El kit portátil se puede reparar con preimpregnado de fibra de vidrio/éster de vinilo curable por UV o fibra de carbono/epoxi almacenado a temperatura ambiente y con un equipo de curado alimentado por batería. #insidemanufacturing #infraestructura
Reparación de parches de preimpregnado curable por UV. Si bien la reparación con preimpregnado de fibra de carbono/epoxi desarrollada por Custom Technologies LLC para el puente de composite de interior resultó sencilla y rápida, el uso de preimpregnado de resina de éster de vinilo curable por UV y reforzado con fibra de vidrio ha desarrollado un sistema más práctico. Fuente de la imagen: Custom Technologies LLC.
Los puentes modulares desplegables son activos esenciales 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 estos 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 su vida útil.
El Puente Compuesto Modular Avanzado (AMCB) es un ejemplo. Seemann Composites LLC (Gulfport, Misisipi, EE. UU.) y Materials Sciences LLC (Horsham, Pensilvania, EE. UU.) utilizan laminados epóxicos reforzados con fibra de carbono (Figura 1). Diseño y construcción. Sin embargo, la capacidad de reparar estas estructuras in situ ha sido un problema que dificulta la adopción de materiales compuestos.
Figura 1. Puente compuesto, activo clave en el terreno. 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 los EE. UU. (derecha).
En 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, EE. UU.) recibió una subvención de la Fase 1 del programa de Investigación de Innovación para Pequeñas Empresas (SBIR) financiado por el Ejército de EE. UU. para desarrollar un método de reparación que los soldados puedan realizar con éxito in situ. Con base en este enfoque, en 2018 se otorgó la segunda fase de la subvención SBIR para presentar nuevos materiales y equipos alimentados por batería. Incluso si la reparación la realiza un novato sin formación previa, se puede restaurar al menos el 90 % de la estructura en su resistencia bruta. La viabilidad de la tecnología se determina mediante una serie de análisis, selección de materiales, fabricación de muestras y pruebas mecánicas, así como reparaciones a pequeña y gran escala.
El investigador principal en las dos fases del SBIR es Michael Bergen, fundador y presidente de Custom Technologies LLC. Bergen se jubiló de Carderock, del Centro de Guerra Naval de Superficie (NSWC), y trabajó en el Departamento de Estructuras y Materiales durante 27 años, donde gestionó el desarrollo y la aplicación de tecnologías de materiales compuestos en la flota de la Armada de los Estados Unidos. El Dr. Roger Crane se incorporó a Custom Technologies en 2015, tras jubilarse de la Armada de los Estados Unidos en 2011, y ha prestado servicio durante 32 años. Su experiencia en materiales compuestos incluye publicaciones técnicas y patentes, que abarcan temas como nuevos materiales compuestos, fabricación de prototipos, métodos de conexión, materiales compuestos multifuncionales, monitorización 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 clase Ticonderoga CG-47 5456. "El proceso se desarrolló para reducir la proliferación de grietas y servir como una alternativa económica al reemplazo de una plataforma de 2 a 4 millones de dólares", declaró Bergen. "Así, demostramos que sabemos cómo realizar reparaciones fuera del laboratorio y en un entorno de servicio real. Sin embargo, el desafío radica en que los métodos actuales de activos militares no son muy eficaces. La opción es la reparación dúplex adherida [básicamente, pegar una plataforma a la parte superior en las áreas dañadas] o retirar el activo de servicio para realizar reparaciones de nivel de almacén (nivel D). Debido a que se requieren reparaciones de nivel D, muchos activos se reservan".
Continuó explicando que se necesita un método que pueda ser aplicado por soldados sin experiencia en materiales compuestos, utilizando únicamente kits y manuales de mantenimiento. Nuestro objetivo es simplificar el proceso: leer el manual, evaluar el daño y realizar las reparaciones. No queremos mezclar resinas líquidas, ya que esto requiere una medición precisa para asegurar un curado completo. También necesitamos un sistema sin residuos peligrosos una vez finalizadas las reparaciones. Y debe estar empaquetado 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 epóxico endurecido para personalizar el parche compuesto adhesivo según el tamaño del daño (hasta 12 pulgadas cuadradas). La demostración se completó en un material compuesto que representa una cubierta 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 tela cosida biaxialmente de fibra de carbono Vectorply (Phoenix, Arizona, EE. UU.) C-LT 1100 de 0°/90°, una capa de tres ejes de fibra de carbono C-TLX 1900 de 0°/+45°/-45° 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 multieje 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 se relacionan con el almacenamiento", explicó Bergen. Para desarrollar una solución de parche almacenable, Custom Technologies se asoció con Sunrez Corp. (El Cajón, California, EE. UU.) para desarrollar un preimpregnado de fibra de vidrio/éster de vinilo que puede fotopolimerizarse con luz ultravioleta (UV) en seis minutos. También colaboró con Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, EE. UU.), que sugirió el uso de una nueva película epoxi flexible.
