مجموعة سهلة الاستخدام تُمكّن من إصلاح الهياكل المركبة في الموقع | عالم المركبات

يمكن إصلاح المجموعة المحمولة باستخدام ألياف زجاجية/فينيل إستر قابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية أو ألياف كربون/إيبوكسي مسبقة التشريب مخزنة في درجة حرارة الغرفة ومعدات معالجة تعمل بالبطارية. #داخل_التصنيع #البنية_الأساسية
إصلاح رقعة مسبقة التشريب قابلة للتصلب بالأشعة فوق البنفسجية. على الرغم من أن إصلاح مسبق التشريب بألياف الكربون/الإيبوكسي، الذي طورته شركة Custom Technologies LLC للجسر المركب الداخلي، أثبت بساطته وسرعته، إلا أن استخدام راتنج إستر الفينيل المقوى بألياف الزجاج القابل للتصلب بالأشعة فوق البنفسجية قد طوّر نظامًا أكثر ملاءمة. مصدر الصورة: Custom Technologies LLC
تُعد الجسور المعيارية القابلة للنشر أصولاً بالغة الأهمية للعمليات التكتيكية واللوجستية العسكرية، بالإضافة إلى ترميم البنية التحتية للنقل أثناء الكوارث الطبيعية. ويجري حاليًا دراسة الهياكل المركبة لتقليل وزن هذه الجسور، مما يُخفف العبء على مركبات النقل وآليات الإطلاق والاستعادة. وبالمقارنة مع الجسور المعدنية، تتمتع المواد المركبة أيضًا بإمكانية زيادة قدرتها على تحمل الأحمال وإطالة عمرها الافتراضي.
جسر المركبات المعياري المتقدم (AMCB) مثال على ذلك. تستخدم شركتا Seemann Composites LLC (جولفبورت، ميسيسيبي، الولايات المتحدة الأمريكية) وMaterials Sciences LLC (هورشام، بنسلفانيا، الولايات المتحدة الأمريكية) صفائح إيبوكسي مقواة بألياف الكربون (الشكل 1). ومع ذلك، فإن القدرة على إصلاح هذه الهياكل ميدانيًا تُمثل عائقًا أمام اعتماد المواد المركبة.
الشكل 1: جسر مركب، ميزة أساسية في الملعب الداخلي. صُمم الجسر المركب المعياري المتقدم (AMCB) وبني بواسطة شركة Seemann Composites LLC وشركة Materials Sciences LLC باستخدام مركبات إيبوكسي مُقوّاة بألياف الكربون. مصدر الصورة: شركة Seemann Composites LLC (يسار) والجيش الأمريكي (يمين).
في عام ٢٠١٦، حصلت شركة Custom Technologies LLC (ميلرسفيل، ماريلاند، الولايات المتحدة الأمريكية) على منحة المرحلة الأولى من برنامج أبحاث ابتكار الأعمال الصغيرة (SBIR) بتمويل من الجيش الأمريكي، وذلك لتطوير طريقة إصلاح يُمكن للجنود إجراؤها بنجاح في الموقع. بناءً على هذا النهج، مُنحت المرحلة الثانية من منحة SBIR في عام ٢٠١٨ لعرض مواد جديدة ومعدات تعمل بالبطاريات. حتى لو قام مبتدئ بإجراء التصحيح دون تدريب مسبق، يُمكن استعادة ٩٠٪ أو أكثر من الهيكل إلى حالته الأصلية. تُحدد جدوى هذه التقنية من خلال إجراء سلسلة من التحليلات، واختيار المواد، وتصنيع العينات، ومهام الاختبار الميكانيكي، بالإضافة إلى إصلاحات صغيرة وكاملة النطاق.
الباحث الرئيسي في مرحلتي برنامج أبحاث الأعمال الصغيرة (SBIR) هو مايكل بيرغن، مؤسس ورئيس شركة كاستم تكنولوجيز المحدودة. تقاعد بيرغن من مركز كاردروك للحرب السطحية البحرية (NSWC) وعمل في قسم الهياكل والمواد لمدة 27 عامًا، حيث أدار تطوير وتطبيق تقنيات المواد المركبة في أسطول البحرية الأمريكية. انضم الدكتور روجر كرين إلى كاستم تكنولوجيز عام 2015 بعد تقاعده من البحرية الأمريكية عام 2011، وخدم لمدة 32 عامًا. تشمل خبرته في مجال المواد المركبة المنشورات التقنية وبراءات الاختراع، التي تغطي مواضيع مثل المواد المركبة الجديدة، وتصنيع النماذج الأولية، وطرق التوصيل، والمواد المركبة متعددة الوظائف، ومراقبة سلامة الهياكل، وترميم المواد المركبة.
