Il-kit portabbli jista' jissewwa b'fibreglass/vinyl ester li jista' jitfejjaq bl-UV jew prepreg tal-fibra tal-karbonju/epoxy maħżun f'temperatura tal-kamra u b'tagħmir tat-tqaddid li jaħdem bil-batterija. #insidemanufacturing #infrastructure
Tiswija ta' garża ta' prepreg li tista' titfejjaq bl-UV Għalkemm it-tiswija ta' prepreg bil-fibra tal-karbonju/epoxy żviluppata minn Custom Technologies LLC għall-pont kompost infield irriżultat sempliċi u veloċi, l-użu ta' reżina tal-ester tal-vinil Prepreg rinfurzata bil-fibra tal-ħġieġ li tista' titfejjaq bl-UV żviluppa sistema aktar konvenjenti. Sors tal-immaġni: Custom Technologies LLC
Pontijiet modulari skjerabbli huma assi kritiċi għal operazzjonijiet tattiċi militari u loġistika, kif ukoll għar-restawr tal-infrastruttura tat-trasport waqt diżastri naturali. Qed jiġu studjati strutturi komposti biex jitnaqqas il-piż ta’ dawn il-pontijiet, u b’hekk jitnaqqas il-piż fuq il-vetturi tat-trasport u l-mekkaniżmi ta’ rkupru tat-tnedija. Meta mqabbla mal-pontijiet tal-metall, il-materjali komposti għandhom ukoll il-potenzjal li jżidu l-kapaċità tat-tagħbija u jestendu l-ħajja tas-servizz.
Il-Pont Kompost Modulari Avvanzat (AMCB) huwa eżempju. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, l-Istati Uniti) u Materials Sciences LLC (Horsham, PA, l-Istati Uniti) jużaw laminati epossidiċi rinfurzati bil-fibra tal-karbonju (Figura 1). ) Disinn u kostruzzjoni). Madankollu, il-kapaċità li jissewwew strutturi bħal dawn fil-prattika kienet kwistjoni li xxekkel l-adozzjoni ta' materjali komposti.
Figura 1 Pont kompost, assi ewlieni fil-qasam L-Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) ġie ddisinjat u mibni minn Seemann Composites LLC u Materials Sciences LLC bl-użu ta' kompożiti ta' reżina epossidika rinfurzati bil-fibra tal-karbonju. Sors tal-immaġni: Seeman Composites LLC (xellug) u l-Armata tal-Istati Uniti (lemin).
Fl-2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, US) irċeviet għotja tal-Fażi 1 tar-Riċerka dwar l-Innovazzjoni fin-Negozji Żgħar (SBIR) iffinanzjata mill-Armata tal-Istati Uniti biex tiżviluppa metodu ta’ tiswija li jista’ jitwettaq b’suċċess fuq il-post mis-suldati. Abbażi ta’ dan l-approċċ, it-tieni fażi tal-għotja SBIR ingħatat fl-2018 biex turi materjali ġodda u tagħmir li jaħdem bil-batteriji, anke jekk it-tiswija titwettaq minn xi ħadd novizzi mingħajr taħriġ minn qabel, 90% jew aktar tal-istruttura tista’ tiġi rrestawrata bħala saħħa mhux ipproċessata. Il-fattibbiltà tat-teknoloġija hija determinata billi titwettaq serje ta’ analiżi, għażla ta’ materjali, manifattura ta’ kampjuni u kompiti ta’ ttestjar mekkaniku, kif ukoll tiswijiet fuq skala żgħira u fuq skala sħiħa.
