Il-kit li jista 'jinġarr jista' jissewwa bil-fibreglass / ester tal-vinil li jista 'jitkejjel UV jew fibra tal-karbonju / epoxy prepreg maħżun f'temperatura tal-kamra u tagħmir tal-vulkanizzazzjoni li jaħdem bil-batterija. #InIdemanFaucture #infrastructure
Tiswija tal-Garża Prepreg Tkurat mill-UV Għalkemm it-tiswija tal-fibra tal-karbonju / epoxy prepreg żviluppata minn Custom Technologies LLC għall-pont kompost infield irriżulta li kien sempliċi u rapidu, l-użu ta 'fibra tal-ħġieġ imsaħħaħ mill-UV tal-vinil tal-vinil prepreg żviluppa sistema aktar konvenjenti - Sors tal-Immaġni: Custom Technologies LLC
Pontijiet modulari li jistgħu jintużaw huma assi kritiċi għal operazzjonijiet tattiċi militari u loġistika, kif ukoll ir-restawr tal-infrastruttura tat-trasport waqt id-diżastri naturali. Strutturi komposti qed jiġu studjati biex inaqqsu l-piż ta 'dawn il-pontijiet, u b'hekk jitnaqqsu l-piż fuq il-vetturi tat-trasport u l-mekkaniżmi ta' rkupru ta 'tnedija. Meta mqabbel ma 'pontijiet tal-metall, materjali komposti għandhom ukoll il-potenzjal li jżidu l-kapaċità li ġġorr it-tagħbija u jestendu l-ħajja tas-servizz.
Il-pont kompost modulari avvanzat (AMCB) huwa eżempju. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, US) u Materials Sciences LLC (Horsham, PA, US) jużaw laminati epossidiċi rinforzati bil-fibra tal-karbonju (Figura 1). ) Disinn u kostruzzjoni). Madankollu, l-abbiltà li tissewwa dawn l-istrutturi fil-qasam kienet kwistjoni li tfixkel l-adozzjoni ta 'materjali komposti.
Figura 1 Bridge Composite, Key Infield Asset Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) ġie ddisinjat u mibni minn Seemann Composites LLC u Materials Sciences LLC bl-użu ta 'komposti ta' reżina epossidika rinforzata tal-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 ta 'Fażi 1 ta' Riċerka dwar l-Innovazzjoni Żgħar (SBIR) iffinanzjata mill-Armata Amerikana 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-batterija, anke jekk il-garża titwettaq minn novizzi mingħajr taħriġ minn qabel, 90% jew aktar tal-istruttura tista' tiġi rrestawrata prima saħħa. Il-fattibilità tat-teknoloġija hija ddeterminata billi twettaq serje ta 'analiżi, għażla tal-materjal, manifattura ta' kampjuni u kompiti ta 'ttestjar mekkaniku, kif ukoll tiswijiet fuq skala żgħira u fuq skala sħiħa.
Ir-riċerkatur ewlieni fiż-żewġ fażijiet SBIR huwa Michael Bergen, il-fundatur u president ta 'Custom Technologies LLC. Bergen irtira minn Carderock taċ-Ċentru tal-Gwerra tal-Wiċċ Navali (NSWC) u serva fid-Dipartiment tal-Istrutturi u l-Materjali għal 27 sena, fejn imexxi l-iżvilupp u l-applikazzjoni ta 'teknoloġiji komposti fil-flotta tan-Navy Amerikana. Dr Roger Crane ingħaqad ma 'Custom Technologies fl-2015 wara li rtira min-Navy Amerikana fl-2011 u serva għal 32 sena. L-għarfien espert tal-materjali komposti tiegħu 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 'materjal kompost.