Estudios preliminares han demostrado que la resina epoxi es la más adecuada para los preimpregnados de fibra de carbono. El éster de vinilo curable por UV y la fibra de vidrio translúcida funcionan bien, pero no curan bajo la fibra de carbono que bloquea la luz. Basado en la nueva película de Gougeon Brothers, el preimpregnado epoxi final cura durante una hora a 99 °C y tiene una larga vida útil a temperatura ambiente, sin necesidad de almacenamiento a baja temperatura. Bergen indicó que si se requiere una temperatura de transición vítrea (Tg) más alta, la resina también curará a una temperatura más alta, como 177 °C. Ambos preimpregnados se suministran en un kit de reparación portátil como una pila de parches de preimpregnado sellados en una envoltura de plástico.
Dado que el kit de reparación puede almacenarse durante mucho tiempo, Custom Technologies debe realizar un estudio de vida útil. "Compramos cuatro cajas de plástico duro (de tipo militar, típicas de las que se usan en equipos de transporte) y pusimos muestras de adhesivo epoxi y preimpregnado de éster de vinilo en cada una", explicó Bergen. 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. Todas las cajas cuentan con registradores de datos, señala Bergen: "Tomamos datos y muestras de material para su evaluación cada tres meses. La temperatura máxima registrada en las cajas de Florida y California es de 60 °C, lo cual es adecuado para la mayoría de las resinas de restauración. Es un verdadero desafío". Además, Gougeon Brothers realizó pruebas internas con la resina epoxi pura recién desarrollada. "Las muestras que se colocaron en un horno a 48 °C durante varios meses comienzan a polimerizar", explicó Bergen. “Sin embargo, en las muestras correspondientes mantenidas a 110 °F, la química de la resina solo mejoró ligeramente”.
La reparación se verificó en la placa de pruebas y en esta maqueta del 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, utilizamos vigas pequeñas de 4 x 48 pulgadas y pruebas de flexión en cuatro puntos para evaluar la viabilidad de nuestro proceso de reparación", explicó Klein. "Luego, en la segunda fase, pasamos a paneles de 12 x 48 pulgadas, aplicamos cargas para generar un estado de tensión biaxial que provocara la falla y evaluamos el rendimiento de la reparación. En la segunda fase, también completamos el modelo AMCB que construimos en Mantenimiento".
Bergen dijo que el panel de prueba usado para demostrar el rendimiento de la reparación se fabricó utilizando el mismo linaje de laminados y materiales de núcleo que el AMCB fabricado por Seemann Composites, "pero redujimos el espesor del panel de 0,375 pulgadas a 0,175 pulgadas, con base en el teorema de ejes paralelos. Este es el caso. El método, junto con los elementos adicionales de la teoría de vigas y la teoría clásica de laminados [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.) proporcionado.
Paso 1. Este panel de prueba muestra un orificio de 7,6 cm 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 retirar el material dañado y encierre el parche de reparación con un cono de 12:1.
“Queremos simular un mayor grado de daño en la placa de prueba que el que se podría observar en el tablero del puente en el campo”, explicó Bergen. “Por lo tanto, nuestro método consiste en usar una sierra de corona para hacer un orificio de 7,6 cm de diámetro. Luego, retiramos el material dañado y usamos una amoladora neumática manual para procesar un bisel de 12:1”.
Crane explicó que para la reparación de fibra de carbono/epoxi, una vez retirado el material del panel dañado y aplicado el bisel adecuado, el preimpregnado se corta a la anchura y longitud necesarias para que coincida con la conicidad del área dañada. "Para nuestro panel de prueba, se requieren cuatro capas de preimpregnado para mantener la consistencia del material de reparación con la parte superior del panel de carbono original sin daños. Posteriormente, las tres capas de cobertura de preimpregnado de carbono/epoxi se concentran en la parte reparada. Cada capa sucesiva se extiende 2,5 cm por todos los lados de la capa inferior, lo que proporciona una transferencia gradual de la carga desde el material circundante en buen estado hasta el área reparada". El tiempo total para realizar esta reparación, incluyendo la preparación del área a reparar, el corte y la 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/epoxi, el área de reparación se envasa al vacío y se cura a 210 °F/99 °C durante una hora utilizando un soldador térmico alimentado por batería.
