Le kit portable peut être réparé avec une fibre de verre / en vinyle de fibre de verre / en vinyle de carbone / époxy conservé UV à température ambiante et un équipement de durcissement alimenté par batterie. #InsideManfufacturing #Infrastructure
Réparation de patchs préimpréglées de prairies uv-UV Bien que la réparation préreg en fibre de carbone / époxy développée par Custom Technologies LLC pour le pont composite sur le terrain s'est avérée simple et rapide, l'utilisation de la résine en vinyle de vinyle à UV en fibre de verre a développé un système plus pratique en fibre de verre a développé un système plus pratique . Source de l'image: Custom Technologies LLC
Les ponts déployables modulaires sont des actifs critiques pour les opérations tactiques militaires et la logistique, ainsi que la restauration des infrastructures de transport lors des catastrophes naturelles. Des structures composites sont étudiées pour réduire le poids de ces ponts, réduisant ainsi la charge des véhicules de transport et des mécanismes de récupération de lancement. Par rapport aux ponts métalliques, les matériaux composites ont également le potentiel d'augmenter la capacité de charge 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, PA, États-Unis) utilisent des stratifiés époxy renforcés en fibre de carbone (figure 1). ) Conception et construction). Cependant, la capacité de réparer ces structures sur le terrain a été un problème qui entrave l'adoption de matériaux composites.
Figure 1 Bridge composite, clé de champ inférieur sur le terrain Le pont composite modulaire avancé (AMCB) a été conçu et construit par Seemann Composites LLC et Materials Sciences LLC en utilisant des composites de résine époxy renforcés en fibre de carbone. Source de l'image: Seeman 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 de la phase 1 des petites entreprises financé par l'armée américaine (SBIR) pour développer une méthode de réparation qui peut être effectuée avec succès sur place par des soldats. Sur la base de cette approche, la deuxième phase de la subvention SBIR a été décernée en 2018 pour présenter de nouveaux matériaux et des équipements alimentés par batterie, même si le patch est effectué par un novice sans formation préalable, 90% ou plus de la structure peut être rétablie RAW force. La faisabilité de la technologie est déterminée en effectuant une série de tâches d'analyse, de sélection de matériaux, de fabrication de spécimens et de tests mécaniques, ainsi que des réparations à petite échelle et à grande échelle.
Le principal chercheur des deux phases SBIR est Michael Bergen, le fondateur et président de Custom Technologies LLC. Bergen a pris sa retraite de Carderock du Naval Surface Warfare Center (NSWC) et a servi dans le département des structures et des matériaux pendant 27 ans, où il a géré le développement et l'application de technologies composites dans la flotte de la marine américaine. Le Dr Roger Crane a rejoint les technologies personnalisées en 2015 après sa retraite de la marine américaine en 2011 et a servi pendant 32 ans. Son expertise en matériaux composites comprend des publications techniques et des brevets, couvrant des sujets tels que de nouveaux matériaux composites, la fabrication de prototypes, les méthodes de connexion, les matériaux composites multifonctionnels, la surveillance de la santé structurelle et la restauration des matériaux composites.
