El kit portátil se puede reparar con fibra de vidrio/éster de vinilo o fibra de carbono/epoxi prepregueado a temperatura ambiente y equipos de curado con batería. #insidemanufacturing #infraestructura
Reparación de parches prepregados con UV-curable Aunque la reparación de pre-pre-pre-prepreg de carbono desarrollada por Custom Technologies LLC para el puente compuesto de infield ha demostrado ser simple y rápido, el uso de la prepregue de resina de éster de vinilo de vinilo con fibra UV reforzada por fibra de vidrio ha desarrollado un sistema más conveniente . Fuente de la imagen: Custom Technologies LLC
Los puentes modulares desplegables son activos críticos para operaciones y logística tácticas militares, así como para la restauración de la infraestructura de transporte durante los desastres naturales. Se están estudiando estructuras compuestas para reducir el peso de tales puentes, reduciendo así la carga de los vehículos de transporte y los mecanismos de recuperación de lanzamiento. En comparación con los puentes de metal, los materiales compuestos también tienen el potencial de aumentar la capacidad de carga y extender 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.) Utilice laminados epoxi reforzados con fibra de carbono (Figura 1). ) Diseño y construcción). Sin embargo, la capacidad de reparar tales estructuras en el campo ha sido un problema que dificulta la adopción de materiales compuestos.
Figura 1 Puente compuesto, Puente Compuesto Modular Advanced Modular Avanzado (AMCB) de activo clave fue diseñado y construido mediante Composites LLC y Ciencias de Materiales LLC utilizando compuestos de resina epoxi reforzada con fibra de carbono. Fuente de la imagen: Seeman Composites LLC (izquierda) y el Ejército de los Estados Unidos (derecha).
En 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, EE. UU.) Recibió una subvención de Fase 1 de Investigación de Innovación de Pequeñas Empresas Financionadas por el Ejército de EE. UU. (SBIR) para desarrollar un método de reparación que los soldados puedan realizar con éxito en el sitio. Según este enfoque, la segunda fase de la subvención SBIR se otorgó en 2018 para exhibir nuevos materiales y equipos con baterías, incluso si el parche es realizado por un novato sin capacitación previa, el 90% o más de la estructura se puede restaurar fortaleza. La viabilidad de la tecnología se determina realizando una serie de análisis de análisis, selección de materiales, fabricación de muestras y pruebas mecánicas, así como reparaciones a pequeña escala y a gran escala.
El principal investigador en las dos fases SBIR es Michael Bergen, fundador y presidente de Custom Technologies LLC. Bergen se retiró de Carderock del Centro de Guerra de Surface Naval (NSWC) y sirvió en el departamento de estructuras y materiales durante 27 años, donde administró 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 y patentes técnicas, que cubren temas como nuevos materiales compuestos, fabricación de prototipos, métodos de conexión, materiales compuestos multifuncionales, monitoreo de 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 de clase Ticonderoga CG-47 Guiado 5456. "El proceso se desarrolló para reducir el crecimiento de las grietas y para servir como una alternativa económica alternativa al reemplazo de una planta de plataforma de 2 a 4 millones de dólares ”, dijo Bergen. “Así que demostramos que sabemos cómo realizar reparaciones fuera del laboratorio y en un entorno de servicio real. Pero el desafío es que los métodos actuales de activos militares no tienen mucho éxito. La opción es la reparación dúplex unida [básicamente en áreas dañadas, pegue una tabla a la parte superior] o retire el activo del servicio para reparaciones a nivel de almacén (de nivel D). Debido a que se requieren reparaciones de nivel D, se dejan de lado muchos activos ".
Continuó diciendo que lo que se necesita es un método que los soldados pueden realizar sin experiencia en materiales compuestos, utilizando solo kits y manuales de mantenimiento. Nuestro objetivo es simplificar el proceso: lea el manual, evalúe el daño y realice reparaciones. No queremos mezclar resinas líquidas, ya que esto requiere una medición precisa para garantizar una cura completa. También necesitamos un sistema sin desechos peligrosos después de que se completen las reparaciones. Y debe empaquetarse como un kit que puede ser implementado por la red existente. "
Una solución que las tecnologías personalizadas demostraron con éxito es un kit portátil que utiliza un adhesivo epoxi endurecido para personalizar el parche compuesto adhesivo de acuerdo con 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 grosor (15 libras por densidad de pie cúbico) y dos capas de Vectorply (Phoenix, Arizona, EE. UU.) C -LT 1100 Fibra de carbono 0 °/90 ° Biaxial cosida, 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 la mezcla de resina líquida, el parche usará Prepreg. "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 prepregio de fibra de vidrio/éster de vinilo que pueda usar luz ultravioleta (UV) en seis minutos de curado de luz. También colaboró con Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, EE. UU.), Que sugirió el uso de una nueva película epoxi flexible.