Ir-riċerkatur ewlieni fiż-żewġ fażijiet tal-SBIR huwa Michael Bergen, il-fundatur u l-president ta' Custom Technologies LLC. Bergen irtira minn Carderock tan-Naval Surface Warfare Center (NSWC) u serva fid-Dipartiment tal-Istrutturi u l-Materjali għal 27 sena, fejn mexxa l-iżvilupp u l-applikazzjoni ta' teknoloġiji komposti fil-flotta tal-US Navy. Dr. Roger Crane ingħaqad ma' Custom Technologies fl-2015 wara li rtira mill-US Navy fl-2011 u serva għal 32 sena. L-għarfien espert tiegħu fil-materjali komposti jinkludi pubblikazzjonijiet tekniċi u privattivi, li jkopru suġġetti bħal materjali komposti ġodda, manifattura ta' prototipi, metodi ta' konnessjoni, materjali komposti multifunzjonali, monitoraġġ tas-saħħa strutturali, u restawr ta' materjali komposti.
Iż-żewġ esperti żviluppaw proċess uniku li juża materjali komposti biex isewwu x-xquq fis-superstruttura tal-aluminju tal-kruċier tal-missili ggwidati tal-klassi Ticonderoga CG-47 5456. “Il-proċess ġie żviluppat biex inaqqas it-tkabbir tax-xquq u biex iservi bħala alternattiva ekonomika għas-sostituzzjoni ta’ bord tal-pjattaforma ta’ bejn żewġ u erba’ miljun dollaru,” qal Bergen. “Għalhekk urejna li nafu kif inwettqu tiswijiet barra l-laboratorju u f’ambjent ta’ servizz reali. Iżda l-isfida hija li l-metodi attwali tal-assi militari mhumiex ta’ suċċess kbir. L-għażla hija tiswija duplex marbuta [bażikament f’żoni bil-ħsara twaħħil ta’ bord mal-parti ta’ fuq] jew it-tneħħija tal-assi mis-servizz għal tiswijiet fil-livell tal-maħżen (livell D). Minħabba li huma meħtieġa tiswijiet fil-livell D, ħafna assi jitwarrbu.”
Huwa kompla jgħid li dak li hu meħtieġ huwa metodu li jista’ jitwettaq minn suldati mingħajr esperjenza f’materjali komposti, bl-użu biss ta’ kits u manwali tal-manutenzjoni. L-għan tagħna hu li nagħmlu l-proċess sempliċi: aqra l-manwal, evalwa l-ħsara u wettaq it-tiswijiet. Ma rridux inħalltu reżini likwidi, għax dan jeħtieġ kejl preċiż biex niżguraw fejqan sħiħ. Għandna bżonn ukoll sistema mingħajr skart perikoluż wara li jitlestew it-tiswijiet. U trid tkun ippakkjata bħala kit li jista’ jiġi skjerat min-netwerk eżistenti.”
Soluzzjoni waħda li Custom Technologies uriet b'suċċess hija kit portabbli li juża kolla epossidika mwebbsa biex jippersonalizza l-garża komposta kolla skont id-daqs tal-ħsara (sa 12-il pulzier kwadru). Id-dimostrazzjoni tlestiet fuq materjal kompost li jirrappreżenta gverta AMCB ta' 3 pulzieri ħxuna. Il-materjal kompost għandu qalba tal-injam balsa ta' 3 pulzieri ħxuna (15-il libbra għal kull pied kubu ta' densità) u żewġ saffi ta' drapp meħjut biaxial Vectorply (Phoenix, Arizona, US) C-LT 1100 fibra tal-karbonju 0°/90°, saff wieħed ta' C-TLX 1900 fibra tal-karbonju 0°/+45°/-45° tliet xaftijiet u żewġ saffi ta' C-LT 1100, total ta' ħames saffi. "Iddeċidejna li l-kit se juża garżi prefabbrikati f'laminat kważi-iżotropiku simili għal wieħed b'ħafna assi sabiex id-direzzjoni tad-drapp ma tkunx problema," qal Crane.
Il-kwistjoni li jmiss hija l-matriċi tar-reżina użata għat-tiswija tal-laminati. Sabiex jiġi evitat it-taħlit tar-reżina likwida, il-garża se tuża prepreg. "Madankollu, dawn l-isfidi huma l-ħażna," spjega Bergen. Biex tiżviluppa soluzzjoni ta' garża li tista' tinħażen, Custom Technologies ingħaqdet ma' Sunrez Corp. (El Cajon, California, USA) biex tiżviluppa prepreg tal-fibra tal-ħġieġ/vinil ester li jista' juża dawl ultravjola (UV) f'sitt minuti ta' tqaddid bid-dawl. Ikkollaborat ukoll ma' Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), li ssuġġerew l-użu ta' film epossidiku flessibbli ġdid.
