تتيح المجموعة سهلة الاستخدام إمكانية إصلاح الهياكل المركبة في الموقع | عالم المركبات

يمكن إصلاح المجموعة المحمولة باستخدام الألياف الزجاجية/استر الفينيل القابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية أو ألياف الكربون/الإيبوكسي المُخزنة في درجة حرارة الغرفة ومعدات المعالجة التي تعمل بالبطارية. #التصنيع الداخلي #البنية التحتية
إصلاح رقعة التقوية المسبقة القابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية على الرغم من أن إصلاح التقوية المسبقة بألياف الكربون/الإيبوكسي الذي طورته شركة Custom Technologies LLC للجسر المركب الداخلي أثبت أنه بسيط وسريع، إلا أن استخدام راتنجات فينيل إستر الفينيل القابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية والمقوى بالألياف الزجاجية قد طور نظامًا أكثر ملاءمة . مصدر الصورة: شركة Custom Technologies LLC
تعد الجسور المعيارية القابلة للنشر أصولًا بالغة الأهمية للعمليات التكتيكية العسكرية والخدمات اللوجستية، فضلاً عن استعادة البنية التحتية للنقل أثناء الكوارث الطبيعية. ويتم دراسة الهياكل المركبة لتقليل وزن هذه الجسور، وبالتالي تقليل العبء على مركبات النقل وآليات الإنطلاق والاسترداد. بالمقارنة مع الجسور المعدنية، تتمتع المواد المركبة أيضًا بالقدرة على زيادة القدرة على التحمل وإطالة عمر الخدمة.
يعد الجسر المركب المعياري المتقدم (AMCB) مثالاً على ذلك. تستخدم شركة Seemann Composites LLC (جلفبورت، ميسيسيبي، الولايات المتحدة) وشركة Materials Sciences LLC (هورشام، بنسلفانيا، الولايات المتحدة) شرائح الإيبوكسي المقواة بألياف الكربون (الشكل 1). ) التصميم والبناء). ومع ذلك، فإن القدرة على إصلاح مثل هذه الهياكل في الميدان كانت مشكلة تعيق اعتماد المواد المركبة.
الشكل 1: الجسر المركب، الأصل الرئيسي، تم تصميم وبناء الجسر المركب المعياري المتقدم (AMCB) من قبل شركة Seemann Composites LLC وMaterials Sciences LLC باستخدام مركبات راتنجات الإيبوكسي المقواة بألياف الكربون. مصدر الصورة: Seeman Composites LLC (يسار) والجيش الأمريكي (يمين).
في عام 2016، حصلت شركة Custom Technologies LLC (ميلرزفيل، ماريلاند، الولايات المتحدة) على منحة المرحلة الأولى لأبحاث ابتكار الأعمال الصغيرة (SBIR) الممولة من الجيش الأمريكي لتطوير طريقة إصلاح يمكن للجنود إجراؤها بنجاح في الموقع. وبناءً على هذا النهج، تم منح المرحلة الثانية من منحة SBIR في عام 2018 لعرض مواد جديدة ومعدات تعمل بالبطاريات، حتى إذا تم تنفيذ التصحيح بواسطة مبتدئ دون تدريب مسبق، فيمكن استعادة 90٪ أو أكثر من الهيكل الخام. قوة. يتم تحديد جدوى هذه التكنولوجيا من خلال إجراء سلسلة من التحليلات واختيار المواد وتصنيع العينات ومهام الاختبار الميكانيكي، بالإضافة إلى الإصلاحات الصغيرة والكاملة النطاق.
