Le kit portable peut être réparé avec un préimprégné en fibre de verre/vinylester durcissable aux UV ou en fibre de carbone/époxy stocké à température ambiante et un équipement de durcissement alimenté par batterie. #insidemanufacturing #infrastructure.
Réparation par patch préimprégné durcissable aux UV Bien que la réparation par préimprégné en fibre de carbone/époxy développée par Custom Technologies LLC pour le pont composite intérieur se soit avérée simple et rapide, l'utilisation de résine vinylester durcissable aux UV renforcée de fibre de verre Prepreg a développé un système plus pratique. Source de l'image : Custom Technologies LLC
Les ponts modulaires déployables sont des atouts essentiels pour les opérations tactiques et logistiques militaires, ainsi que pour la restauration des infrastructures de transport lors de catastrophes naturelles. Des structures composites sont étudiées pour réduire le poids de ces ponts, allégeant ainsi la charge sur les véhicules de transport et les mécanismes de lancement et de récupération. Comparés aux ponts métalliques, les matériaux composites offrent également le potentiel d'augmenter la capacité portante et de prolonger la durée de vie.
Le pont composite modulaire avancé (AMCB) en est un exemple. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, États-Unis) et Materials Sciences LLC (Horsham, Pennsylvanie, États-Unis) utilisent des stratifiés époxy renforcés de fibres de carbone (figure 1). (Conception et construction). Cependant, la capacité à réparer de telles structures sur le terrain constitue un problème qui freine l'adoption des matériaux composites.
Figure 1 Pont composite, atout clé pour l'intérieur du terrain. Le pont composite modulaire avancé (AMCB) a été conçu et construit par Seemann Composites LLC et Materials Sciences LLC à partir de composites en résine époxy renforcée de fibres de carbone. Source de l'image : Seemann Composites LLC (à gauche) et l'armée américaine (à droite).
En 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, États-Unis) a reçu une subvention de phase 1 du programme Small Business Innovation Research (SBIR) financée par l'armée américaine pour développer une méthode de réparation réalisable avec succès sur site par les soldats. Sur la base de cette approche, la deuxième phase de la subvention SBIR a été attribuée en 2018 pour présenter de nouveaux matériaux et équipements alimentés par batterie. Même si la réparation est effectuée par un novice sans formation préalable, 90 % ou plus de la structure peut être restaurée à sa résistance brute. La faisabilité de la technologie est déterminée par la réalisation d'une série d'analyses, la sélection des matériaux, la fabrication d'échantillons et des tests mécaniques, ainsi que par des réparations à petite et grande échelle.
Le chercheur principal des deux phases du SBIR est Michael Bergen, fondateur et président de Custom Technologies LLC. Bergen a pris sa retraite de Carderock au Naval Surface Warfare Center (NSWC) et a travaillé pendant 27 ans au département Structures et Matériaux, où il a géré le développement et l'application des technologies composites au sein de la flotte de l'US Navy. Le Dr Roger Crane a rejoint Custom Technologies en 2015 après avoir pris sa retraite de l'US Navy en 2011 et y a servi pendant 32 ans. Son expertise en matériaux composites comprend des publications techniques et des brevets, couvrant des sujets tels que les nouveaux matériaux composites, la fabrication de prototypes, les méthodes d'assemblage, les matériaux composites multifonctionnels, la surveillance de l'état des structures et la restauration des matériaux composites.
Les deux experts ont développé un procédé unique utilisant des matériaux composites pour réparer les fissures de la superstructure en aluminium du croiseur lance-missiles Ticonderoga CG-47 5456. « Ce procédé a été développé pour réduire la propagation des fissures et constituer une alternative économique au remplacement d'une planche de plateforme, coûtant entre 2 et 4 millions de dollars », a déclaré Bergen. « Nous avons ainsi prouvé notre capacité à effectuer des réparations hors laboratoire et en conditions réelles. Cependant, le défi réside dans le manque d'efficacité des méthodes actuelles appliquées aux équipements militaires. L'option consiste à effectuer une réparation duplex collée [en gros, dans les zones endommagées, en collant une planche sur le dessus] ou à retirer l'équipement du service pour des réparations de niveau D (entrepôt). Comme ces réparations sont nécessaires, de nombreux équipements sont mis de côté. »
Il a ajouté qu'il fallait une méthode applicable aux soldats sans expérience des matériaux composites, utilisant uniquement des kits et des manuels d'entretien. Notre objectif est de simplifier le processus : lire le manuel, évaluer les dommages et effectuer les réparations. Nous ne voulons pas mélanger des résines liquides, car cela nécessite des mesures précises pour garantir une polymérisation complète. Nous avons également besoin d'un système sans déchets dangereux une fois les réparations terminées. Il doit également être présenté sous forme de kit pouvant être déployé par le réseau existant.