Los primeros estudios han demostrado que la resina epoxi es la resina más adecuada para la fibra de carbono prepregs-uv-uv curable éster y la fibra de vidrio translúcido funcionan bien, pero no cura con fibra de carbono bloqueando la luz. Basado en la nueva película de Gougeon Brothers, la prepregación epoxi final se cura durante 1 hora a 210 ° F/99 ° C y tiene una larga vida útil a temperatura ambiente, no es necesario almacenamiento a baja temperatura. Bergen dijo que si se requiere una temperatura de transición de vidrio más alta (TG), la resina también se curará a una temperatura más alta, como 350 ° F/177 ° C. Ambos pregregs se proporcionan en un kit de reparación portátil como una pila de parches prepregados sellados en un sobre de plástico.
Dado que el kit de reparación puede almacenarse durante mucho tiempo, se requieren tecnologías personalizadas para realizar un estudio de vida útil. "Compramos cuatro recintos de plástico duro, un tipo militar típico utilizado en los equipos de transporte, y colocamos muestras de adhesivo epoxi y éster de vinilo previamente en cada recinto", dijo Bergen. Luego, las cajas se colocaron en cuatro ubicaciones diferentes para las pruebas: el techo de la fábrica de Gougeon Brothers en Michigan, el techo del aeropuerto de Maryland, las instalaciones al aire libre en el valle de Yucca (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 en Florida y California es de 140 ° F, lo que 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 polimerizar", dijo Bergen. "Sin embargo, para las muestras correspondientes mantenidas a 110 ° F, la química de resina solo mejoró en una pequeña cantidad".
La reparación se verificó en la placa de prueba y este modelo de escala de AMCB, que utilizaba el mismo material laminado y núcleo que el puente original construido por los compuestos de apariencia. Fuente de la imagen: Custom Technologies LLC
Para demostrar la técnica de reparación, un laminado representativo debe ser fabricado, dañado y reparado. "En la primera fase del proyecto, inicialmente utilizamos vigas de 4 x 48 pulgadas a pequeña escala y pruebas de flexión de cuatro puntos para evaluar la viabilidad de nuestro proceso de reparación", dijo Klein. “Luego, pasamos a paneles de 12 x 48 pulgadas en la segunda fase del proyecto, aplicamos cargas para generar un estado de estrés biaxial para causar falla y luego evaluamos el rendimiento de reparación. En la segunda fase, también completamos el modelo AMCB que construimos mantenimiento ".
Bergen dijo que el panel de prueba utilizado para demostrar que el rendimiento de la reparación se fabricó utilizando el mismo linaje de laminados y materiales centrales que AMCB fabricados por los compuestos de Seemann, “Pero reducimos el grosor del panel de 0.375 pulgadas a 0.175 pulgadas, basado en el teorema del eje paralelo en el eje paralelo. . Este es el caso. El método, junto con los elementos adicionales de la teoría del haz y la teoría del laminado clásico [CLT], se utilizó para vincular el momento de la inercia y la rigidez efectiva del AMCB a gran escala con un producto de demostración de menor tamaño que es más fácil de manejar y más rentable. Luego, el modelo de análisis de elementos finitos [FEA] desarrollado por XCRACT Inc. (Boston, Massachusetts, EE. UU.) Se utilizó para mejorar el diseño de reparaciones estructurales ". La tela de fibra de carbono utilizada para los paneles de prueba y el modelo AMCB se adquirió de Vectorply, y el núcleo de balsa fue realizado por compuestos del núcleo (Bristol, RI, EE. UU.) Proporcionado.
Paso 1. Este panel de prueba muestra un diámetro del orificio de 3 pulgadas para simular el daño marcado en el centro y reparar la circunferencia. Fuente de fotos para todos los pasos: Custom Technologies LLC.
Paso 2. Use un molinillo manual con batería para eliminar el material dañado y encerrar el parche de reparación con un cono de 12: 1.
"Queremos simular un mayor grado de daño en el tablero de prueba que el que podría verse en la cubierta del puente en el campo", explicó Bergen. “Entonces, nuestro método es usar una sierra de agujeros para hacer un orificio de diámetro de 3 pulgadas. Luego, sacamos el tapón del material dañado y usamos un molinillo neumático de mano para procesar una bufanda de 12: 1 ".
Crane explicó que para la reparación de fibra de carbono/epoxi, una vez que se elimina el material del panel "dañado" y se aplica una bufanda apropiada, el prepreg se cortará al ancho y la longitud para que coincida con el cono del área dañada. “Para nuestro panel de prueba, esto requiere cuatro capas de prepregio para mantener el material de reparación consistente con la parte superior del panel de carbono no dañado original. Después de eso, las tres capas de cobertura de prepreg de carbono/epoxi se concentran en esto en la parte reparada. Cada capa sucesiva se extiende 1 pulgada en todos los lados de la capa inferior, lo que proporciona una transferencia de carga gradual del material circundante "bueno" al área reparada ". El tiempo total para realizar esta preparación del área de reparación de reparación, cortando y colocando el material de restauración y aplicando el procedimiento de curado, aproximadamente 2.5 horas.