طوّر الخبيران عملية فريدة تستخدم مواد مركبة لإصلاح الشقوق في الهيكل العلوي المصنوع من الألومنيوم للطراد الصاروخي الموجه من فئة تيكونديروجا CG-47 رقم 5456. وصرح بيرغن: "طُوّرت هذه العملية للحد من نمو الشقوق ولتكون بديلاً اقتصاديًا لاستبدال لوح منصة بتكلفة تتراوح بين 2 و4 ملايين دولار". وأضاف: "أثبتنا بذلك أننا نعرف كيفية إجراء الإصلاحات خارج المختبر وفي بيئة خدمة حقيقية. لكن التحدي يكمن في أن أساليب الأصول العسكرية الحالية ليست ناجحة جدًا. الخيار المتاح هو إصلاح مزدوج مُلصق [بشكل أساسي في المناطق المتضررة، لصق لوح في الأعلى] أو إخراج الأصل من الخدمة لإجراء إصلاحات على مستوى المستودع (المستوى D). ونظرًا لضرورة إجراء إصلاحات على مستوى D، يتم استبعاد العديد من الأصول".
وأضاف أن المطلوب هو طريقة يمكن للجنود الذين ليس لديهم خبرة في المواد المركبة تنفيذها، باستخدام أطقم الصيانة وكتيبات الصيانة فقط. هدفنا هو تبسيط العملية: قراءة الكتيبات، وتقييم الضرر، وإجراء الإصلاحات. لا نريد خلط الراتنجات السائلة، إذ يتطلب ذلك قياسًا دقيقًا لضمان التصلب التام. كما نحتاج إلى نظام خالٍ من النفايات الخطرة بعد اكتمال الإصلاحات. ويجب أن يكون مُعبأً كطقم صيانة يمكن نشره بواسطة الشبكة الحالية.
أحد الحلول التي نجحت شركة Custom Technologies في عرضها هو طقم محمول يستخدم لاصق إيبوكسي مقوى لتخصيص رقعة لاصقة مركبة وفقًا لحجم الضرر (حتى 12 بوصة مربعة). أُجري العرض التوضيحي على مادة مركبة تمثل سطح AMCB بسمك 3 بوصات. تتكون المادة المركبة من قلب من خشب البلسا بسمك 3 بوصات (كثافة 15 رطلاً لكل قدم مكعب) وطبقتين من نسيج Vectorply (فينيكس، أريزونا، الولايات المتحدة الأمريكية) C-LT 1100 ثنائي المحور من ألياف الكربون 0°/90°، وطبقة واحدة من ألياف الكربون C-TLX 1900 0°/+45°/-45° بثلاثة أعمدة وطبقتين من C-LT 1100، بإجمالي خمس طبقات. وصرح كرين: "قررنا أن تستخدم المجموعة رقعًا جاهزة في صفائح شبه متساوية الخواص تشبه صفائح المحاور المتعددة، بحيث لا يُشكل اتجاه القماش مشكلة".
المشكلة التالية هي مصفوفة الراتنج المستخدمة في إصلاح الصفائح. لتجنب اختلاط الراتنج السائل، ستستخدم الرقعة مادةً مُشبّعة مسبقًا. وأوضح بيرغن: "مع ذلك، تكمن هذه التحديات في التخزين". ولتطوير حلٍّ لرقعة قابلة للتخزين، تعاونت شركة كاستم تكنولوجيز مع شركة صنريز (إل كاجون، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية) لتطوير مادة مُشبّعة مسبقًا من ألياف الزجاج/إستر الفينيل، قادرة على استخدام الأشعة فوق البنفسجية (UV) في غضون ست دقائق من المعالجة الضوئية. كما تعاونت الشركة مع شركة جوجون براذرز (باي سيتي، ميشيغان، الولايات المتحدة الأمريكية)، التي اقترحت استخدام غشاء إيبوكسي مرن جديد.