Custom Technologies a présenté avec succès une solution : un kit portable utilisant un adhésif époxy renforcé pour personnaliser la pièce composite adhésive en fonction de la taille du dommage (jusqu'à 30 cm²). La démonstration a été réalisée sur un matériau composite représentant un tablier AMCB de 7,6 cm d'épaisseur. Ce matériau composite est composé d'une âme en balsa de 7,6 cm d'épaisseur (densité de 6,8 kg par pied cube) et de deux couches de tissu biaxial Vectorply (Phoenix, Arizona, États-Unis) en fibre de carbone C-LT 1100 0°/90°, d'une couche de tissu biaxial Vectorply C-TLX 1900 0°/+45°/-45° à trois axes et de deux couches de C-LT 1100, soit cinq couches au total. « Nous avons décidé que le kit utiliserait des pièces préfabriquées en stratifié quasi-isotrope, similaire à un multiaxe, afin que l'orientation du tissu ne pose aucun problème », a déclaré Crane.
Le problème suivant concerne la matrice de résine utilisée pour la réparation du stratifié. Afin d'éviter le mélange de résine liquide, le patch utilisera du préimprégné. « Cependant, le stockage constitue un défi », explique Bergen. Pour développer une solution de patch stockable, Custom Technologies s'est associée à Sunrez Corp. (El Cajon, Californie, États-Unis) pour développer un préimprégné en fibre de verre/vinylester capable de polymériser en six minutes grâce aux rayons ultraviolets (UV). L'entreprise a également collaboré avec Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, États-Unis), qui a suggéré l'utilisation d'un nouveau film époxy flexible.
Des études préliminaires ont montré que la résine époxy est la plus adaptée aux préimprégnés en fibre de carbone. Le vinylester durcissable aux UV et la fibre de verre translucide sont efficaces, mais ne durcissent pas sous l'effet de la fibre de carbone bloquant la lumière. Basé sur le nouveau film de Gougeon Brothers, le préimprégné époxy final durcit pendant une heure à 99 °C et se conserve longtemps à température ambiante, évitant ainsi tout stockage à basse température. Bergen a précisé que si une température de transition vitreuse (Tg) plus élevée est requise, la résine durcira également à une température plus élevée, par exemple 177 °C. Les deux préimprégnés sont fournis dans un kit de réparation portable, sous forme d'une pile de pièces préimprégnées scellées dans une enveloppe en film plastique.
Le kit de réparation pouvant être stocké longtemps, Custom Technologies a dû réaliser une étude de durée de conservation. « Nous avons acheté quatre boîtiers en plastique dur – un type militaire typique utilisé pour les équipements de transport – et y avons placé des échantillons de colle époxy et de préimprégné vinylester », explique Bergen. Les boîtiers ont ensuite été placés à quatre endroits différents pour être testés : le toit de l'usine Gougeon Brothers dans le Michigan, le toit de l'aéroport du Maryland, l'installation extérieure de Yucca Valley (désert californien) et le laboratoire extérieur d'essais de corrosion dans le sud de la Floride. Tous les boîtiers sont équipés d'enregistreurs de données, précise Bergen. « Nous prélevons des données et des échantillons de matériaux pour évaluation tous les trois mois. La température maximale enregistrée dans les boîtiers en Floride et en Californie est de 60 °C, ce qui est adapté à la plupart des résines de restauration. C'est un véritable défi. » De plus, Gougeon Brothers a testé en interne la nouvelle résine époxy pure. « Les échantillons placés dans un four à 49 °C pendant plusieurs mois commencent à polymériser », précise Bergen. « Cependant, pour les échantillons correspondants conservés à 110 °F, la chimie de la résine ne s'est améliorée que légèrement. »
La réparation a été vérifiée sur la planche d'essai et sur cette maquette d'AMCB, qui utilisait le même matériau stratifié et central que le pont original construit par Seemann Composites. Source de l'image : Custom Technologies LLC
Afin de démontrer la technique de réparation, un stratifié représentatif doit être fabriqué, endommagé et réparé. « Lors de la première phase du projet, nous avons d'abord utilisé des poutres de petite taille de 4 x 48 pouces et des essais de flexion en quatre points pour évaluer la faisabilité de notre procédé de réparation », a expliqué Klein. « Nous sommes ensuite passés à des panneaux de 12 x 48 pouces lors de la deuxième phase du projet, appliquant des charges pour générer un état de contrainte biaxiale provoquant une rupture, puis évaluant les performances de la réparation. Au cours de cette deuxième phase, nous avons également finalisé le modèle AMCB que nous avons construit pour la maintenance. »