Iż-żewġ esperti żviluppaw proċess uniku li juża materjali komposti biex isewwi x-xquq fis-sovrastruttura tal-aluminju tal-klassi Ticonderoga CG-47 ggwidata mill-missili 5456. "Il-proċess ġie żviluppat biex inaqqas it-tkabbir tax-xquq u biex iservi bħala alternattiva ekonomika għas-sostituzzjoni ta 'bord ta' pjattaforma ta '2 sa 4 miljun dollaru, "qal Bergen. "Allura wrejna li nafu kif inwettqu tiswijiet barra l-laboratorju u f'ambjent ta 'servizz reali. Iżda l-isfida hija li l-metodi ta 'assi militari attwali ma jirnexxux ħafna. L-għażla hija t-tiswija duplex marbuta [bażikament f'żoni bil-ħsara kolla minn fuq] jew neħħi l-assi mis-servizz għal tiswijiet ta 'livell ta' maħżen (D-Level). Minħabba li huma meħtieġa tiswijiet ta 'livell D, ħafna assi jitwarrbu. "
Huwa kompla jgħid li dak li hemm bżonn huwa metodu li jista 'jitwettaq minn suldati mingħajr esperjenza f'materjali komposti, bl-użu ta' kits u manwali ta 'manutenzjoni biss. L-għan tagħna huwa li nagħmlu l-proċess sempliċi: aqra l-manwal, tevalwa l-ħsara u twettaq tiswijiet. Aħna ma rridux inħalltu r-reżini likwidi, billi dan jirrikjedi kejl preċiż biex niżguraw kura sħiħa. Għandna bżonn ukoll sistema mingħajr skart perikoluż wara li jitlestew it-tiswijiet. U għandu jkun ippakkjat bħala kit li jista 'jiġi skjerat min-netwerk eżistenti. "
Soluzzjoni waħda li t-teknoloġiji tad-dwana wrew b'suċċess hija kit portabbli li juża kolla epossidika mwebbsa biex jippersonalizza l-garża kompost tal-kolla skont id-daqs tal-ħsara (sa 12-il pulzier kwadru). Id-dimostrazzjoni tlestiet fuq materjal kompost li jirrappreżenta gverta AMCB ħoxna ta '3 pulzieri. Il-materjal kompost għandu qalba tal-injam tal-balsa oħxon ta '3 pulzieri (15 libbra għal kull densità tas-sieq kubika) u żewġ saffi ta' vectorply (Phoenix, Arizona, US) C -LT 1100 fibra tal-karbonju 0 ° / 90 ° drapp tal-biaxial meħjuta, 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 rqajja prefabbrikati f'fażi kważi-iżotropiċi simili għal multi-assi sabiex id-direzzjoni tad-drapp ma tkunx kwistjoni," qal Crane.
Il-ħarġa li jmiss hija l-matriċi tar-reżina użata għat-tiswija tal-pellikola. Sabiex tevita li tħallat ir-reżina likwida, il-garża tuża prepreg. "Madankollu, dawn l-isfidi huma ħażna," spjega Bergen. Biex tiżviluppa soluzzjoni ta 'garża li tista' tinħażen, Custom Technologies issieħeb ma 'Sunrez Corp (El Cajon, California, USA) biex tiżviluppa prepreg tal-fibra / vinil tal-vinil li tista' tuża dawl ultravjola (UV) f'sitt minuti ta 'tqaddid ħafif. Huwa kkollabora wkoll ma 'Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, l-Istati Uniti), li ssuġġerixxa l-użu ta' film epoxy flessibbli ġdid.
Studji bikrija wrew li r-reżina epossidika hija r-reżina l-iktar adattata għall-fibra tal-karbonju prepregs-uv-kurabbli tal-vinil u l-fibra tal-ħġieġ trasluċida taħdem sew, iżda ma tfejjaqx taħt fibra tal-karbonju li timblokka d-dawl. Ibbażat fuq il-film il-ġdid ta 'Gougeon Brothers, l-aħħar Epoxy Prepreg huwa mfejjaq għal siegħa f'210 ° F / 99 ° C u għandu ħajja fuq l-ixkaffa twila fit-temperatura tal-kamra - l-ebda bżonn għal ħażna ta' temperatura baxxa. Bergen qal li jekk tkun meħtieġa temperatura ta 'transizzjoni tal-ħġieġ ogħla (TG), ir-reżina se titfejjaq ukoll f'temperatura ogħla, bħal 350 ° F / 177 ° C. Iż-żewġ prepregs huma pprovduti f'kit ta 'tiswija portabbli bħala munzell ta' rqajja ta 'qabel issiġillati f'envelop tal-film tal-plastik.