أظهرت الدراسات الأولية أن راتنج الإيبوكسي هو الراتنج الأنسب لمواد التشريب المسبق لألياف الكربون - حيث تعمل إسترات الفينيل القابلة للتصلب بالأشعة فوق البنفسجية وألياف الزجاج الشفافة بكفاءة، ولكنها لا تتصلب تحت ألياف الكربون المانعة للضوء. بناءً على فيلم Gougeon Brothers الجديد، يُعالج الإيبوكسي النهائي لمدة ساعة واحدة عند درجة حرارة 99 درجة مئوية/210 درجة فهرنهايت، ويتمتع بعمر افتراضي طويل في درجة حرارة الغرفة - دون الحاجة إلى تخزين في درجات حرارة منخفضة. وأوضح بيرغن أنه في حال الحاجة إلى درجة حرارة انتقال زجاجي أعلى (Tg)، يُعالج الراتنج أيضًا عند درجة حرارة أعلى، مثل 177 درجة مئوية/350 درجة فهرنهايت. يُقدم كلا النوعين من مواد التشريب المسبق في طقم إصلاح محمول على شكل رقع من مواد التشريب المسبق مُغلّفة بغلاف بلاستيكي.
نظرًا لأنه يمكن تخزين مجموعة الإصلاح لفترة طويلة، يتعين على شركة Custom Technologies إجراء دراسة حول مدة الصلاحية. قال بيرغن: "لقد اشترينا أربعة صناديق بلاستيكية صلبة - وهو نوع عسكري نموذجي يستخدم في معدات النقل - ووضعنا عينات من لاصق الإيبوكسي ومادة فينيل إستر مسبقة التشريب في كل صندوق". ثم وُضعت الصناديق في أربعة مواقع مختلفة للاختبار: سقف مصنع Gougeon Brothers في ميشيغان، وسقف مطار ماريلاند، والمنشأة الخارجية في وادي يوكا (صحراء كاليفورنيا)، ومختبر اختبار التآكل الخارجي في جنوب فلوريدا. ويشير بيرغن إلى أن جميع الصناديق تحتوي على مسجلات بيانات، "نأخذ عينات من البيانات والمواد للتقييم كل ثلاثة أشهر. تبلغ أقصى درجة حرارة مسجلة في الصناديق في فلوريدا وكاليفورنيا 140 درجة فهرنهايت، وهي درجة جيدة لمعظم راتنجات الترميم. إنه تحدٍ حقيقي". بالإضافة إلى ذلك، اختبرت شركة Gougeon Brothers داخليًا راتنج الإيبوكسي النقي المطوَّر حديثًا. قال بيرغن: "تبدأ العينات التي وُضعت في فرن على درجة حرارة 120 درجة فهرنهايت لعدة أشهر في التبلمر". "ومع ذلك، بالنسبة للعينات المقابلة المحفوظة عند 110 درجة فهرنهايت، تحسنت كيمياء الراتينج بمقدار ضئيل فقط."
تم التحقق من صحة الإصلاح على لوحة الاختبار وهذا النموذج المصغر من AMCB، والذي استخدم نفس مادة الصفائح واللب المستخدمة في الجسر الأصلي الذي بنته شركة Seemann Composites. مصدر الصورة: Custom Technologies LLC
لإثبات تقنية الإصلاح، يجب تصنيع صفيحة نموذجية، ثم إتلافها وإصلاحها. قال كلاين: "في المرحلة الأولى من المشروع، استخدمنا في البداية عوارض صغيرة الحجم بقياس 4 × 48 بوصة واختبارات انحناء رباعية النقاط لتقييم جدوى عملية الإصلاح". وأضاف: "ثم انتقلنا إلى ألواح بقياس 12 × 48 بوصة في المرحلة الثانية من المشروع، وطبقنا أحمالًا لتوليد حالة إجهاد ثنائية المحور تُسبب العطل، ثم قمنا بتقييم أداء الإصلاح. في المرحلة الثانية، أكملنا أيضًا نموذج AMCB الذي بنيناه للصيانة".
قال بيرغن إن لوحة الاختبار المستخدمة لإثبات أداء الإصلاح تم تصنيعها باستخدام نفس سلالة الصفائح والمواد الأساسية مثل AMCB التي تصنعها Seemann Composites، "لكننا قللنا سمك اللوحة من 0.375 بوصة إلى 0.175 بوصة، بناءً على نظرية المحور الموازي. هذه هي الحالة. تم استخدام الطريقة، جنبًا إلى جنب مع العناصر الإضافية لنظرية العارضة ونظرية الصفائح الكلاسيكية [CLT]، لربط عزم القصور الذاتي والصلابة الفعالة لـ AMCB بالحجم الكامل بمنتج تجريبي أصغر حجمًا وأسهل في التعامل وأكثر فعالية من حيث التكلفة. ثم، 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 (بريستول، رود آيلاند، الولايات المتحدة الأمريكية).
الخطوة ١. تعرض لوحة الاختبار هذه ثقبًا بقطر ٣ بوصات لمحاكاة الضرر المُحدَّد في المنتصف وإصلاح محيطه. مصدر الصور لجميع الخطوات: Custom Technologies LLC.