Les deux experts ont développé un processus unique qui utilise des matériaux composites pour réparer les fissures dans la superstructure en aluminium du croiseur de missile guidé de classe Ticonderoga CG-47 5456. "Le processus a été développé pour réduire la croissance des fissures et pour servir d'alternative économique au remplacement d'une plate-forme de 2 à 4 millions de dollars », a déclaré Bergen. «Nous avons donc prouvé que nous savons comment effectuer des réparations en dehors du laboratoire et dans un véritable environnement de service. Mais le défi est que les méthodes actuelles des actifs militaires ne réussissent pas beaucoup. L'option est la réparation duplex collée [en gros dans les zones endommagées colle une planche en haut] ou retirer l'actif du service pour les réparations au niveau de l'entrepôt (niveau D). Parce que les réparations de niveau D sont nécessaires, de nombreux actifs sont mis de côté. »
Il a poursuivi en disant que ce qui est nécessaire est une méthode qui peut être effectuée par des soldats sans expérience dans les matériaux composites, en utilisant uniquement des kits et des manuels de maintenance. Notre objectif est de simplifier le processus: lire le manuel, évaluer les dégâts et effectuer des réparations. Nous ne voulons pas mélanger les résines liquides, car cela nécessite une mesure précise pour assurer une guérison complète. Nous avons également besoin d'un système sans déchets dangereux une fois les réparations terminées. Et il doit être emballé sous forme de kit qui peut être déployé par le réseau existant. "
Une solution que les technologies personnalisées ont démontrées avec succès est un kit portable qui utilise un adhésif époxy durci pour personnaliser le patch composite adhésif en fonction de la taille des dommages (jusqu'à 12 pouces carrés). La démonstration a été achevée sur un matériau composite représentant un pont AMCB d'épaisseur de 3 pouces. Le matériau composite a un noyau en bois de balsa de 3 pouces d'épaisseur (15 livres par densité de pied cube) et deux couches de vectorply (Phoenix, Arizona, US) C -LT 1100 Fibre de carbone 0 ° / 90 ° tissu biaxial, une couche de couche de C-TLX 1900 Fibre de carbone 0 ° / + 45 ° / -45 ° Trois arbres et deux couches de C-LT 1100, un total de cinq couches. "Nous avons décidé que le kit utiliserait des correctifs préfabriqués dans un stratifié quasi-isotrope similaire à un multi-axe afin que la direction du tissu ne soit pas un problème", a déclaré Crane.
Le prochain problème est la matrice de résine utilisée pour la réparation du stratifié. Afin d'éviter de mélanger la résine liquide, le patch utilisera le préprég. "Cependant, ces défis sont le stockage", a expliqué Bergen. Pour développer une solution de patch storable, Custom Technologies s'est associée à Sunrez Corp. (El Cajon, Californie, USA) pour développer un préimprégné de fibre de verre / vinyle qui peut utiliser la lumière ultraviolette (UV) en six minutes de durcissement léger. Il a également collaboré avec Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), qui a suggéré l'utilisation d'un nouveau film époxy flexible.
Les premières études ont montré que la résine époxy est la résine la plus appropriée pour l'ester en vinyle et la fibre de verre translucide en fibre de carbone et en fibre de verre translucide, mais ne guérissent pas sous la fibre de carbone bloquant la lumière. Sur la base du nouveau film de Gougeon Brothers, le compreg époxy final est guéri pendant 1 heure à 210 ° F / 99 ° C et a une longue durée de conservation à température ambiante, pas de stockage à basse température. Bergen a déclaré que si une température de transition de verre plus élevée (TG) est nécessaire, la résine sera également guéri à une température plus élevée, telle que 350 ° F / 177 ° C. Les deux préreg sont fournis dans un kit de réparation portable sous forme de pile de patchs préimprélongés scellés dans une enveloppe de film plastique.
Étant donné que le kit de réparation peut être stocké pendant une longue période, les technologies personnalisées sont nécessaires pour mener une étude de durée de conservation. "Nous avons acheté quatre enclos en plastique dur - un type militaire typique utilisé dans l'équipement de transport - et avons mis des échantillons d'adhésif époxy et d'ester vinyle préreg dans chaque enceinte", a déclaré Bergen. Les boîtes ont ensuite été placées dans quatre endroits différents pour les tests: le toit de l'usine de Gougeon Brothers dans le Michigan, le toit de l'aéroport du Maryland, les installations extérieures de la vallée du Yucca (désert de Californie) et le laboratoire de test de corrosion extérieur dans le sud de la Floride. Tous les cas ont des enregistreurs de données, souligne Bergen: «Nous prenons des données et des échantillons de matériel pour l'évaluation tous les trois mois. La température maximale enregistrée dans les boîtes en Floride et en Californie est de 140 ° F, ce qui est bon pour la plupart des résines de restauration. C'est un vrai défi. De plus, Gougeon Brothers a testé en interne la nouvelle résine époxy pure nouvellement développée. "Les échantillons qui ont été placés dans un four à 120 ° F pendant plusieurs mois commencent à polymériser", a déclaré Bergen. "Cependant, pour les échantillons correspondants conservés à 110 ° F, la chimie de la résine ne s'est améliorée que d'une petite quantité."