Para la fibra de carbono/prepregueo epoxi, el área de reparación está empaquetada y curada a 210 ° F/99 ° C durante una hora usando un bonder térmico con batería.
Aunque la reparación de carbono/epoxi es simple y rápida, el equipo reconoció la necesidad de una solución más conveniente para restaurar el rendimiento. Esto condujo a la exploración de prepregs de curado ultravioleta (UV). "El interés en las resinas de éster de vinilo de Sunrez se basa en una experiencia naval previa con el fundador de la compañía Mark Livesay", explicó Bergen. “Primero proporcionamos a Sunrez un tejido de vidrio cuasi isotrópico, usando su prepregio de éster de vinilo, y evaluamos la curva de curado en diferentes condiciones. Además, debido a que sabemos que la resina de éster de vinilo no es como la resina epoxi que proporciona un rendimiento de adhesión secundaria adecuado, por lo que se requieren esfuerzos adicionales para evaluar varios agentes de acoplamiento de capas adhesivas y determinar cuál es 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/epoxi, este problema se resuelve utilizando una capa adicional de éster de vidrio/vinilo", dijo Crane. "La razón por la cual solo se necesita una capa adicional es que el material de vidrio es una tela más pesada". Esto produce un parche adecuado que se puede aplicar y combinarse en seis minutos incluso a temperaturas de cuadro muy frías/heladas. Curarse sin proporcionar calor. Crane señaló que este trabajo de reparación se puede completar dentro de una hora.
Ambos sistemas de parche se han demostrado y probado. Para cada reparación, el área a dañar está marcada (Paso 1), se crea con una sierra de agujeros y luego se retira con un molinillo manual con batería (paso 2). Luego corte el área reparada en un cono de 12: 1. Limpie la superficie de la bufanda con una almohadilla de alcohol (paso 3). Luego, corte el parche de reparación a cierto tamaño, colóquelo en la superficie limpia (paso 4) y consolíate con un rodillo para eliminar las burbujas de aire. Para la prepregación del éster de vinilo de fibra de vidrio/currículum 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 la fibra de carbono/prepregueo epoxi, use un bonder térmico con batería preprogramado, un botón, para un paquete de vacío y cure el área reparada a 210 ° F/99 ° C durante una hora.
Paso 5. Después de colocar la capa de pelado 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, necesitamos demostrar la facilidad de aplicación y la capacidad de recuperar al menos el 75% de la fuerza. Esto se realiza mediante flexión de cuatro puntos en una fibra de carbono/resina epoxi de 4 x 48 pulgadas y haz de núcleo de balsa después de reparar el daño simulado. Sí. La segunda fase del proyecto utilizó un panel de 12 x 48 pulgadas y debe exhibir más del 90% de requisitos de resistencia bajo cargas de tensión complejas. Cumplimos con todos estos requisitos y luego fotografiamos los métodos de reparación en el modelo AMCB. Cómo usar la tecnología y el equipo en el cuadro para proporcionar una referencia visual ".
Un aspecto clave del proyecto es demostrar que los novatos pueden completar fácilmente la reparación. Por esta razón, Bergen tenía una idea: “He prometido demostrar 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. Ashley experimentada realizó la reparación. Usando el kit y el manual que proporcionamos, aplicó el parche y completó la reparación sin ningún problema ".
Figura 2 La máquina de enlace térmica preprogramada y alimentada por batería alimentada por la batería puede curar el parche de reparación de fibra de carbono/reparación de epoxi en la presentación de un botón, sin la necesidad de conocimientos de reparación o programación de ciclo de curado. Fuente de la imagen: Custom Technologies, LLC
Otro desarrollo clave es el sistema de curado con batería (Figura 2). "A través del mantenimiento del cuadro, solo tiene energía de la batería", señaló Bergen. "Todos los equipos de proceso en el kit de reparación que desarrollamos es inalámbrico". Esto incluye la unión térmica con batería desarrollada conjuntamente por tecnologías personalizadas y el proveedor de máquinas de enlace térmico Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, EE. UU.) La máquina. "Este bonder térmico con batería está preprogramado para completar el curado, por lo que los novatos no necesitan programar el ciclo de curado", dijo Crane. "Solo necesitan presionar un botón para completar la rampa adecuada y remojar". Las baterías actualmente en uso pueden durar un año antes de que necesiten ser recargadas.
Con la finalización de la segunda fase del proyecto, Custom Technologies está preparando propuestas de mejora de seguimiento y recolectando cartas de interés y apoyo. "Nuestro objetivo es madurar esta tecnología a TRL 8 y llevarla al campo", dijo Bergen. "También vemos el potencial de aplicaciones no militares".
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Tiempo de publicación: sep-02-2021