الخطوة 2. استخدم آلة طحن يدوية تعمل بالبطارية لإزالة المواد التالفة وتغطية رقعة الإصلاح بمسامير مخروطية الشكل بنسبة 12:1.
أوضح بيرغن: "نريد محاكاة درجة ضرر أعلى على لوحة الاختبار مما قد يُرى على سطح الجسر في الميدان. لذا، نستخدم منشارًا ثقبيًا لعمل ثقب بقطر 3 بوصات. ثم نسحب سدادة المادة التالفة ونستخدم مِطحنة هوائية يدوية لمعالجة 12:1".
أوضح كرين أنه لإصلاح ألياف الكربون/الإيبوكسي، بمجرد إزالة مادة اللوحة "التالفة" ووضع وشاح مناسب، سيتم قطع مادة البري بريج إلى العرض والطول لتتناسب مع مخروط المنطقة التالفة. "بالنسبة للوحة الاختبار الخاصة بنا، يتطلب هذا أربع طبقات من البري بريج للحفاظ على مادة الإصلاح متسقة مع الجزء العلوي من لوحة الكربون الأصلية غير التالفة. بعد ذلك، يتم تركيز الطبقات الثلاث المغطاة من مادة البري بريج الكربون/الإيبوكسي على هذا الجزء المُصلح. تمتد كل طبقة متتالية بمقدار بوصة واحدة على جميع جوانب الطبقة السفلية، مما يوفر نقلًا تدريجيًا للحمل من المادة المحيطة "الجيدة" إلى المنطقة المُصلحة." الوقت الإجمالي لإجراء هذا الإصلاح - بما في ذلك تحضير منطقة الإصلاح وقطع ووضع مادة الترميم وتطبيق إجراء المعالجة - حوالي 2.5 ساعة.
بالنسبة لألياف الكربون/الإيبوكسي المسبق التشريب، يتم تعبئة منطقة الإصلاح في فراغ وتجفيفها عند 210 درجة فهرنهايت/99 درجة مئوية لمدة ساعة باستخدام رابط حراري يعمل بالبطارية.
على الرغم من سهولة وسرعة إصلاح الكربون/الإيبوكسي، أدرك الفريق الحاجة إلى حل أكثر ملاءمة لاستعادة الأداء. وقد أدى ذلك إلى استكشاف مواد التشريب المسبق للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية. وأوضح بيرغن: "يستند الاهتمام براتنجات إستر الفينيل من Sunrez إلى خبرة بحرية سابقة مع مؤسس الشركة، مارك ليفساي". وأضاف: "لقد زودنا Sunrez في البداية بنسيج زجاجي شبه متساوي الخواص، باستخدام مادة التشريب المسبق لإستر الفينيل الخاصة بهم، وقمنا بتقييم منحنى المعالجة في ظل ظروف مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، ولأننا نعلم أن راتنج إستر الفينيل يختلف عن راتنج الإيبوكسي الذي يوفر أداء التصاق ثانوي مناسب، فإننا بحاجة إلى جهود إضافية لتقييم عوامل ربط طبقات اللاصق المختلفة وتحديد الأنسب للتطبيق".
هناك مشكلة أخرى تتمثل في أن ألياف الزجاج لا توفر نفس الخصائص الميكانيكية لألياف الكربون. وصرح كرين: "مقارنةً برقعة الكربون/الإيبوكسي، تُحل هذه المشكلة باستخدام طبقة إضافية من إستر الزجاج/الفينيل". وأضاف: "السبب في الحاجة إلى طبقة إضافية واحدة فقط هو أن مادة الزجاج نسيج أثقل". ينتج عن ذلك رقعة مناسبة يمكن تركيبها ودمجها في غضون ست دقائق حتى في درجات حرارة داخلية شديدة البرودة/التجمد. وتتصلب دون الحاجة إلى حرارة. وأشار كرين إلى أنه يمكن إكمال أعمال الإصلاح هذه في غضون ساعة.