الباحث الرئيسي في مرحلتي SBIR هو مايكل بيرغن، مؤسس ورئيس شركة Custom Technologies LLC. تقاعد بيرغن من كارديروك في مركز الحرب السطحية البحرية (NSWC) وعمل في قسم الهياكل والمواد لمدة 27 عامًا، حيث أدار تطوير وتطبيق التقنيات المركبة في أسطول البحرية الأمريكية. انضم الدكتور روجر كرين إلى شركة Custom Technologies في عام 2015 بعد تقاعده من البحرية الأمريكية في عام 2011 وعمل فيها لمدة 32 عامًا. تشمل خبرته في المواد المركبة المنشورات الفنية وبراءات الاختراع، التي تغطي موضوعات مثل المواد المركبة الجديدة، وتصنيع النماذج الأولية، وطرق الاتصال، والمواد المركبة متعددة الوظائف، ومراقبة الصحة الهيكلية، وترميم المواد المركبة.
قام الخبيران بتطوير عملية فريدة تستخدم مواد مركبة لإصلاح الشقوق في البنية الفوقية المصنوعة من الألومنيوم لطراد الصواريخ الموجهة من طراز Ticonderoga CG-47 فئة 5456. "تم تطوير العملية لتقليل نمو الشقوق ولتكون بمثابة بديل اقتصادي قال بيرغن: "لاستبدال لوحة المنصة بمبلغ يتراوح بين 2 إلى 4 ملايين دولار". "لذلك أثبتنا أننا نعرف كيفية إجراء الإصلاحات خارج المختبر وفي بيئة خدمة حقيقية. لكن التحدي يكمن في أن أساليب الأصول العسكرية الحالية ليست ناجحة للغاية. الخيار هو الإصلاح المزدوج المستعبد [بشكل أساسي في المناطق المتضررة، قم بلصق لوحة في الأعلى] أو قم بإزالة الأصل من الخدمة لإجراء إصلاحات على مستوى المستودع (المستوى D). ونظرًا لأن الإصلاحات على المستوى D مطلوبة، فقد تم وضع العديد من الأصول جانبًا.
ومضى يقول إن المطلوب هو طريقة يمكن أن يقوم بها جنود ليس لديهم خبرة في المواد المركبة، وذلك باستخدام مجموعات وأدلة الصيانة فقط. هدفنا هو تبسيط العملية: اقرأ الدليل، وقم بتقييم الضرر وإجراء الإصلاحات. نحن لا نريد خلط الراتنجات السائلة، لأن هذا يتطلب قياسًا دقيقًا لضمان الشفاء التام. نحتاج أيضًا إلى نظام خالٍ من النفايات الخطرة بعد اكتمال الإصلاحات. ويجب تعبئتها كمجموعة يمكن نشرها بواسطة الشبكة الحالية. "
أحد الحلول التي أثبتتها Custom Technologies بنجاح هو مجموعة أدوات محمولة تستخدم مادة لاصقة إيبوكسي مقواة لتخصيص الرقعة المركبة اللاصقة وفقًا لحجم الضرر (حتى 12 بوصة مربعة). تم الانتهاء من العرض التوضيحي على مادة مركبة تمثل سطح AMCB بسمك 3 بوصات. تحتوي المادة المركبة على نواة من خشب البلسا بسمك 3 بوصات (كثافة 15 رطلاً لكل قدم مكعب) وطبقتين من ألياف الكربون Vectorply (فينيكس، أريزونا، الولايات المتحدة) C -LT 1100 0 درجة/90 درجة، وطبقة واحدة من C-TLX 1900 ألياف الكربون 0°/+45°/-45° ثلاثة أعمدة وطبقتين من C-LT 1100، إجمالي خمس طبقات. وقال كرين: "لقد قررنا أن المجموعة ستستخدم رقعًا جاهزة الصنع في صفائح شبه متناحية تشبه المحاور المتعددة بحيث لا يمثل اتجاه القماش مشكلة".
