El kit portátil se puede reparar con fibra de vidrio/viniléster curable por UV o fibra de carbono/preimpregnado de epoxi almacenado a temperatura ambiente y equipo de curado que funciona con baterías. #fabricacióninterior #infraestructura
Reparación con parche de preimpregnado curable por UV Aunque la reparación de preimpregnado de fibra de carbono/epóxido desarrollada por Custom Technologies LLC para el puente compuesto del campo demostró ser simple y rápida, el uso de resina de éster vinílico curable por UV Prepreg reforzada con fibra de vidrio ha desarrollado un sistema más conveniente . Fuente de la imagen: Custom Technologies LLC
Los puentes modulares desplegables son activos críticos para las operaciones tácticas militares y la logística, así como para la restauración de la infraestructura de transporte durante desastres naturales. Se están estudiando estructuras compuestas para reducir el peso de dichos puentes, reduciendo así la carga sobre los vehículos de transporte y los mecanismos de lanzamiento y recuperación. En comparación con los puentes metálicos, los materiales compuestos también tienen el potencial de aumentar la capacidad de carga y prolongar la vida útil.
El puente compuesto modular avanzado (AMCB) es un ejemplo. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, EE. UU.) y Materials Sciences LLC (Horsham, PA, EE. UU.) utilizan laminados epoxi reforzados con fibra de carbono (Figura 1). ) Diseño y construcción). Sin embargo, la capacidad de reparar dichas estructuras en el campo ha sido un problema que dificulta la adopción de materiales compuestos.
Figura 1 Puente compuesto, activo clave dentro del campo El puente compuesto modular avanzado (AMCB) fue diseñado y construido por Seemann Composites LLC y Materials Sciences LLC utilizando compuestos de resina epoxi reforzada con fibra de carbono. Fuente de la imagen: Seeman Composites LLC (izquierda) y el ejército de EE. UU. (derecha).
En 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, EE. UU.) recibió una subvención de la Fase 1 de Investigación de Innovación en Pequeñas Empresas (SBIR) financiada por el Ejército de EE. UU. para desarrollar un método de reparación que los soldados puedan realizar con éxito en el sitio. Con base en este enfoque, la segunda fase de la subvención SBIR se otorgó en 2018 para mostrar nuevos materiales y equipos que funcionan con baterías, incluso si el parche lo realiza un novato sin capacitación previa, el 90% o más de la estructura se puede restaurar en bruto. fortaleza. La viabilidad de la tecnología se determina mediante la realización de una serie de análisis, selección de materiales, fabricación de muestras y tareas de pruebas mecánicas, así como reparaciones a pequeña y gran escala.
El investigador principal en las dos fases de SBIR es Michael Bergen, fundador y presidente de Custom Technologies LLC. Bergen se retiró de Carderock del Centro de Guerra Naval de Superficie (NSWC) y sirvió en el Departamento de Estructuras y Materiales durante 27 años, donde dirigió el desarrollo y la aplicación de tecnologías compuestas en la flota de la Marina de los EE. UU. El Dr. Roger Crane se unió a Custom Technologies en 2015 después de retirarse de la Marina de los EE. UU. en 2011 y ha servido durante 32 años. Su experiencia en materiales compuestos incluye publicaciones técnicas y patentes, que cubren temas como nuevos materiales compuestos, fabricación de prototipos, métodos de conexión, materiales compuestos multifuncionales, monitoreo de la salud estructural y restauración de materiales compuestos.
Los dos expertos han desarrollado un proceso único que utiliza materiales compuestos para reparar las grietas en la superestructura de aluminio del crucero de misiles guiados 5456 clase Ticonderoga CG-47. “El proceso fue desarrollado para reducir el crecimiento de grietas y servir como una alternativa económica. para la sustitución del tablero de la plataforma se necesitan entre 2 y 4 millones de dólares”, dijo Bergen. “Así demostramos que sabemos cómo realizar reparaciones fuera del laboratorio y en un entorno de servicio real. Pero el desafío es que los métodos actuales con activos militares no tienen mucho éxito. La opción es la reparación dúplex adherida [básicamente en áreas dañadas, pegue una tabla en la parte superior] o retire el activo del servicio para reparaciones a nivel de almacén (nivel D). Debido a que se requieren reparaciones de nivel D, muchos activos se dejan de lado”.