Bergen a déclaré que le panneau d'essai utilisé pour prouver les performances de réparation a été fabriqué en utilisant la même lignée de stratifiés et de matériaux de noyau que l'AMCB fabriqué par Seemann Composites, « mais nous avons réduit l'épaisseur du panneau de 0,375 pouce à 0,175 pouce, sur la base du théorème des axes parallèles. C'est le cas. La méthode, associée aux éléments supplémentaires de la théorie des poutres et de la théorie classique des stratifiés [CLT], a été utilisée pour relier le moment d'inertie et la rigidité effective de l'AMCB à grande échelle avec un produit de démonstration de plus petite taille, plus facile à manipuler et plus rentable. Ensuite, nous avons utilisé le modèle d'analyse par éléments finis [FEA] développé par XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, États-Unis) pour améliorer la conception des réparations structurelles. » Le tissu en fibre de carbone utilisé pour les panneaux d'essai et le modèle AMCB a été acheté auprès de Vectorply, et le noyau en balsa a été fourni par Core Composites (Bristol, RI, États-Unis).
Étape 1. Ce panneau de test présente un trou de 7,6 cm de diamètre pour simuler les dommages marqués au centre et réparer la circonférence. Source des photos pour toutes les étapes : Custom Technologies LLC.
Étape 2. Utilisez une meuleuse manuelle alimentée par batterie pour retirer le matériau endommagé et entourez la zone de réparation avec un cône 12:1.
« Nous souhaitons simuler sur la planche d'essai un degré de dommage plus élevé que celui observé sur le tablier du pont sur le terrain », explique Bergen. « Notre méthode consiste donc à utiliser une scie cloche pour percer un trou de 7,6 cm de diamètre. Ensuite, nous retirons le bouchon du matériau endommagé et utilisons une meuleuse pneumatique portative pour obtenir un rapport de coupe de 12:1. »
Crane a expliqué que pour la réparation en fibre de carbone/époxy, une fois le panneau « endommagé » retiré et une bande de finition appropriée appliquée, le préimprégné est découpé à la largeur et à la longueur voulues pour épouser la forme de la zone endommagée. « Pour notre panneau d'essai, quatre couches de préimprégné sont nécessaires pour que le matériau de réparation soit conforme à la surface du panneau de carbone d'origine non endommagé. Ensuite, les trois couches de préimprégné carbone/époxy sont concentrées sur la partie réparée. Chaque couche successive s'étend sur 2,5 cm de chaque côté de la couche inférieure, ce qui assure un transfert de charge progressif du matériau environnant « en bon état » vers la zone réparée. » La durée totale de cette réparation, comprenant la préparation de la zone à réparer, la découpe et la mise en place du matériau de restauration, ainsi que la procédure de durcissement, est d'environ 2,5 heures.
Pour le préimprégné en fibre de carbone/époxy, la zone de réparation est emballée sous vide et durcie à 210 °F/99 °C pendant une heure à l'aide d'un thermocolleur alimenté par batterie.
Bien que la réparation carbone/époxy soit simple et rapide, l'équipe a reconnu la nécessité d'une solution plus pratique pour restaurer les performances. C'est ainsi qu'elle a exploré les préimprégnés durcissant aux ultraviolets (UV). « L'intérêt pour les résines vinylester Sunrez repose sur l'expérience navale acquise avec le fondateur de l'entreprise, Mark Livesay », explique Bergen. « Nous avons d'abord fourni à Sunrez un tissu de verre quasi isotrope, utilisant leur préimprégné vinylester, et avons évalué la courbe de durcissement dans différentes conditions. De plus, sachant que la résine vinylester n'offre pas, comme la résine époxy, des performances d'adhérence secondaire satisfaisantes, des efforts supplémentaires sont nécessaires pour évaluer différents agents de couplage de couches adhésives et déterminer celui qui convient à l'application. »
Un autre problème est que les fibres de verre ne peuvent pas offrir les mêmes propriétés mécaniques que les fibres de carbone. « Par rapport aux patchs carbone/époxy, ce problème est résolu en utilisant une couche supplémentaire de verre/vinylester », explique Crane. « Si une seule couche supplémentaire est nécessaire, c'est parce que le verre est un tissu plus épais. » Cela permet d'obtenir un patch adapté, applicable et combiné en six minutes, même par très basses températures, voire glaciales. Le durcissement se fait sans apport de chaleur. Crane souligne que cette réparation peut être réalisée en une heure.