Studji bikrija wrew li r-reżina epossidika hija l-aktar reżina adattata għall-prepregs tal-fibra tal-karbonju - l-ester tal-vinil li jista' jitfejjaq bl-UV u l-fibra tal-ħġieġ trasluċida jaħdmu tajjeb, iżda ma jitfejjaqx taħt fibra tal-karbonju li timblokka d-dawl. Abbażi tal-film il-ġdid ta' Gougeon Brothers, il-prepreg epossidiku finali jitfejjaq għal siegħa f'210°F/99°C u għandu ħajja twila fuq l-ixkaffa f'temperatura tal-kamra - l-ebda ħtieġa għal ħażna f'temperatura baxxa. Bergen qal li jekk tkun meħtieġa temperatura ta' transizzjoni tal-ħġieġ (Tg) ogħla, ir-reżina titfejjaq ukoll f'temperatura ogħla, bħal 350°F/177°C. Iż-żewġ prepregs huma pprovduti f'kit ta' tiswija portabbli bħala munzell ta' irqajja' tal-prepreg issiġillati f'envelopp ta' film tal-plastik.
Peress li l-kit tat-tiswija jista' jinħażen għal żmien twil, Custom Technologies hija meħtieġa twettaq studju dwar il-ħajja fuq l-ixkaffa. "Xtrajna erba' kompartimenti tal-plastik iebes—tip militari tipiku użat fit-tagħmir tat-trasport—u poġġejna kampjuni ta' kolla epossidika u prepreg tal-ester tal-vinil f'kull kompartiment," qal Bergen. Il-kaxxi mbagħad tqiegħdu f'erba' postijiet differenti għall-ittestjar: is-saqaf tal-fabbrika ta' Gougeon Brothers f'Michigan, is-saqaf tal-ajruport ta' Maryland, il-faċilità ta' barra f'Yucca Valley (deżert ta' California), u l-laboratorju tal-ittestjar tal-korrużjoni ta' barra fin-nofsinhar ta' Florida. Il-kaxxi kollha għandhom loggers tad-dejta, jirrimarka Bergen, "Nieħdu kampjuni tad-dejta u tal-materjal għall-evalwazzjoni kull tliet xhur. It-temperatura massima rreġistrata fil-kaxxi fi Florida u California hija ta' 140°F, li hija tajba għall-biċċa l-kbira tar-reżini tar-restawr. Hija sfida reali." Barra minn hekk, Gougeon Brothers ittestjaw internament ir-reżina epossidika pura li għadha kif ġiet żviluppata. "Kampjuni li tqiegħdu f'forn f'120°F għal diversi xhur jibdew jippolimerizzaw," qal Bergen. "Madankollu, għall-kampjuni korrispondenti miżmuma f'110°F, il-kimika tar-reżina tjiebet biss b'ammont żgħir."
It-tiswija ġiet ivverifikata fuq il-bord tat-test u dan il-mudell fuq skala ta' AMCB, li uża l-istess laminat u materjal tal-qalba bħall-pont oriġinali mibni minn Seemann Composites. Sors tal-immaġni: Custom Technologies LLC
Sabiex tintwera t-teknika tat-tiswija, laminat rappreżentattiv irid jiġi manifatturat, imħassar u msewwi. “Fl-ewwel fażi tal-proġett, inizjalment użajna travi żgħar ta’ 4 x 48 pulzier u testijiet ta’ liwi f’erba’ punti biex nevalwaw il-fattibbiltà tal-proċess ta’ tiswija tagħna,” qal Klein. “Imbagħad, qbadna għal pannelli ta’ 12 x 48 pulzier fit-tieni fażi tal-proġett, applikajna tagħbijiet biex niġġeneraw stat ta’ stress bijassjali li jikkawża ħsara, u mbagħad evalwajna l-prestazzjoni tat-tiswija. Fit-tieni fażi, lestejna wkoll il-mudell AMCB li bnejna għall-Manutenzjoni.”