Lo que se necesita es un método que puedan realizar soldados sin experiencia en materiales compuestos, utilizando únicamente kits y manuales de mantenimiento, añadió. Nuestro objetivo es simplificar el proceso: leer el manual, evaluar los daños y realizar las reparaciones. No queremos mezclar resinas líquidas, ya que esto requiere una medición precisa para garantizar un curado completo. También necesitamos un sistema sin residuos peligrosos una vez completadas las reparaciones. Y debe empaquetarse como un kit que pueda implementarse en la red existente. "
Una solución que Custom Technologies demostró con éxito es un kit portátil que utiliza un adhesivo epoxi endurecido para personalizar el parche compuesto adhesivo según el tamaño del daño (hasta 12 pulgadas cuadradas). La demostración se completó sobre un material compuesto que representa una plataforma AMCB de 3 pulgadas de espesor. El material compuesto tiene un núcleo de madera de balsa de 3 pulgadas de espesor (densidad de 15 libras por pie cúbico) y dos capas de tejido cosido biaxial Vectorply (Phoenix, Arizona, EE. UU.) C -LT 1100 de fibra de carbono de 0°/90°, una capa de C-TLX 1900 fibra de carbono 0°/+45°/-45° tres ejes y dos capas de C-LT 1100, un total de cinco capas. "Decidimos que el kit utilizará parches prefabricados en un laminado cuasi isotrópico similar a un eje múltiple para que la dirección de la tela no sea un problema", dijo Crane.
El siguiente problema es la matriz de resina utilizada para la reparación del laminado. Para evitar mezclar resina líquida, el parche utilizará preimpregnado. "Sin embargo, estos desafíos son el almacenamiento", explicó Bergen. Para desarrollar una solución de parche almacenable, Custom Technologies se ha asociado con Sunrez Corp. (El Cajon, California, EE. UU.) para desarrollar un preimpregnado de fibra de vidrio/éster vinílico que puede utilizar luz ultravioleta (UV) en seis minutos de fotopolimerización. También colaboró con Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, EE. UU.), quienes sugirieron el uso de una nueva película epoxi flexible.
Los primeros estudios han demostrado que la resina epoxi es la resina más adecuada para los preimpregnados de fibra de carbono: el éster vinílico curable con UV y la fibra de vidrio translúcida funcionan bien, pero no se curan bajo fibra de carbono que bloquea la luz. Basado en la nueva película de los hermanos Gougeon, el preimpregnado epóxico final se cura durante 1 hora a 210 °F/99 °C y tiene una larga vida útil a temperatura ambiente, sin necesidad de almacenamiento a baja temperatura. Bergen dijo que si se requiere una temperatura de transición vítrea (Tg) más alta, la resina también se curará a una temperatura más alta, como 350°F/177°C. Ambos preimpregnados se proporcionan en un kit de reparación portátil como una pila de parches preimpregnados sellados en un sobre de película plástica.
Dado que el kit de reparación puede almacenarse durante mucho tiempo, Custom Technologies debe realizar un estudio de vida útil. "Compramos cuatro gabinetes de plástico duro, un tipo militar típico usado en equipos de transporte, y pusimos muestras de adhesivo epóxico y preimpregnado de éster vinílico en cada gabinete", dijo Bergen. Luego, las cajas se colocaron en cuatro lugares diferentes para realizar pruebas: el techo de la fábrica de Gougeon Brothers en Michigan, el techo del aeropuerto de Maryland, las instalaciones al aire libre en Yucca Valley (desierto de California) y el laboratorio de pruebas de corrosión al aire libre en el sur de Florida. Todos los casos tienen registradores de datos, señala Bergen: “Tomamos muestras de datos y materiales para su evaluación cada tres meses. La temperatura máxima registrada en las cajas de Florida y California es de 140°F, lo cual es bueno para la mayoría de las resinas de restauración. Es un verdadero desafío”. Además, Gougeon Brothers probó internamente la resina epoxi pura recientemente desarrollada. "Las muestras que se han colocado en un horno a 120°F durante varios meses comienzan a polimerizarse", dijo Bergen. "Sin embargo, para las muestras correspondientes mantenidas a 110°F, la química de la resina solo mejoró en una pequeña cantidad".
