Le kit portable peut être réparé avec un préimprégné de fibre de verre/vinylester durcissable aux UV ou de fibre de carbone/époxy stocké à température ambiante et un équipement de durcissement alimenté par batterie. #à l'intérieur de la fabrication #infrastructure
Réparation de patch préimprégné durcissable aux UV Bien que la réparation de préimprégné en fibre de carbone/époxy développée par Custom Technologies LLC pour le pont composite intérieur s'est avérée simple et rapide, l'utilisation de résine ester vinylique 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 militaires tactiques et logistiques, 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, réduisant ainsi la charge sur les véhicules de transport et les mécanismes de lancement-récupération. Par rapport aux ponts métalliques, les matériaux composites ont 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, PA, États-Unis) utilisent des stratifiés époxy renforcés de fibres de carbone (Figure 1). ) Conception et construction). Cependant, la capacité de réparer de telles structures sur le terrain constitue un problème qui entrave l’adoption des matériaux composites.
Figure 1 Pont composite, atout clé sur le terrain Le pont composite modulaire avancé (AMCB) a été conçu et construit par Seemann Composites LLC et Materials Sciences LLC à l'aide de composites de résine époxy renforcée de 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 Small Business Innovation Research (SBIR) financée par l'armée américaine pour développer une méthode de réparation pouvant être effectuée avec succès sur site par des 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 le patch est réalisé par un novice sans formation préalable, 90 % ou plus de la structure peut être restaurée brute. force. La faisabilité de la technologie est déterminée en effectuant une série de tâches d'analyse, de sélection de matériaux, de fabrication d'échantillons et d'essais mécaniques, ainsi que de réparations à petite et à 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 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 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 de connexion, 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 qui utilise des matériaux composites pour réparer les fissures dans la superstructure en aluminium du croiseur lance-missiles de classe Ticonderoga CG-47 5456. « Le procédé a été développé pour réduire la croissance des fissures et servir d'alternative économique. au remplacement d'un conseil d'administration de 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 environnement de service réel. Mais le défi réside dans le fait que les méthodes actuelles en matière de moyens militaires ne sont pas très efficaces. L'option est la réparation duplex collée [essentiellement dans les zones endommagées, coller une planche sur le dessus] ou retirer l'actif du service pour les réparations au niveau de l'entrepôt (niveau D). Parce que des réparations de niveau D sont nécessaires, de nombreux actifs sont mis de côté.
Il a ajouté qu'il fallait une méthode qui puisse être appliquée par des soldats sans expérience dans les matériaux composites, en 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 souhaitons pas mélanger des résines liquides, car cela nécessite des mesures précises pour garantir un durcissement complet. Nous avons également besoin d’un système sans déchets dangereux une fois les réparations terminées. Et il doit être présenté sous forme de kit pouvant être déployé par le réseau existant. »
Une solution démontrée avec succès par Custom Technologies est un kit portable qui utilise un adhésif époxy renforcé pour personnaliser le patch composite adhésif en fonction de la taille du dommage (jusqu'à 12 pouces carrés). La démonstration a été réalisée sur un matériau composite représentant un pont AMCB de 3 pouces d'épaisseur. Le matériau composite a un noyau en bois de balsa de 3 pouces d'épaisseur (densité de 15 livres par pied cube) et deux couches de tissu cousu biaxial Vectorply (Phoenix, Arizona, États-Unis) C -LT 1100 en fibre de carbone 0°/90°, une couche de Fibre de carbone C-TLX 1900 0°/+45°/-45° trois tiges et deux couches de C-LT 1100, un total de cinq couches. "Nous avons décidé que le kit utiliserait des patchs 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 concerne la matrice de résine utilisée pour la réparation du stratifié. Afin d'éviter de mélanger de la résine liquide, le patch utilisera du préimprégné. "Cependant, ces défis concernent le stockage", a expliqué 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 de fibre de verre/ester vinylique capable d'utiliser la lumière ultraviolette (UV) en six minutes de photopolymérisation. Elle a également collaboré avec Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), qui a proposé l'utilisation d'un nouveau film époxy flexible.
