e do desenvolvimento futuro.
Em breve e voando pela primeira vez, o 787 conta com inovações em materiais e processos compósitos para atingir seus objetivos
Horário da postagem: 02/09/2021