Aunque la reparación de carbono/epoxi es sencilla y rápida, el equipo reconoció la necesidad de una solución más conveniente para restaurar el rendimiento. Esto llevó a explorar los preimpregnados de curado ultravioleta (UV). "El interés en las resinas de éster de vinilo de Sunrez se basa en la experiencia naval previa con el fundador de la empresa, Mark Livesay", explicó Bergen. "Primero, proporcionamos a Sunrez un tejido de vidrio cuasi-isotrópico, utilizando su preimpregnado de éster de vinilo, y evaluamos la curva de curado en diferentes condiciones. Además, como sabemos que la resina de éster de vinilo no ofrece un rendimiento de adhesión secundaria adecuado, como la resina epoxi, se requieren esfuerzos adicionales para evaluar diversos agentes de acoplamiento de la capa adhesiva y determinar cuál es el adecuado para la aplicación".
Otro problema es que las fibras de vidrio no pueden ofrecer las mismas propiedades mecánicas que las fibras de carbono. "En comparación con el parche de carbono/epoxi, este problema se soluciona utilizando una capa adicional de éster de vidrio/vinilo", explicó Crane. "La razón por la que solo 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 a temperaturas muy bajas o gélidas en el campo. Cura sin aplicar calor. Crane señaló que esta reparación se puede completar en una hora.
Ambos sistemas de parches han sido probados y comprobados. Para cada reparación, se marca la zona a reparar (paso 1), se crea con una sierra de corona y se retira con una amoladora manual a batería (paso 2). A continuación, se corta la zona reparada con un cono de 12:1. Limpie la superficie del parche 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 confírmelo con un rodillo para eliminar las burbujas de aire. Para el preimpregnado de éster de vinilo de fibra de vidrio/curado por UV, coloque la capa desmoldante sobre la zona reparada y cure el parche con una lámpara UV inalámbrica durante seis minutos (paso 5). Para el preimpregnado de fibra de carbono/epoxi, utilice una termoselladora preprogramada, de un solo botón y a batería, para envasar al vacío y curar la zona reparada a 99 °C/210 °F durante una hora.
Paso 5. Después de colocar la capa despegable sobre 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 portante de la estructura”, explicó Bergen. “En la primera etapa, debemos demostrar la facilidad de aplicación y la capacidad de recuperar al menos el 75 % de la resistencia. Esto se logra mediante flexión en cuatro puntos sobre una viga de fibra de carbono/resina epoxi y núcleo de balsa de 10 x 122 cm, tras reparar el daño simulado. Sí. La segunda fase del proyecto utilizó un panel de 30 x 122 cm y debe cumplir con los requisitos de resistencia de más del 90 % bajo cargas de deformación complejas. Cumplimos todos estos requisitos y, posteriormente, fotografiamos los métodos de reparación en la maqueta AMCB. Cómo utilizar la tecnología y los equipos de campo para obtener una referencia visual”.
Un aspecto clave del proyecto es demostrar que los principiantes pueden completar la reparación fácilmente. Por eso, Bergen tuvo una idea: «Prometí 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, solicité que no se hicieran reparaciones. La experimentada Ashley realizó la reparación. Usando el kit y el manual que le proporcionamos, aplicó el parche y completó la reparación sin problemas».
Figura 2. La máquina de unión térmica preprogramada y de curado a batería cura el parche de reparación de fibra de carbono/epoxi con solo pulsar un botón, sin necesidad de conocimientos de reparación ni de programación de ciclos de curado. Fuente de la imagen: Custom Technologies, LLC
Otro desarrollo clave es el sistema de curado a batería (Figura 2). "Durante el mantenimiento en campo, solo se cuenta con energía de la batería", señaló Bergen. "Todo el equipo de proceso del kit de reparación que desarrollamos es inalámbrico". Esto incluye la máquina de unión térmica a batería, desarrollada conjuntamente por Custom Technologies y el proveedor de máquinas de unión térmica WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, EE. UU.). "Esta soldadora térmica a batería está preprogramada para completar el curado, por lo que los principiantes no necesitan programar el ciclo de curado", explicó Crane. "Solo necesitan presionar un botón para completar la rampa y el remojo adecuados". Las baterías que se utilizan actualmente pueden durar un año antes de tener que recargarse.
Tras 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 que esta tecnología alcance el nivel de desarrollo de tecnología (TRL) 8 y la implementemos en el campo», declaró Bergen. «También vemos potencial para aplicaciones no militares».
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Hora de publicación: 02-sep-2021