المشكلة التالية هي مصفوفة الراتنج المستخدمة لإصلاح الصفائح. من أجل تجنب خلط الراتنج السائل، سوف تستخدم الرقعة التقوية المسبقة. وأوضح بيرجن: "ومع ذلك، فإن هذه التحديات تتعلق بالتخزين". لتطوير حل تصحيحي قابل للتخزين، عقدت Custom Technologies شراكة مع شركة Sunrez Corp. (إل كاجون، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية) لتطوير مادة مسبقة من الألياف الزجاجية/إستر الفينيل يمكنها استخدام الضوء فوق البنفسجي (UV) في ست دقائق من المعالجة الضوئية. كما تعاونت أيضًا مع شركة Gougeon Brothers (باي سيتي، ميشيغان، الولايات المتحدة الأمريكية)، التي اقترحت استخدام فيلم إيبوكسي مرن جديد.
أظهرت الدراسات المبكرة أن راتنجات الإيبوكسي هي الراتينج الأكثر ملاءمة لألياف الكربون المسبقة - إستر الفينيل القابل للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية والألياف الزجاجية الشفافة تعمل بشكل جيد، ولكنها لا تعالج تحت ألياف الكربون التي تحجب الضوء. استنادًا إلى فيلم Gougeon Brothers الجديد، تتم معالجة مادة الإيبوكسي التمهيدية النهائية لمدة ساعة واحدة عند درجة حرارة 210 درجة فهرنهايت/99 درجة مئوية ولها عمر افتراضي طويل في درجة حرارة الغرفة - دون الحاجة إلى تخزين في درجة حرارة منخفضة. وقال بيرغن إنه إذا كانت هناك حاجة إلى درجة حرارة تزجج أعلى (Tg)، فسيتم معالجة الراتينج أيضًا عند درجة حرارة أعلى، مثل 350 درجة فهرنهايت / 177 درجة مئوية. يتم توفير كل من أدوات التقوية المسبقة في مجموعة إصلاح محمولة كمجموعة من رقع التقوية المسبقة مختومة في غلاف بلاستيكي.
نظرًا لاحتمال تخزين مجموعة الإصلاح لفترة طويلة، يتعين على Custom Technologies إجراء دراسة مدة الصلاحية. وقال بيرجن: "لقد اشترينا أربع حاويات بلاستيكية صلبة - وهو نوع عسكري نموذجي يستخدم في معدات النقل - ووضعنا عينات من مادة لاصقة الإيبوكسي ومادة الفينيل إستر في كل حاوية". تم بعد ذلك وضع الصناديق في أربعة مواقع مختلفة للاختبار: سطح مصنع Gougeon Brothers في ميشيغان، وسقف مطار ميريلاند، والمنشأة الخارجية في وادي يوكا (صحراء كاليفورنيا)، ومختبر اختبار التآكل الخارجي في جنوب فلوريدا. ويشير بيرغن إلى أن جميع الحالات لديها مسجلات بيانات، “نحن نأخذ عينات من البيانات والمواد للتقييم كل ثلاثة أشهر. تبلغ درجة الحرارة القصوى المسجلة في الصناديق في فلوريدا وكاليفورنيا 140 درجة فهرنهايت، وهو أمر جيد بالنسبة لمعظم راتنجات الترميم. إنه تحدي حقيقي." بالإضافة إلى ذلك، قامت شركة Gougeon Brothers باختبار راتنجات الإيبوكسي النقية المطورة حديثًا داخليًا. وقال بيرجن: "العينات التي تم وضعها في الفرن على درجة حرارة 120 درجة فهرنهايت لعدة أشهر تبدأ في البلمرة". "ومع ذلك، بالنسبة للعينات المقابلة التي تم حفظها عند درجة حرارة 110 درجة فهرنهايت، تحسنت كيمياء الراتنج بمقدار صغير فقط."