Bergen qal li l-pannell tat-test użat biex jipprova l-prestazzjoni tat-tiswija kien manifatturat bl-użu tal-istess nisel ta’ laminati u materjali ewlenin bħall-AMCB manifatturat minn Seemann Composites, “iżda naqqasna l-ħxuna tal-pannell minn 0.375 pulzier għal 0.175 pulzier, ibbażat fuq it-teorema tal-assi paralleli. Dan huwa l-każ. Il-metodu, flimkien mal-elementi addizzjonali tat-teorija tar-raġġi u t-teorija klassika tal-laminati [CLT], intuża biex jgħaqqad il-mument tal-inerzja u l-ebusija effettiva tal-AMCB fuq skala sħiħa ma’ prodott demo ta’ daqs iżgħar li huwa aktar faċli biex timmaniġġah u aktar kosteffettiv. Imbagħad, ipprovdejna l-mudell tal-analiżi tal-element finit [FEA] żviluppat minn XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) biex itejjeb id-disinn tat-tiswijiet strutturali.” Id-drapp tal-fibra tal-karbonju użat għall-pannelli tat-test u l-mudell tal-AMCB inxtara minn Vectorply, u l-qalba tal-balsa kienet magħmula minn Core Composites (Bristol, RI, US).
Pass 1. Dan il-pannell tat-test juri toqba b'dijametru ta' 3 pulzieri biex jissimula ħsara mmarkata fiċ-ċentru u jsewwi ċ-ċirkonferenza. Sors tar-ritratt għall-passi kollha: Custom Technologies LLC.
Pass 2. Uża grinder manwali li jaħdem bil-batterija biex tneħħi l-materjal bil-ħsara u agħlaq il-garża tat-tiswija b'taper ta' 12:1.
“Irridu nissimulaw grad ogħla ta’ ħsara fuq il-bord tat-test milli jista’ jidher fuq il-gverta tal-pont fil-qasam,” spjega Bergen. “Għalhekk il-metodu tagħna huwa li nużaw serrieq tat-toqob biex nagħmlu toqba b’dijametru ta’ 3 pulzieri. Imbagħad, niġbdu t-tapp tal-materjal bil-ħsara u nużaw grinder pnewmatiku li jinżamm fl-idejn biex nipproċessaw xalpa ta’ 12:1.”
Crane spjega li għat-tiswija tal-fibra tal-karbonju/epossi, ladarba l-materjal tal-pannell "bil-ħsara" jitneħħa u jiġi applikat xalpa xierqa, il-prepreg jinqata' fil-wisa' u t-tul biex jaqbel mat-taper taż-żona bil-ħsara. "Għall-pannell tat-test tagħna, dan jeħtieġ erba' saffi ta' prepreg biex il-materjal tat-tiswija jinżamm konsistenti mal-parti ta' fuq tal-pannell tal-karbonju oriġinali mingħajr ħsara. Wara dan, it-tliet saffi ta' kisi tal-prepreg tal-karbonju/epossi huma kkonċentrati fuq din il-parti msewwija. Kull saff suċċessiv jestendi pulzier fuq in-naħat kollha tas-saff t'isfel, li jipprovdi trasferiment gradwali tat-tagħbija mill-materjal "tajjeb" tal-madwar għaż-żona msewwija." Il-ħin totali biex titwettaq din it-tiswija - inkluża t-tħejjija taż-żona tat-tiswija, it-tqattigħ u t-tqegħid tal-materjal tar-restawr u l-applikazzjoni tal-proċedura tat-tqaddid - madwar 2.5 sigħat.
Għal prepreg tal-fibra tal-karbonju/epossi, iż-żona tat-tiswija tiġi ppakkjata bil-vakwu u vulkanizzata f'210°F/99°C għal siegħa bl-użu ta' bonder termali li jaħdem bil-batterija.