Peress li l-kit tat-tiswija jista 'jinħażen għal żmien twil, teknoloġiji tad-dwana huma meħtieġa biex iwettqu studju fuq il-ħajja fuq l-ixkaffa. "Aħna xtrajna erba 'kompartimenti tal-plastik iebsa - tip tipiku militari użat fit-tagħmir tat-trasport - u poġġi kampjuni ta' kolla epossidika u ester tal-vinil prepreg f'kull spazju magħluq," qal Bergen. Il-kaxxi mbagħad tqiegħdu f'erba 'postijiet differenti għall-ittestjar: is-saqaf tal-fabbrika tal-aħwa Gougeon fi Michigan, is-saqaf tal-ajruport ta' Maryland, il-faċilità ta 'barra fil-Wied tal-Yucca (Deżert ta' Kalifornja), u l-laboratorju ta 'ttestjar tal-korrużjoni ta' barra fin-Nofsinhar ta 'Florida. Il-każijiet kollha għandhom loggers tad-dejta, Bergen jirrimarka, “Aħna nieħdu dejta u kampjuni materjali għall-evalwazzjoni kull tliet xhur. It-temperatura massima rreġistrata fil-kaxxi fi Florida u California hija 140 ° F, li hija tajba għal ħafna reżini ta 'restawr. Hija sfida vera. " Barra minn hekk, Gougeon Brothers ittestjaw internament ir-reżina epossidika pura żviluppata. "Kampjuni li tqiegħdu f'forn f'120 ° F għal bosta xhur jibdew polimerizzaw," 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 ta '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, il-pellikola rappreżentattiva għandha tkun manifatturata, bil-ħsara u msewwija. "Fl-ewwel fażi tal-proġett, inizjalment użajna raġġi fuq skala żgħira ta '4 x 48 pulzier u testijiet ta' liwi ta 'erba' punti biex tevalwa l-fattibilità tal-proċess ta 'tiswija tagħna," qal Klein. "Imbagħad, għamilna tranżizzjoni għal pannelli ta '12 x 48 pulzier fit-tieni fażi tal-proġett, applikaw tagħbijiet biex tiġġenera stat ta' stress biaxial biex jikkawża falliment, u mbagħad evalwajna l-prestazzjoni tat-tiswija. Fit-tieni fażi, lestejna wkoll il-mudell AMCB li bnejna manutenzjoni. "
Bergen qal li l-pannell tat-test użat biex jipprova l-prestazzjoni tat-tiswija kienet manifatturata bl-istess nisel ta 'laminati u materjali tal-qalba bħal AMCB manifatturat minn Seemann Composites, "iżda naqqasna l-ħxuna tal-pannell minn 0.375 pulzieri għal 0.175 pulzieri, ibbażata fuq it-Teorema tal-Assi Paralleli - Dan huwa l-każ. Il-metodu, flimkien ma 'l-elementi addizzjonali tat-teorija tar-raġġ u t-teorija klassika tal-pellikola [CLT], intuża biex jgħaqqad il-mument ta' l-inerzja u l-ebusija effettiva tal-AMCB fuq skala sħiħa bi prodott demo ta 'daqs iżgħar li huwa aktar faċli biex timmaniġġa u aktar kosteffikaċi. Imbagħad, aħna l-mudell tal-analiżi tal-element finit [FEA] żviluppat minn Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) intuża biex itejjeb id-disinn ta 'tiswijiet strutturali. " Id-drapp tal-fibra tal-karbonju użat għall-pannelli tat-test u l-mudell AMCB inxtrat mill-vettorjament, u l-qalba tal-balsa kienet magħmula minn Core Composites (Bristol, RI, US) ipprovduta.
Pass 1. Dan il-pannell tat-test juri dijametru ta 'toqba ta' 3 pulzieri biex jissimula ħsara mmarkata fiċ-ċentru u jsewwi ċ-ċirkonferenza. Sors tar-ritratti 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'12: 1 taper.