تم التحقق من الإصلاح على لوحة الاختبار وهذا النموذج المصغر من AMCB، والذي استخدم نفس المواد الصفائحية والأساسية مثل الجسر الأصلي الذي بنته شركة Seemann Composites. مصدر الصورة: شركة Custom Technologies LLC
من أجل توضيح تقنية الإصلاح، يجب تصنيع صفائح تمثيلية وإتلافها وإصلاحها. وقال كلاين: "في المرحلة الأولى من المشروع، استخدمنا في البداية عوارض صغيرة مقاس 4 × 48 بوصة واختبارات ثني من أربع نقاط لتقييم جدوى عملية الإصلاح لدينا". "بعد ذلك، انتقلنا إلى لوحات مقاس 12 × 48 بوصة في المرحلة الثانية من المشروع، وقمنا بتطبيق الأحمال لتوليد حالة ضغط ثنائية المحور للتسبب في الفشل، ثم قمنا بتقييم أداء الإصلاح. وفي المرحلة الثانية، أكملنا أيضًا صيانة نموذج AMCB الذي بنيناه.
وقال بيرجن إن لوحة الاختبار المستخدمة لإثبات أداء الإصلاح تم تصنيعها باستخدام نفس نسب الصفائح والمواد الأساسية مثل AMCB المصنعة من قبل شركة Seemann Composites، "لكننا قمنا بتقليل سمك اللوحة من 0.375 بوصة إلى 0.175 بوصة، بناءً على نظرية المحور المتوازي". . هذا هو الحال. تم استخدام هذه الطريقة، جنبًا إلى جنب مع العناصر الإضافية لنظرية الشعاع ونظرية الصفائح الكلاسيكية [CLT]، لربط لحظة القصور الذاتي والصلابة الفعالة لـ AMCB واسع النطاق مع منتج تجريبي أصغر حجمًا يسهل التعامل معه وأكثر. فعالة من حيث التكلفة. بعد ذلك، تم استخدام نموذج تحليل العناصر المحدودة [FEA] الذي طورته شركة XCraft Inc. (بوسطن، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية) لتحسين تصميم الإصلاحات الهيكلية. تم شراء نسيج ألياف الكربون المستخدم في لوحات الاختبار ونموذج AMCB من Vectorply، وتم تصنيع قلب البلسا بواسطة Core Composites (Bristol، RI، US).
الخطوة 1. تعرض لوحة الاختبار هذه ثقبًا بقطر 3 بوصات لمحاكاة الضرر المحدد في المنتصف وإصلاح المحيط. مصدر الصورة لجميع الخطوات: Custom Technologies LLC.
الخطوة 2. استخدم مطحنة يدوية تعمل بالبطارية لإزالة المواد التالفة وإحاطة رقعة الإصلاح باستدقاق 12:1.
وأوضح بيرغن: "نريد محاكاة درجة أعلى من الضرر على لوحة الاختبار مما يمكن رؤيته على سطح الجسر في الميدان". "لذا فإن طريقتنا هي استخدام منشار ثقب لعمل ثقب بقطر 3 بوصات. بعد ذلك، نقوم بسحب قابس المادة التالفة ونستخدم مطحنة هوائية يدوية لمعالجة وشاح بنسبة 12:1.
أوضح كرين أنه بالنسبة لإصلاح ألياف الكربون/الإيبوكسي، بمجرد إزالة مادة اللوحة "التالفة" ووضع وشاح مناسب، سيتم قطع التقوية المسبقة بالعرض والطول لتتناسب مع استدقاق المنطقة المتضررة. "بالنسبة إلى لوحة الاختبار الخاصة بنا، يتطلب هذا أربع طبقات من التقوية المسبقة للحفاظ على تناسق مادة الإصلاح مع الجزء العلوي من لوحة الكربون الأصلية غير التالفة. بعد ذلك، يتم تركيز طبقات التغطية الثلاث من الكربون/الإيبوكسي على هذا الجزء الذي تم إصلاحه. وتمتد كل طبقة متتالية بمقدار بوصة واحدة على جميع جوانب الطبقة السفلية، مما يوفر نقلًا تدريجيًا للحمل من المواد المحيطة "الجيدة" إلى المنطقة التي تم إصلاحها. الوقت الإجمالي لإجراء هذا الإصلاح - بما في ذلك إعداد منطقة الإصلاح، وقطع مواد الترميم ووضعها وتطبيق إجراء المعالجة - حوالي 2.5 ساعة.