Għalkemm it-tiswija tal-karbonju/epossi hija sempliċi u rapida, it-tim għaraf il-ħtieġa għal soluzzjoni aktar konvenjenti biex tiġi restawrata l-prestazzjoni. Dan wassal għall-esplorazzjoni ta' prepregs li jfejqu bl-ultravjola (UV). "L-interess fir-reżini tal-ester tal-vinil Sunrez huwa bbażat fuq esperjenza navali preċedenti mal-fundatur tal-kumpanija Mark Livesay," spjega Bergen. "L-ewwel ipprovdejna lil Sunrez b'drapp tal-ħġieġ kważi-isotropiku, bl-użu tal-prepreg tal-ester tal-vinil tagħhom, u evalwajna l-kurva tat-tfejqir taħt kundizzjonijiet differenti. Barra minn hekk, peress li nafu li r-reżina tal-ester tal-vinil mhijiex bħar-reżina epossidika li tipprovdi prestazzjoni xierqa ta' adeżjoni sekondarja, għalhekk huma meħtieġa sforzi addizzjonali biex jiġu evalwati diversi aġenti ta' akkoppjar tas-saffi adeżivi u jiġi determinat liema wieħed huwa adattat għall-applikazzjoni."
Problema oħra hija li l-fibri tal-ħġieġ ma jistgħux jipprovdu l-istess proprjetajiet mekkaniċi bħall-fibri tal-karbonju. “Meta mqabbla mal-garża tal-karbonju/epossi, din il-problema tissolva bl-użu ta’ saff żejjed ta’ ester tal-ħġieġ/vinil,” qal Crane. “Ir-raġuni għaliex huwa meħtieġ saff addizzjonali wieħed biss hija li l-materjal tal-ħġieġ huwa drapp itqal.” Dan jipproduċi garża adattata li tista’ tiġi applikata u kkombinata fi żmien sitt minuti anke f’temperaturi kesħin ħafna/iffriżati fil-qasam. Tqaddid mingħajr ma tipprovdi sħana. Crane irrimarka li dan ix-xogħol ta’ tiswija jista’ jitlesta fi żmien siegħa.
Iż-żewġ sistemi ta' garżi ġew murija u ttestjati. Għal kull tiswija, iż-żona li trid tiġi mħassra hija mmarkata (pass 1), maħluqa b'serrieq tat-toqob, u mbagħad titneħħa bl-użu ta' grinder manwali li jaħdem bil-batterija (pass 2). Imbagħad aqta' ż-żona msewwija f'kon ta' 12:1. Naddaf il-wiċċ tax-xalpa b'kuxxinett tal-alkoħol (pass 3). Imbagħad, aqta' l-garża tat-tiswija għal ċertu daqs, poġġiha fuq il-wiċċ imnaddaf (pass 4) u kkonsolidaha b'romblu biex tneħħi l-bżieżaq tal-arja. Għal prepreg tal-ester tal-vinil li jfejjaq bil-fibra tal-ħġieġ/UV, imbagħad poġġi s-saff tar-rilaxx fuq iż-żona msewwija u fejjaq il-garża b'lampa UV mingħajr fili għal sitt minuti (pass 5). Għal prepreg tal-fibra tal-karbonju/epoxy, uża bonder termali pprogrammat minn qabel, b'buttuna waħda, li jaħdem bil-batterija, biex tippakkja bil-vakwu u tfejjaq iż-żona msewwija f'210°F/99°C għal siegħa.
Pass 5. Wara li tpoġġi s-saff li jitqaxxar fuq iż-żona msewwija, uża lampa UV mingħajr fili biex tfejjaq il-garża għal 6 minuti.