La réparation a été vérifiée sur la carte d'essai et ce modèle d'échelle d'AMCB, qui a utilisé le même matériau stratifié et central que le pont d'origine 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. "Dans la première phase du projet, nous avons initialement utilisé des poutres à petite échelle de 4 x 48 pouces et des tests de flexion en quatre points pour évaluer la faisabilité de notre processus de réparation", a déclaré Klein. «Ensuite, nous sommes passés à des panneaux de 12 x 48 pouces dans la deuxième phase du projet, appliqués les charges pour générer un état de contrainte biaxiale pour provoquer une défaillance, puis évalué les performances de réparation. Dans la deuxième phase, nous avons également terminé le modèle AMCB que nous avons construit la maintenance. »
Bergen a déclaré que le panneau de test utilisé pour prouver que les performances de réparation ont été fabriquées en utilisant la même lignée de laminate . C'est le cas. La méthode, ainsi que les éléments supplémentaires de la théorie du faisceau et de la théorie classique du stratifié [CLT], ont été utilisés pour relier le moment d'inertie et une rigidité efficace de l'AMCB à grande échelle avec un produit de démonstration de plus petite taille qui est plus facile à gérer et plus rentable. Ensuite, nous, le modèle d'analyse par éléments finis [FEA], développé par Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) a été utilisé pour améliorer la conception des réparations structurelles. » Le tissu en fibre de carbone utilisé pour les panneaux de test et le modèle AMCB ont été achetés auprès de VectorPly, et le noyau Balsa a été fabriqué par des composites de noyau (Bristol, RI, US).
Étape 1. Ce panneau de test affiche un diamètre de trou de 3 pouces pour simuler les dommages marqués au centre et réparez la circonférence. Source photo pour toutes les étapes: Custom Technologies LLC.
Étape 2. Utilisez un broyeur manuel alimenté par batterie pour retirer le matériau endommagé et enfermer le patch de réparation avec un conique 12: 1.
"Nous voulons simuler un degré plus élevé de dégâts sur la carte d'essai que ce qui pourrait être vu sur le pont de pont sur le terrain", a expliqué Bergen. «Notre méthode consiste donc à utiliser une scie à trou pour faire un trou de 3 pouces de diamètre. Ensuite, nous retirons le bouchon du matériau endommagé et utilisons un broyeur pneumatique à main pour traiter une écharpe 12: 1. »
Crane a expliqué que pour la réparation en fibre de carbone / époxy, une fois le matériau du panneau «endommagé» retiré et qu'un écharpe approprié est appliqué, le préreg sera coupé à la largeur et à la longueur pour correspondre au conicité de la zone endommagée. «Pour notre panneau d'essai, cela nécessite quatre couches de prereg pour maintenir le matériau de réparation cohérent avec le haut du panneau de carbone intactif d'origine. Après cela, les trois couches couvrant le carbone / époxy prereg sont concentrées sur cela sur la partie réparée. Chaque couche successive s'étend sur 1 pouce de tous les côtés de la couche inférieure, qui fournit un transfert de charge progressif du «bon» matériau environnant à la zone réparée. » Le temps total pour effectuer cette réparation, y compris la préparation de la zone de réparation, la coupe et la mise en place du matériau de restauration et l'application de la procédure de durcissement, à environ 2,5 heures.
Pour la fibre de carbone / époxy prereg, la zone de réparation est emballée sous vide et durcie à 210 ° F / 99 ° C pendant une heure à l'aide d'une bonde thermique alimentée par batterie.
Bien que la réparation du carbone / époxy soit simple et rapide, l'équipe a reconnu la nécessité d'une solution plus pratique pour restaurer les performances. Cela a conduit à l'exploration des préimpressions ultraviolets (UV). "L'intérêt pour les résines de Sunrez vinyle Ester est basé sur une expérience navale précédente avec le fondateur de l'entreprise Mark Livesay", a expliqué Bergen. «Nous avons d'abord fourni à Sunrez un tissu en verre quasi-isotrope, en utilisant leur préreg de l'ester en vinyle et évalué la courbe de durcissement dans différentes conditions. De plus, parce que nous savons que la résine ester vinyle n'est pas comme une résine époxy qui offre des performances d'adhésion secondaire appropriées, des efforts supplémentaires sont donc nécessaires pour évaluer divers agents de couplage de couche adhésif et déterminer lequel convient à l'application. »
Un autre problème est que les fibres de verre ne peuvent pas fournir les mêmes propriétés mécaniques que les fibres de carbone. "Par rapport au patch en carbone / époxy, ce problème est résolu en utilisant une couche supplémentaire d'ester en verre / vinyle", a déclaré Crane. "La raison pour laquelle une seule couche supplémentaire est nécessaire est que le matériau en verre est un tissu plus lourd." Cela produit un patch approprié qui peut être appliqué et combiné en six minutes, même à des températures en champ intérieur très froides / glaciales. Durcissement sans fournir de la chaleur. Crane a souligné que ces travaux de réparation peuvent être achevés en une heure.