تم عرض واختبار كلا نظامي التصحيح. لكل إصلاح، يتم وضع علامة على المنطقة المراد إتلافها (الخطوة 1)، ويتم إنشاؤها باستخدام منشار ثقب، ثم إزالتها باستخدام آلة طحن يدوية تعمل بالبطارية (الخطوة 2). ثم قص المنطقة التي تم إصلاحها إلى شكل مخروطي 12:1. نظف سطح الوشاح بقطعة قماش كحولية (الخطوة 3). بعد ذلك، قص رقعة الإصلاح إلى حجم معين، وضعها على السطح المنظف (الخطوة 4) وثبتها بأسطوانة لإزالة فقاعات الهواء. بالنسبة لمادة فينيل إستر مسبقة المعالجة بألياف الزجاج/الأشعة فوق البنفسجية، ضع طبقة التحرير على المنطقة التي تم إصلاحها وجفف الرقعة بمصباح الأشعة فوق البنفسجية اللاسلكي لمدة ست دقائق (الخطوة 5). بالنسبة لمادة ألياف الكربون/الإيبوكسي مسبقة المعالجة، استخدم رابطًا حراريًا مبرمجًا مسبقًا يعمل بالبطارية بزر واحد لتعبئة المنطقة التي تم إصلاحها وتجفيفها عند 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 لتجفيف الرقعة لمدة 6 دقائق.
ثم أجرينا اختبارات لتقييم التصاق الرقعة وقدرتها على استعادة قدرة تحمل الهيكل، كما قال بيرغن. "في المرحلة الأولى، علينا إثبات سهولة التطبيق والقدرة على استعادة 75% على الأقل من القوة. يتم ذلك عن طريق ثني رباعي النقاط على عارضة من ألياف الكربون/راتنج الإيبوكسي وخشب البلسا بقياس 4 × 48 بوصة بعد إصلاح الضرر المُحاكى. نعم. استخدمت المرحلة الثانية من المشروع لوحًا بقياس 12 × 48 بوصة، ويجب أن يُظهر متطلبات قوة تزيد عن 90% تحت أحمال إجهاد معقدة. لقد استوفينا جميع هذه المتطلبات، ثم صورنا طرق الإصلاح على نموذج AMCB. كيفية استخدام تكنولوجيا ومعدات الملعب الداخلي لتوفير مرجع بصري."
من أهم جوانب المشروع إثبات قدرة المبتدئين على إتمام عملية الإصلاح بسهولة. ولهذا السبب، خطرت لبيرغن فكرة: "لقد وعدتُ بعرضها على فنيينا في الجيش: الدكتور برنارد سيا وأشلي جينا. في المراجعة النهائية للمرحلة الأولى من المشروع، طلبتُ عدم إجراء أي إصلاحات. قامت أشلي، الخبيرة في هذا المجال، بإجراء الإصلاح. باستخدام العدة والدليل اللذين قدمناهما، قامت بتركيب الرقعة وأكملت الإصلاح دون أي مشاكل."
الشكل 2: يمكن لآلة اللصق الحراري المُبرمجة مسبقًا، والتي تعمل بالبطارية، معالجة رقعة إصلاح ألياف الكربون/الإيبوكسي بضغطة زر، دون الحاجة إلى معرفة مسبقة بالإصلاح أو برمجة دورة المعالجة. مصدر الصورة: Custom Technologies, LLC
من التطورات الرئيسية الأخرى نظام المعالجة الذي يعمل بالبطارية (الشكل 2). أشار بيرغن إلى أنه "من خلال الصيانة الداخلية، لا يتوفر سوى طاقة البطارية". وأضاف: "جميع معدات العملية في مجموعة الإصلاح التي طورناها لاسلكية". ويشمل ذلك جهاز الربط الحراري الذي يعمل بالبطارية، والذي طُوّر بالتعاون بين شركة Custom Technologies ومورد آلات الربط الحراري WichiTech Industries Inc. (راندالستاون، ماريلاند، الولايات المتحدة الأمريكية). وقال كرين: "هذا الجهاز الحراري الذي يعمل بالبطارية مُبرمج مسبقًا لإكمال عملية المعالجة، لذا لا يحتاج المبتدئون إلى برمجة دورة المعالجة". "كل ما عليهم فعله هو الضغط على زر لإكمال عملية التنعيم والنقع". يمكن أن تدوم البطاريات المستخدمة حاليًا لمدة عام قبل الحاجة إلى إعادة شحنها.
مع اكتمال المرحلة الثانية من المشروع، تُعدّ شركة كاستم تكنولوجيز مقترحات تحسين لاحقة، وتستقبل خطابات الاهتمام والدعم. وصرح بيرغن قائلاً: "هدفنا هو تطوير هذه التقنية إلى مستوى TRL 8 وتطبيقها ميدانيًا. كما نرى إمكانيات لتطبيقات غير عسكرية".
يشرح الفن القديم وراء أول تعزيز للألياف في الصناعة، ولديه فهم عميق لعلم الألياف الجديد والتطور المستقبلي.
ستبدأ طائرة 787 رحلتها الأولى قريبًا، وتعتمد على الابتكارات في المواد المركبة والعمليات لتحقيق أهدافها