La reparación se verificó en el tablero de prueba y en este modelo a escala de AMCB, que utilizó el mismo laminado y material de núcleo que el puente original construido por Seemann Composites. Fuente de la imagen: Custom Technologies LLC
Para demostrar la técnica de reparación, se debe fabricar, dañar y reparar un laminado representativo. "En la primera fase del proyecto, inicialmente utilizamos vigas de pequeña escala de 4 x 48 pulgadas y pruebas de flexión de cuatro puntos para evaluar la viabilidad de nuestro proceso de reparación", dijo Klein. “Luego, hicimos la transición a paneles de 12 x 48 pulgadas en la segunda fase del proyecto, aplicamos cargas para generar un estado de tensión biaxial para causar fallas y luego evaluamos el desempeño de la reparación. En la segunda fase, también completamos el modelo AMCB que construimos Mantenimiento”.
Bergen dijo que el panel de prueba utilizado para demostrar el rendimiento de la reparación se fabricó utilizando el mismo linaje de laminados y materiales centrales que el AMCB fabricado por Seemann Composites, “pero redujimos el espesor del panel de 0,375 pulgadas a 0,175 pulgadas, según el teorema del eje paralelo. . Este es el caso. El método, junto con los elementos adicionales de la teoría de vigas y la teoría del laminado clásico [CLT], se utilizó para vincular el momento de inercia y la rigidez efectiva del AMCB a escala real con un producto de demostración de menor tamaño que es más fácil de manejar y más rentable. Luego, utilizamos el modelo de análisis de elementos finitos [FEA] desarrollado por XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, EE. UU.) para mejorar el diseño de reparaciones estructurales”. La tela de fibra de carbono utilizada para los paneles de prueba y el modelo AMCB se compró a Vectorply, y el núcleo de balsa fue fabricado por Core Composites (Bristol, RI, EE. UU.).
Paso 1. Este panel de prueba muestra un orificio de 3 pulgadas de diámetro para simular el daño marcado en el centro y reparar la circunferencia. Fuente de la foto de todos los pasos: Custom Technologies LLC.
Paso 2. Utilice una amoladora manual a batería para eliminar el material dañado y cierre el parche de reparación con una forma cónica de 12:1.
"Queremos simular un mayor grado de daño en el tablero de prueba que el que se podría ver en el tablero del puente en el campo", explicó Bergen. “Entonces, nuestro método consiste en utilizar una sierra perforadora para hacer un agujero de 3 pulgadas de diámetro. Luego, retiramos el tapón del material dañado y utilizamos una amoladora neumática de mano para procesar una bufanda 12:1”.
Crane explicó que para la reparación de fibra de carbono/epóxido, una vez que se retira el material del panel "dañado" y se aplica una bufanda adecuada, el preimpregnado se cortará al ancho y largo para que coincida con la forma cónica del área dañada. “Para nuestro panel de prueba, esto requiere cuatro capas de preimpregnado para mantener el material de reparación consistente con la parte superior del panel de carbono original sin daños. A continuación se concentran las tres capas de cobertura de preimpregnado de carbono/epóxido sobre la pieza reparada. Cada capa sucesiva se extiende 1 pulgada en todos los lados de la capa inferior, lo que proporciona una transferencia de carga gradual desde el material circundante "bueno" al área reparada". El tiempo total para realizar esta reparación, incluida la preparación del área de reparación, el corte y colocación del material de restauración y la aplicación del procedimiento de curado, es de aproximadamente 2,5 horas.
Para el preimpregnado de fibra de carbono/epóxido, el área de reparación se envasa al vacío y se cura a 210 °F/99 °C durante una hora utilizando un adhesivo térmico alimentado por batería.
Aunque la reparación de carbono/epóxido es simple y rápida, el equipo reconoció la necesidad de una solución más conveniente para restaurar el rendimiento. Esto llevó a la exploración de preimpregnados de curado ultravioleta (UV). "El interés en las resinas de éster vinílico de Sunrez se basa en la experiencia naval previa con el fundador de la empresa, Mark Livesay", explicó Bergen. “Primero proporcionamos a Sunrez una tela de vidrio casi isotrópica, utilizando su preimpregnado de éster vinílico, y evaluamos la curva de curado en diferentes condiciones. Además, como sabemos que la resina de éster vinílico no es como la resina epoxi que proporciona un rendimiento de adhesión secundaria adecuado, se requieren esfuerzos adicionales para evaluar varios agentes de acoplamiento de capas adhesivas y determinar cuál es el adecuado para la aplicación”.