"Aħna rridu nissimulaw grad ogħla ta 'ħsara fuq il-bord tat-test milli jista' jidher fuq il-gverta tal-pont fil-qasam," spjega Bergen. "Allura l-metodu tagħna huwa li nużaw toqba biex nagħmlu toqba ta 'dijametru ta' 3 pulzieri. Imbagħad, aħna neħħi l-plagg tal-materjal bil-ħsara u nużaw grinder pnewmatiku li jinżamm fl-idejn biex nipproċessa xalpa 12: 1. "
Crane spjega li għat-tiswija tal-fibra tal-karbonju / epossidiku, ladarba l-materjal tal-pannell “bil-ħsara” jitneħħa u jiġi applikat xalpa xierqa, il-prepreg se jinqata ’mal-wisa’ u t-tul biex jaqbel mat-taper taż-żona bil-ħsara. "Għall-pannell tat-test tagħna, dan jirrikjedi erba 'saffi ta' prepreg biex iżommu l-materjal tat-tiswija konsistenti mal-parti ta 'fuq tal-pannell oriġinali tal-karbonju mingħajr ħsara. Wara dan, it-tliet saffi li jkopru l-prepreg tal-karbonju / epoxy huma kkonċentrati fuq dan fuq il-parti msewwija. Kull saff suċċessiv jestendi 1 pulzier fuq in-naħat kollha tas-saff t'isfel, li jipprovdi trasferiment ta 'tagħbija gradwali mill-materjal "tajjeb" tal-madwar għaż-żona msewwija. " Il-ħin totali biex titwettaq din it-tiswija ta 'preparazzjoni taż-żona tat-tiswija, taqta' u tqiegħed il-materjal ta 'restawr u tapplika l-proċedura ta' vulkanizzazzjoni - b'attenzjoni 2.5 sigħat.
Għall-fibra tal-karbonju / prepreg epoxy, iż-żona tat-tiswija hija ppakkjata bil-vakwu u mfejqa f'210 ° F / 99 ° C għal siegħa bl-użu ta 'bonder termali li jaħdem bil-batterija.
Għalkemm it-tiswija tal-karbonju / epoxy hija sempliċi u rapida, it-tim għaraf il-ħtieġa għal soluzzjoni aktar konvenjenti biex terġa 'tiġi stabbilita l-prestazzjoni. Dan wassal għall-esplorazzjoni ta 'prepregs ultravjola (UV). "L-interess fir-reżini ta 'Sunrez Vinyl Ester huwa bbażat fuq esperjenza navali preċedenti mal-fundatur tal-kumpanija Mark Living," spjega Bergen. "Aħna l-ewwel ipprovdew lil Sunrez b'żewġ tal-ħġieġ kważi-isotropiku, bl-użu ta 'l-ester tal-vinil tagħhom prepreg, u evalwajna l-kurva tat-tqaddid taħt kundizzjonijiet differenti. Barra minn hekk, għaliex nafu li r-reżina tal-ester tal-vinil mhix bħal reżina epossidika li tipprovdi prestazzjoni ta 'adeżjoni sekondarja xierqa, u għalhekk huma meħtieġa sforzi addizzjonali biex tevalwa diversi aġenti ta' akkoppjar tas-saff li jwaħħlu u tiddetermina liema waħda hija adattata għall-applikazzjoni. "
Problema oħra hija li l-fibri tal-ħġieġ ma jistgħux jipprovdu l-istess proprjetajiet mekkaniċi bħall-fibri tal-karbonju. "Meta mqabbel ma 'garża tal-karbonju / epossidiku, din il-problema tissolva billi tuża saff żejjed ta' ester tal-ħġieġ / vinil," qal Crane. "Ir-raġuni għaliex saff addizzjonali wieħed biss huwa meħtieġ huwa li l-materjal tal-ħġieġ huwa drapp itqal." Dan jipproduċi garża xierqa li tista 'tiġi applikata u kkombinata fi żmien sitt minuti anke f'temperaturi ta' infield kesħin / iffriżar. Tfejjaq mingħajr ma tipprovdi s-sħana. Crane rrimarka li dan ix-xogħol ta 'tiswija jista' jitlesta fi żmien siegħa.
Iż-żewġ sistemi tal-garża ġew murija u ttestjati. Għal kull tiswija, iż-żona li għandha tkun imħassra hija mmarkata (pass 1), maħluqa bi serrieq tat-toqba, u mbagħad titneħħa bl-użu ta 'grinder manwali li jaħdem bil-batterija (Pass 2). Imbagħad aqta 'ż-żona msewwija f'taper 12: 1. Naddaf il-wiċċ tax-xalpa b'kuxxinett tal-alkoħol (Pass 3). Sussegwentement, aqta 'l-garża tat-tiswija għal ċertu daqs, poġġiha fuq il-wiċċ imnaddaf (pass 4) u kkonsolidaha b'roller biex tneħħi l-bżieżaq tal-arja. Għall-fibra tal-ħġieġ / prepreg tal-vinil li qed jitkabbar l-UV, imbagħad poġġi s-saff tar-rilaxx fuq iż-żona msewwija u tfejjaq il-garża b'lampa UV mingħajr fili għal sitt minuti (pass 5). Għall-fibra tal-karbonju / epoxy prepreg, uża bonder termiku pprogrammat minn qabel, b'bosta, li jaħdem bil-batterija biex jippakkja u jfejjaq iż-żona msewwija f'210 ° F / 99 ° C għal siegħa.