Les deux systèmes de patchs ont été testés et éprouvés. Pour chaque réparation, la zone à endommager est marquée (étape 1), découpée à la scie cloche, puis retirée à l'aide d'une meuleuse manuelle à batterie (étape 2). La zone réparée est ensuite découpée selon un format 12:1. Nettoyez la surface du patch avec un tampon imbibé d'alcool (étape 3). Découpez ensuite le patch de réparation à la taille souhaitée, placez-le sur la surface nettoyée (étape 4) et consolidez-le avec un rouleau pour éliminer les bulles d'air. Pour les préimprégnés en fibre de verre/vinylester durcissables aux UV, appliquez la couche de protection sur la zone réparée et polymérisez le patch sous une lampe UV sans fil pendant six minutes (étape 5). Pour les préimprégnés en fibre de carbone/époxy, utilisez une thermosoudeuse à batterie préprogrammée, à un bouton et alimentée par batterie, pour emballer sous vide et polymériser la zone réparée à 99 °C pendant une heure.
Étape 5. Après avoir placé la couche de pelage sur la zone réparée, utilisez une lampe UV sans fil pour durcir le patch pendant 6 minutes.
« Nous avons ensuite effectué des tests pour évaluer l'adhérence du patch et sa capacité à restaurer la capacité portante de la structure », a expliqué Bergen. « Dans un premier temps, nous devons prouver la facilité d'application et la capacité à récupérer au moins 75 % de la résistance. Cela se fait par flexion en quatre points sur une poutre de 10 x 122 cm en fibre de carbone/résine époxy et âme en balsa après réparation des dommages simulés. Oui. La deuxième phase du projet a utilisé un panneau de 30 x 122 cm et devait présenter une résistance supérieure à 90 % sous des charges de déformation complexes. Nous avons satisfait à toutes ces exigences, puis photographié les méthodes de réparation sur la maquette AMCB. Comment utiliser la technologie et l'équipement de terrain pour fournir une référence visuelle ? »
Un aspect clé du projet est de prouver que même les novices peuvent facilement effectuer la réparation. C'est pourquoi Bergen a eu une idée : « J'ai promis de faire une démonstration à nos deux contacts techniques dans l'armée : le Dr Bernard Sia et Ashley Genna. Lors de la revue finale de la première phase du projet, je n'ai demandé aucune réparation. Ashley, expérimentée, a effectué la réparation. À l'aide du kit et du manuel que nous lui avons fournis, elle a appliqué le patch et a terminé la réparation sans problème. »
Figure 2. La thermosoudeuse préprogrammée, alimentée par batterie, peut durcir la pièce de réparation en fibre de carbone/époxy d'une simple pression sur un bouton, sans connaissances en réparation ni programmation du cycle de durcissement. Source de l'image : Custom Technologies, LLC
Une autre avancée majeure est le système de polymérisation alimenté par batterie (Figure 2). « Pour l'entretien sur le terrain, seule la batterie est disponible », a souligné Bergen. « Tous les équipements de traitement du kit de réparation que nous avons développé sont sans fil. » Cela inclut la thermosoudeuse alimentée par batterie, développée conjointement par Custom Technologies et le fournisseur de thermosoudeuses WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, États-Unis). « Cette thermosoudeuse alimentée par batterie est préprogrammée pour terminer la polymérisation, évitant ainsi aux novices de programmer le cycle de polymérisation », a expliqué Crane. « Il leur suffit d'appuyer sur un bouton pour effectuer la rampe et le trempage appropriés. » Les batteries actuellement utilisées peuvent durer un an avant de devoir être rechargées.
La deuxième phase du projet étant terminée, Custom Technologies prépare des propositions d'amélioration complémentaires et recueille des lettres d'intérêt et de soutien. « Notre objectif est de faire évoluer cette technologie jusqu'au niveau TRL 8 et de la déployer sur le terrain », a déclaré Bergen. « Nous entrevoyons également un potentiel pour des applications non militaires. »
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Date de publication : 02/09/2021