Les deux systèmes de patch ont été démontrés et testés. Pour chaque réparation, la zone à endommager est marquée (étape 1), créée avec une scie à trou, puis retirée à l'aide d'un broyeur manuel alimenté par batterie (étape 2). Coupez ensuite la zone réparée en un cône de 12: 1. Nettoyez la surface de l'écharpe avec un tampon d'alcool (étape 3). Ensuite, coupez le patch de réparation à une certaine taille, placez-le sur la surface nettoyée (étape 4) et consolidez-la avec un rouleau pour éliminer les bulles d'air. Pour les fibres de verre / uv en vinyle d'ester en vinyle, puis placez la couche de libération sur la zone réparée et guérissez le patch avec une lampe UV sans fil pendant six minutes (étape 5). Pour la fibre de carbone / époxy Prégré, utilisez un bonder thermique à un bouton préprogrammé à un bouton et alimenté par batterie dans l'aspirateur et guérir la zone réparée à 210 ° F / 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 guérir le patch pendant 6 minutes.
"Ensuite, nous avons effectué des tests pour évaluer l'adhésivité du patch et sa capacité à restaurer la capacité porteuse de la structure", a déclaré Bergen. «Dans la première étape, nous devons prouver la facilité d'application et la capacité de récupérer au moins 75% de la force. Cela se fait par flexion à quatre points sur une résine en fibre de carbone / époxy de 4 x 48 pouces et un faisceau de noyau Balsa après avoir réparé les dommages simulés. Oui. La deuxième phase du projet a utilisé un panneau de 12 x 48 pouces et doit présenter plus de 90% d'exigences de résistance sous des charges de déformation complexes. Nous avons satisfait à toutes ces exigences, puis photographié les méthodes de réparation sur le modèle AMCB. Comment utiliser la technologie et l'équipement sur le terrain pour fournir une référence visuelle. »
Un aspect clé du projet est de prouver que les novices peuvent facilement terminer la réparation. Pour cette raison, Bergen a eu une idée: «J'ai promis de démontrer à nos deux contacts techniques dans l'armée: le Dr Bernard Sia et Ashley Genna. Dans l'examen final de la première phase du projet, je n'ai demandé aucune réparation. Ashley expérimenté a effectué la réparation. En utilisant le kit et le manuel que nous avons fourni, elle a appliqué le patch et a terminé la réparation sans aucun problème. »
Figure 2 La machine de liaison thermique alimentée à batterie alimentée par batterie peut guérir le patch de réparation en fibre de carbone / époxy à la poussée d'un bouton, sans avoir besoin de connaissances de réparation ou de programmation du cycle de durcissement. Source de l'image: Custom Technologies, LLC
Un autre développement clé est le système de durcissement alimenté par batterie (figure 2). "Grâce à l'entretien des champs intérieurs, vous n'avez que de l'énergie de la batterie", a souligné Bergen. «Tout l'équipement de processus dans le kit de réparation que nous avons développé est sans fil.» Cela comprend la liaison thermique alimentée par batterie développée conjointement par des technologies personnalisées et un fournisseur de machines de liaison thermique Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). "Ce bonder thermique alimenté par batterie est préprogrammé pour terminer le durcissement, donc les novices n'ont pas besoin de programmer le cycle de durcissement", a déclaré Crane. "Ils ont juste besoin d'appuyer sur un bouton pour compléter la rampe appropriée et tremper." Les batteries actuellement utilisées peuvent durer un an avant de devoir être rechargées.
Avec l'achèvement de la deuxième phase du projet, Custom Technologies prépare des propositions d'amélioration de suivi et la collecte de lettres d'intérêt et de soutien. "Notre objectif est de mûrir cette technologie à TRL 8 et de la mettre sur le terrain", a déclaré Bergen. «Nous voyons également le potentiel d'applications non militaires.»
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Heure du poste: Sep-02-2021