بالنسبة للألياف الكربونية/الإيبوكسي، يتم تعبئة منطقة الإصلاح بالتفريغ ومعالجتها عند درجة حرارة 210 درجة فهرنهايت/99 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة باستخدام رابط حراري يعمل بالبطارية.
على الرغم من أن إصلاح الكربون/الإيبوكسي بسيط وسريع، فقد أدرك الفريق الحاجة إلى حل أكثر ملاءمة لاستعادة الأداء. أدى هذا إلى استكشاف المواد المعالجة المسبقة بالأشعة فوق البنفسجية. وأوضح بيرغن أن "الاهتمام براتنجات فينيل إستر Sunrez يعتمد على الخبرة البحرية السابقة مع مؤسس الشركة مارك ليفساي". "لقد قمنا أولاً بتزويد Sunrez بنسيج زجاجي شبه متناحي، باستخدام مادة الفينيل إستر المسبقة الخاصة بها، وقمنا بتقييم منحنى المعالجة في ظل ظروف مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، لأننا نعلم أن راتنجات فينيل إستر ليست مثل راتنجات الإيبوكسي التي توفر أداء التصاق ثانوي مناسب، لذلك يلزم بذل جهود إضافية لتقييم عوامل اقتران الطبقة اللاصقة المختلفة وتحديد أي منها مناسب للتطبيق.
هناك مشكلة أخرى وهي أن الألياف الزجاجية لا يمكنها توفير نفس الخواص الميكانيكية التي توفرها ألياف الكربون. قال كرين: "بالمقارنة مع رقعة الكربون/الإيبوكسي، يتم حل هذه المشكلة باستخدام طبقة إضافية من الزجاج/استر الفينيل". "السبب وراء الحاجة إلى طبقة إضافية واحدة فقط هو أن المادة الزجاجية عبارة عن قماش أثقل." ينتج عن ذلك رقعة مناسبة يمكن تطبيقها ودمجها خلال ست دقائق حتى في درجات الحرارة شديدة البرودة/التجمد. علاج دون توفير الحرارة. وأشار كرين إلى أنه يمكن الانتهاء من أعمال الإصلاح هذه خلال ساعة.
لقد تم عرض واختبار كلا نظامي التصحيح. لكل إصلاح، يتم تحديد المنطقة المراد تلفها (الخطوة 1)، ويتم إنشاؤها باستخدام منشار ثقب، ثم يتم إزالتها باستخدام مطحنة يدوية تعمل بالبطارية (الخطوة 2). ثم قم بقطع المنطقة التي تم إصلاحها إلى شكل مستدق بنسبة 12:1. نظف سطح الوشاح باستخدام ضمادة كحول (الخطوة 3). بعد ذلك، قم بقطع رقعة الإصلاح إلى حجم معين، ثم ضعها على السطح المنظف (الخطوة 4) وقم بدمجها باستخدام الأسطوانة لإزالة فقاعات الهواء. بالنسبة للألياف الزجاجية/الفينيل إستر المعالج بالأشعة فوق البنفسجية، ضع طبقة التحرير على المنطقة التي تم إصلاحها وعالج الرقعة باستخدام مصباح الأشعة فوق البنفسجية اللاسلكي لمدة ست دقائق (الخطوة 5). بالنسبة للألياف الكربونية/الإيبوكسي المسبقة التقوية، استخدم رابطًا حراريًا مبرمجًا مسبقًا بزر واحد يعمل بالبطارية لتعبئة الفراغ وعلاج المنطقة التي تم إصلاحها عند درجة حرارة 210 درجة فهرنهايت/99 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة.
الخطوة 5. بعد وضع طبقة التقشير على المنطقة التي تم إصلاحها، استخدم مصباح الأشعة فوق البنفسجية اللاسلكي لعلاج الرقعة لمدة 6 دقائق.