Otro problema es que las fibras de vidrio no pueden proporcionar las mismas propiedades mecánicas que las fibras de carbono. "En comparación con el parche de carbono/epóxido, este problema se resuelve utilizando una capa adicional de éster de vidrio/vinilo", dijo Crane. "La razón por la que sólo se necesita una capa adicional es que el material de vidrio es un tejido más pesado". Esto produce un parche adecuado que se puede aplicar y combinar en seis minutos incluso en temperaturas muy frías o heladas en el campo. Curar sin aportar calor. Crane señaló que este trabajo de reparación se puede completar en una hora.
Ambos sistemas de parches han sido demostrados y probados. Para cada reparación, se marca el área que se va a dañar (paso 1), se crea con una sierra perforadora y luego se retira con una amoladora manual a batería (paso 2). Luego corte el área reparada en una forma cónica de 12:1. Limpia la superficie de la bufanda con una gasa con alcohol (paso 3). A continuación, corte el parche de reparación a un tamaño determinado, colóquelo sobre la superficie limpia (paso 4) y consolidelo con un rodillo para eliminar las burbujas de aire. Para el preimpregnado de éster vinílico de curado UV/fibra de vidrio, luego coloque la capa de liberación en el área reparada y cure el parche con una lámpara UV inalámbrica durante seis minutos (paso 5). Para el preimpregnado de fibra de carbono/epóxido, utilice un adhesivo térmico preprogramado, de un solo botón, alimentado por batería, para envasar al vacío y curar el área reparada a 210 °F/99 °C durante una hora.
Paso 5. Después de colocar la capa exfoliante en el área reparada, use una lámpara UV inalámbrica para curar el parche durante 6 minutos.
"Luego realizamos pruebas para evaluar la adhesividad del parche y su capacidad para restaurar la capacidad de carga de la estructura", dijo Bergen. “En la primera etapa debemos demostrar la facilidad de aplicación y la capacidad de recuperar al menos el 75% de la fuerza. Esto se hace doblando en cuatro puntos una viga con núcleo de balsa y fibra de carbono/resina epoxi de 4 x 48 pulgadas después de reparar el daño simulado. Sí. La segunda fase del proyecto utilizó un panel de 12 x 48 pulgadas y debe presentar requisitos de resistencia superiores al 90 % bajo cargas de deformación complejas. Cumplimos con todos estos requisitos y luego fotografiamos los métodos de reparación en el modelo AMCB. Cómo utilizar la tecnología y el equipo del campo para proporcionar una referencia visual”.
Un aspecto clave del proyecto es demostrar que los principiantes pueden completar la reparación fácilmente. Por este motivo, Bergen tuvo una idea: “He prometido hacer una demostración a nuestros dos contactos técnicos en el ejército: el Dr. Bernard Sia y Ashley Genna. En la revisión final de la primera fase del proyecto, no pedí reparaciones. La experimentada Ashley realizó la reparación. Usando el kit y el manual que le proporcionamos, aplicó el parche y completó la reparación sin ningún problema”.
Figura 2 La máquina de unión térmica preprogramada de curado alimentada por batería puede curar el parche de reparación de fibra de carbono/epóxido con solo presionar un botón, sin necesidad de conocimientos de reparación o programación del ciclo de curado. Fuente de la imagen: Custom Technologies, LLC
Otro avance clave es el sistema de curado alimentado por baterías (Figura 2). "A través del mantenimiento del campo, solo tienes energía de la batería", señaló Bergen. "Todo el equipo de proceso del kit de reparación que desarrollamos es inalámbrico". Esto incluye la unión térmica alimentada por baterías desarrollada conjuntamente por Custom Technologies y el proveedor de máquinas de unión térmica WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, EE. UU.). "Este enlazador térmico que funciona con baterías está preprogramado para completar el curado, por lo que los principiantes no necesitan programar el ciclo de curado", dijo Crane. "Solo necesitan presionar un botón para completar la rampa adecuada y sumergirse". Las baterías actualmente en uso pueden durar un año antes de que sea necesario recargarlas.
Con la finalización de la segunda fase del proyecto, Custom Technologies está preparando propuestas de mejora de seguimiento y recopilando cartas de interés y apoyo. "Nuestro objetivo es hacer madurar esta tecnología hasta TRL 8 y llevarla al campo", dijo Bergen. "También vemos el potencial para aplicaciones no militares".
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Hora de publicación: 02-sep-2021