“Imbagħad wettaqna testijiet biex nevalwaw l-adeżività tal-garża u l-abbiltà tagħha li tirrestawra l-kapaċità li ġġorr it-tagħbija tal-istruttura,” qal Bergen. “Fl-ewwel stadju, irridu nippruvaw il-faċilità tal-applikazzjoni u l-abbiltà li nirkupraw mill-inqas 75% tas-saħħa. Dan isir billi titgħawweġ f'erba' punti fuq raġġ tal-fibra tal-karbonju/reżina epossidika ta' 4 x 48 pulzier u qalba tal-balsa wara li tissewwa l-ħsara simulata. Iva. It-tieni fażi tal-proġett użat panel ta' 12 x 48 pulzier, u jrid juri rekwiżiti ta' saħħa ta' aktar minn 90% taħt tagħbijiet ta' tensjoni kumplessi. Ilħaqna dawn ir-rekwiżiti kollha, u mbagħad ħadna ritratti tal-metodi ta' tiswija fuq il-mudell AMCB. Kif tuża t-teknoloġija u t-tagħmir fil-qasam biex tipprovdi referenza viżwali.”
Aspett ewlieni tal-proġett huwa li jipprova li dawk li għadhom jibdew jistgħu jlestu t-tiswija faċilment. Għal din ir-raġuni, Bergen kellha idea: “Wegħedt li nuri liż-żewġ kuntatti tekniċi tagħna fl-Armata: Dr. Bernard Sia u Ashley Genna. Fir-reviżjoni finali tal-ewwel fażi tal-proġett, ma tlabt l-ebda tiswija. Ashley, li għandha esperjenza, wettqet it-tiswija. Bl-użu tal-kit u l-manwal li pprovdejna, hija applikat il-garża u lestiet it-tiswija mingħajr ebda problema.”
Figura 2 Il-magna tat-twaħħil termali li taħdem bil-batterija, ipprogrammata minn qabel u li taħdem bil-batterija, tista' tfejjaq il-garża tat-tiswija tal-fibra tal-karbonju/epoxy b'sempliċi buttuna, mingħajr il-ħtieġa ta' għarfien dwar it-tiswija jew programmazzjoni taċ-ċiklu tat-tfejjaq. Sors tal-immaġni: Custom Technologies, LLC
Żvilupp ewlieni ieħor huwa s-sistema ta’ tqaddid li taħdem bil-batterija (Figura 2). “Permezz tal-manutenzjoni fil-post, għandek biss enerġija tal-batterija,” irrimarka Bergen. “It-tagħmir kollu tal-proċess fil-kit tat-tiswija li żviluppajna huwa mingħajr fili.” Dan jinkludi twaħħil termali li jaħdem bil-batterija żviluppat b’mod konġunt minn Custom Technologies u l-magna tal-fornitur tat-twaħħil termali WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). “Din it-twaħħil termali li jaħdem bil-batterija hija pprogrammata minn qabel biex tlesti t-tqaddid, għalhekk dawk li għadhom jibdew m’għandhomx għalfejn jipprogrammaw iċ-ċiklu tat-tqaddid,” qal Crane. “Jeħtieġ biss li jagħfsu buttuna biex itemmu r-rampa u t-tixrib xierqa.” Il-batteriji li qed jintużaw bħalissa jistgħu jdumu għal sena qabel ma jkollhom bżonn jiġu ċċarġjati.
Bit-tlestija tat-tieni fażi tal-proġett, Custom Technologies qed tħejji proposti ta’ titjib ta’ segwitu u tiġbor ittri ta’ interess u appoġġ. “L-għan tagħna hu li nimmaturaw din it-teknoloġija għal TRL 8 u nwassluha fil-qasam,” qal Bergen. “Naraw ukoll il-potenzjal għal applikazzjonijiet mhux militari.”
Jispjega l-arti antika wara l-ewwel rinfurzar tal-fibra tal-industrija, u għandu fehim fil-fond tax-xjenza l-ġdida tal-fibra u l-iżvilupp futur.
Dalwaqt u se jtir għall-ewwel darba, is-787 jiddependi fuq innovazzjonijiet f'materjali u proċessi komposti biex jilħaq l-għanijiet tiegħu
Ħin tal-posta: 02 ta' Settembru 2021