Les premières études ont montré que la résine époxy est la résine la plus appropriée pour les préimprégnés de fibre de carbone. L'ester vinylique durcissable aux UV et la fibre de verre translucide fonctionnent bien, mais ne durcissent pas sous la fibre de carbone bloquant la lumière. Basé sur le nouveau film de Gougeon Brothers, le préimprégné époxy final est durci pendant 1 heure à 210°F/99°C et a une longue durée de conservation à température ambiante - pas besoin de stockage à basse température. Bergen a déclaré que si une température de transition vitreuse (Tg) plus élevée est requise, la résine sera également durcie à une température plus élevée, telle que 350°F/177°C. Les deux préimprégnés sont fournis dans un kit de réparation portable sous la forme d'une pile de patchs préimprégnés scellés dans une enveloppe en film plastique.
Le kit de réparation pouvant être stocké pendant une longue période, Custom Technologies doit réaliser une étude de durée de conservation. "Nous avons acheté quatre boîtiers en plastique dur - un type militaire typique utilisé dans les équipements de transport - et avons placé des échantillons d'adhésif époxy et de préimprégné d'ester vinylique dans chaque boîtier", a déclaré Bergen. Les boîtes ont ensuite été placées dans quatre endroits différents pour être testées : 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 cas sont équipés d'enregistreurs de données, souligne Bergen : « Nous prélevons des échantillons de données et de matériaux pour 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 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 légèrement."
La réparation a été vérifiée sur la planche de test et sur ce modèle réduit de l'AMCB, qui utilisait le même matériau de stratifié et de noyau 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, avons appliqué des charges pour générer un état de contrainte biaxiale susceptible de provoquer une défaillance, puis avons évalué les performances de réparation. Dans la deuxième phase, nous avons également complété le modèle AMCB que nous avons construit pour la maintenance.
Bergen a déclaré que le panneau de test utilisé pour prouver les performances de réparation a été fabriqué en utilisant la même lignée de stratifiés et de matériaux de base que l'AMCB fabriqué par Seemann Composites, "mais nous avons réduit l'épaisseur du panneau de 0,375 pouces à 0,175 pouces, sur la base du théorème des axes parallèles. . C'est le cas. La méthode, ainsi que les éléments supplémentaires de la théorie des poutres et de la théorie classique des stratifiés [CLT], ont été utilisées 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 efficace. 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 de test et le modèle AMCB a été acheté auprès de Vectorply, et le noyau en balsa a été fabriqué par Core Composites (Bristol, RI, États-Unis).
Étape 1. Ce panneau de test affiche un diamètre de trou de 3 pouces pour simuler les dommages marqués au centre et réparer la circonférence. Source photo pour toutes les étapes : Custom Technologies LLC.
Étape 2. Utilisez une meuleuse manuelle alimentée par batterie pour retirer le matériau endommagé et enfermez la pièce de réparation avec un cône 12:1.
"Nous voulons simuler un degré de dommage plus élevé sur la planche d'essai que ce qui pourrait être observé sur le tablier du pont sur le terrain", a expliqué Bergen. « Notre méthode consiste donc à utiliser une scie cloche pour faire un trou de 3 pouces de diamètre. Ensuite, nous retirons le bouchon du matériau endommagé et utilisons une meuleuse pneumatique portative 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 une écharpe appropriée appliquée, le préimprégné sera coupé à la largeur et à la longueur pour correspondre à la conicité de la zone endommagée. « Pour notre panneau de test, cela nécessite quatre couches de préimprégné pour maintenir le matériau de réparation cohérent avec le dessus du panneau de carbone d'origine non endommagé. Ensuite, les trois couches de revêtement de préimprégné carbone/époxy sont concentrées sur cette pièce réparée. Chaque couche successive s'étend sur 1 pouce de tous les côtés de la couche inférieure, ce qui assure un transfert de charge progressif du « bon » matériau environnant vers la zone réparée. Le temps total pour effectuer cette réparation, y compris la préparation de la zone de réparation, la découpe et la mise en place du matériau de restauration et l'application de la procédure de durcissement, est d'environ 2,5 heures.