Pass 5. Wara li tpoġġi s-saff tat-tqaxxir fuq iż-żona msewwija, uża lampa UV mingħajr fili biex tfejjaq il-garża għal 6 minuti.
"Imbagħad wettaqna testijiet biex tevalwa l-adeżività tal-garża u l-abbiltà tagħha li terġa 'tinkiseb il-kapaċità li ġġorr it-tagħbija tal-istruttura," qal Bergen. "Fl-ewwel stadju, għandna bżonn nuru l-faċilità ta 'applikazzjoni u l-abbiltà li nirkupraw mill-inqas 75% tas-saħħa. Dan isir permezz ta ’liwi b’erba’ punti fuq fibra tal-karbonju ta ’4 x 48 pulzier / reżina epossidika u raġġ tal-qalba tal-balsa wara li tissewwa l-ħsara simulata. IVA. It-tieni fażi tal-proġett użat pannell ta '12 x 48 pulzier, u għandha turi aktar minn 90% rekwiżiti ta 'saħħa taħt tagħbijiet ta' razza kumplessi. Iltqajna ma 'dawn ir-rekwiżiti kollha, u mbagħad fotografajna l-metodi ta' tiswija fuq il-mudell AMCB. Kif tuża teknoloġija u tagħmir infield biex tipprovdi referenza viżwali. "
Aspett ewlieni tal-proġett huwa li jipprova li n-novizzi jistgħu faċilment itemmu t-tiswija. Għal din ir-raġuni, Bergen kellu idea: "Jiena wiegħed li nuri liż-żewġ kuntatti tekniċi tagħna fl-Armata: Dr Bernard Sia u Ashley Genna. Fir-reviżjoni finali tal-ewwel fażi tal-proġett, tlabt l-ebda tiswijiet. Ashley b'esperjenza wettqet it-tiswija. Bl-użu tal-kit u l-manwal li pprovdew, hija applikat il-garża u temmet it-tiswija mingħajr problemi. "
Figura 2 Il-magna tat-twaħħil termali pprogrammata minn qabel tal-batterija li taħdem bil-batterija tista 'tfejjaq il-garża tat-tiswija tal-fibra tal-karbonju / epoxy fil-buttuna ta' buttuna, mingħajr il-bżonn ta 'tiswija ta' għarfien jew programmazzjoni taċ-ċiklu tat-tqaddid. Sors tal-Immaġni: Custom Technologies, LLC
Żvilupp ewlieni ieħor huwa s-sistema ta 'vulkanizzazzjoni li taħdem bil-batterija (Figura 2). "Permezz ta 'manutenzjoni infield, għandek biss l-enerġija tal-batterija," irrimarka Bergen. "It-tagħmir kollu tal-proċess fil-kit tat-tiswija li żviluppajna huwa bla fili." Dan jinkludi l-irbit termali li jaħdem bil-batterija żviluppati b'mod konġunt minn teknoloġiji tad-dwana u magna tal-magna tal-irbit termali Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). "Dan il-bonder termali li jaħdem bil-batterija huwa pprogrammat minn qabel biex jitlesta l-ikkurar, u għalhekk in-novizzi m'għandhomx bżonn jipprogrammaw iċ-ċiklu tal-vulkanizzazzjoni," qal Crane. "Huma biss għandhom bżonn tagħfas buttuna biex tlesti r-rampa u tixrib xierqa." Il-batteriji li bħalissa qed jintużaw jistgħu jdumu sena qabel ma jkollhom bżonn jiġu rikarigati.
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 huwa li nimmaturaw din it-teknoloġija għal TRL 8 u nġibuha fil-qasam," qal Bergen. "Naraw ukoll il-potenzjal għal applikazzjonijiet mhux militari."
Jispjega l-arti l-qadima wara l-ewwel rinforz tal-fibra tal-industrija, u għandu għarfien fil-fond tax-xjenza tal-fibra ġdida u l-iżvilupp futur.
Dalwaqt u ttajjar għall-ewwel darba, is-787 jiddependi fuq innovazzjonijiet f'materjali u proċessi komposti biex jilħqu l-għanijiet tiegħu
POST TIME: SEP-02-2021