وقال بيرجن: "ثم أجرينا اختبارات لتقييم مدى التصاق الرقعة وقدرتها على استعادة قدرة الهيكل على التحمل". "في المرحلة الأولى، نحتاج إلى إثبات سهولة التطبيق والقدرة على استعادة ما لا يقل عن 75٪ من القوة. يتم ذلك عن طريق ثني أربع نقاط على ألياف الكربون / راتنجات الإيبوكسي مقاس 4 × 48 بوصة وشعاع البلسا الأساسي بعد إصلاح الضرر المحاكى. نعم. استخدمت المرحلة الثانية من المشروع لوحة مقاس 12 × 48 بوصة، ويجب أن تظهر متطلبات قوة تزيد عن 90% في ظل أحمال الضغط المعقدة. لقد استوفينا كل هذه المتطلبات، ثم قمنا بتصوير طرق الإصلاح على طراز AMCB. كيفية استخدام التكنولوجيا والمعدات الميدانية لتوفير مرجع مرئي.
أحد الجوانب الرئيسية للمشروع هو إثبات أن المبتدئين يمكنهم إكمال عملية الإصلاح بسهولة. لهذا السبب، خطرت لبيرجن فكرة: "لقد وعدت أن أعرضها على اثنين من جهات الاتصال الفنية لدينا في الجيش: الدكتور برنارد سيا وآشلي جينا. في المراجعة النهائية للمرحلة الأولى من المشروع، لم أطلب أي إصلاحات. أجرى آشلي ذو الخبرة عملية الإصلاح. وباستخدام المجموعة والدليل الذي قدمناه، قامت بتطبيق التصحيح وأكملت الإصلاح دون أي مشاكل.
الشكل 2 يمكن لآلة الربط الحراري المبرمجة مسبقًا والتي تعمل بالبطارية والتي تعمل بالبطارية معالجة رقعة إصلاح ألياف الكربون/الإيبوكسي بضغطة زر واحدة، دون الحاجة إلى معرفة الإصلاح أو برمجة دورة المعالجة. مصدر الصورة: Custom Technologies، LLC
التطور الرئيسي الآخر هو نظام المعالجة الذي يعمل بالبطارية (الشكل 2). وأشار بيرغن إلى أنه "من خلال الصيانة الميدانية، لن يكون لديك سوى طاقة البطارية". "جميع معدات المعالجة الموجودة في مجموعة الإصلاح التي قمنا بتطويرها هي أجهزة لاسلكية." يتضمن ذلك الترابط الحراري الذي يعمل بالبطارية والذي تم تطويره بشكل مشترك من قبل شركة Custom Technologies ومورد آلات الترابط الحراري WichiTech Industries Inc. (راندالستاون، ميريلاند، الولايات المتحدة الأمريكية). وقال كرين: "إن هذا الرابط الحراري الذي يعمل بالبطارية مبرمج مسبقًا لإكمال المعالجة، لذلك لا يحتاج المبتدئون إلى برمجة دورة المعالجة". "إنهم يحتاجون فقط إلى الضغط على زر لإكمال المنحدر المناسب والنقع." يمكن أن تستمر البطاريات المستخدمة حاليًا لمدة عام قبل أن تحتاج إلى إعادة شحنها.
ومع اكتمال المرحلة الثانية من المشروع، تقوم Custom Technologies بإعداد مقترحات تحسين المتابعة وجمع خطابات الاهتمام والدعم. وقال بيرجن: "هدفنا هو تطوير هذه التكنولوجيا إلى TRL 8 وإحضارها إلى الميدان". "نحن نرى أيضًا إمكانية التطبيقات غير العسكرية."
يشرح الفن القديم وراء أول تقوية للألياف في الصناعة، ويتمتع بفهم متعمق لعلوم الألياف الجديدة والتطوير المستقبلي.
ستتوفر طائرة 787 قريبًا وتطير لأول مرة، وتعتمد على الابتكارات في المواد والعمليات المركبة لتحقيق أهدافها