Pour les préimprégnés 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 adhésif thermique 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. Cela a conduit à l’exploration des préimprégnés durcissant aux ultraviolets (UV). « L'intérêt porté aux résines vinylester Sunrez repose sur l'expérience navale antérieure du fondateur de la société, Mark Livesay », a expliqué Bergen. « Nous avons d'abord fourni à Sunrez un tissu de verre quasi-isotrope, en utilisant leur préimprégné en vinylester, et avons évalué la courbe de durcissement dans différentes conditions. De plus, comme nous savons que la résine vinylester n'est pas comme la résine époxy qui fournit des performances d'adhérence secondaire appropriées, des efforts supplémentaires sont donc nécessaires pour évaluer les différents agents de couplage de couche adhésive et déterminer lequel 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 au patch carbone/époxy, ce problème est résolu en utilisant une couche supplémentaire de verre/ester vinylique", 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 intérieures très froides/glaciales. Durcissement sans apport de chaleur. Crane a souligné que ces travaux de réparation peuvent être terminés en une heure.
Les deux systèmes de correctifs ont été démontrés et testés. Pour chaque réparation, la zone à endommager est marquée (étape 1), réalisée à la scie cloche, puis retirée à l'aide d'une meuleuse manuelle sur batterie (étape 2). Ensuite, coupez la zone réparée en un cône de 12 : 1. Nettoyez la surface du foulard avec un tampon imbibé d'alcool (étape 3). Ensuite, coupez la pièce de réparation à une certaine taille, placez-la sur la surface nettoyée (étape 4) et consolidez-la avec un rouleau pour éliminer les bulles d'air. Pour les préimprégnés de fibre de verre/ester vinylique durcissant aux UV, placez ensuite la couche antiadhésive sur la zone réparée et durcissez le patch avec une lampe UV sans fil pendant six minutes (étape 5). Pour les préimprégnés de fibre de carbone/époxy, utilisez un adhésif thermique préprogrammé à un bouton et alimenté par batterie pour emballer sous vide et durcir la zone réparée à 210°F/99°C pendant une heure.
Étape 5. Après avoir placé la couche de peeling sur la zone réparée, utilisez une lampe UV sans fil pour durcir le patch pendant 6 minutes.
"Ensuite, nous avons effectué des tests pour évaluer l'adhésivité du patch et sa capacité à restaurer la capacité portante de la structure", a déclaré Bergen. « Dans un premier temps, nous devons prouver la facilité d'application et la capacité de récupérer au moins 75 % de la résistance. Cela se fait par pliage en quatre points sur une poutre en fibre de carbone/résine époxy de 4 x 48 pouces et en 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 des exigences de résistance de plus de 90 % sous des charges de contrainte complexes. Nous avons répondu 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 effectuer la réparation. C'est pour cette raison que 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 l'examen final de la première phase du projet, je n'ai demandé aucune réparation. Ashley, expérimentée, a effectué la réparation. Grâce au kit et au manuel que nous lui avons fournis, elle a appliqué le patch et effectué la réparation sans aucun problème.
Figure 2 La machine de liaison thermique préprogrammée et alimentée par batterie peut durcir la pièce de réparation en fibre de carbone/époxy en appuyant simplement sur un bouton, sans avoir besoin de connaissances en réparation ou de programmation de cycle de durcissement. Source de l'image : Custom Technologies, LLC
Un autre développement clé est le système de polymérisation alimenté par batterie (Figure 2). "Grâce à la maintenance sur le terrain, vous ne disposez que de l'alimentation de la batterie", a souligné Bergen. "Tous les équipements de traitement du kit de réparation que nous avons développé sont sans fil." Cela inclut la liaison thermique alimentée par batterie développée conjointement par Custom Technologies et le fournisseur de machines de liaison thermique WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, États-Unis). "Cette colleuse thermique alimentée par batterie est préprogrammée pour terminer le durcissement, de sorte que les novices n'ont pas besoin de programmer le cycle de durcissement", a déclaré Crane. "Il leur suffit d'appuyer sur un bouton pour terminer la rampe et le trempage appropriés." 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 collecte des lettres d'intérêt et de soutien. "Notre objectif est de faire évoluer cette technologie jusqu'au 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 de publication : 02 septembre 2021