مجموعة سهلة الاستخدام تتيح إصلاح الهياكل المركبة في الموقع | عالم المركبات

يمكن إصلاح المجموعة المحمولة باستخدام الألياف الزجاجية/الألياف الزجاجية/الفينيل أو ألياف الكربون/الإيبوكسي مسبق مخزنة في درجة حرارة الغرفة ومعدات المعالجة التي تعمل بالبطارية. #InsIdEmanufaction #Infrancture
إصلاح التصحيح prepreg القابل للأشعة فوق البنفسجية على الرغم من أن إصلاح ألياف الكربون/الإيبوكسي prepreg تم تطويره بواسطة Custom Technologies LLC لجسر المركب Infield أثبت أنه بسيط وسري . مصدر الصورة: Custom Technologies LLC
تعد الجسور المعيارية القابلة للنشر أصولًا مهمة للعمليات التكتيكية العسكرية والخدمات اللوجستية ، وكذلك استعادة البنية التحتية للنقل أثناء الكوارث الطبيعية. تتم دراسة الهياكل المركبة لتقليل وزن هذه الجسور ، مما يقلل من العبء على مركبات النقل وآليات استرداد الإطلاق. بالمقارنة مع الجسور المعدنية ، فإن المواد المركبة لديها أيضًا القدرة على زيادة سعة الحمل وتوسيع عمر الخدمة.
الجسر المركب المتقدم (AMCB) هو مثال. شركة Seffann Composites LLC (Gulfport ، Mississippi ، US) و Materials Sciences LLC (Horsham ، PA ، US) تستخدم شرائح الإيبوكسي المقوى بالألياف الكربونية (الشكل 1). ) التصميم والبناء). ومع ذلك ، فإن القدرة على إصلاح مثل هذه الهياكل في هذا المجال كانت مشكلة تعيق اعتماد المواد المركبة.
الشكل 1 الجسر المركب ، تم تصميم الجسر المركب المتقدم الأصول المتقدمة (AMCB) وإنشائه بواسطة Seffann Composites LLC و Materials LLC باستخدام مركبات راتنجات الايبوكسي المقواة بألياف الكربون. مصدر الصورة: Seflean Composites LLC (يسار) والجيش الأمريكي (يمين).
في عام 2016 ، حصلت Custom Technologies LLC (Millersville ، MD ، الولايات المتحدة) على منحة أبحاث ابتكار ابتكار الأعمال الصغيرة (SBIR) التي تمولها الجيش الأمريكي (SBIR) لتطوير طريقة إصلاح يمكن أن يتم تنفيذها بنجاح في الموقع من قبل الجنود. استنادًا إلى هذا النهج ، تم منح المرحلة الثانية من منحة SBIR في عام 2018 لعرض مواد جديدة ومعدات تعمل بالبطاريات ، حتى لو تم تنفيذ التصحيح بواسطة مبتدئ دون تدريب مسبق ، يمكن استعادة 90 ٪ أو أكثر من الهيكل الخام قوة. يتم تحديد جدوى التكنولوجيا من خلال إجراء سلسلة من التحليل ، واختيار المواد ، وتصنيع العينات ، ومهام الاختبار الميكانيكية ، بالإضافة إلى إصلاحات صغيرة الحجم وشاملة.
الباحث الرئيسي في مرحلتي SBIR هو Michael Bergen ، مؤسس ورئيس Custom Technologies LLC. تقاعد بيرغن من كاردروك من مركز الحرب البحرية السطحية (NSWC) وخدم في قسم الهياكل والمواد لمدة 27 عامًا ، حيث تمكن من تطوير وتطبيق التقنيات المركبة في أسطول البحرية الأمريكية. انضم الدكتور روجر كرين إلى تقنيات مخصصة في عام 2015 بعد تقاعده من البحرية الأمريكية في عام 2011 وخدم لمدة 32 عامًا. تشمل خبرته في المواد المركبة المنشورات الفنية وبراءات الاختراع ، وتغطي مواضيع مثل المواد المركبة الجديدة ، وتصنيع النموذج الأولي ، وطرق الاتصال ، والمواد المركبة متعددة الوظائف ، ومراقبة الصحة الهيكلية ، واستعادة المواد المركبة.
طور الخبيرين عملية فريدة تستخدم مواد مركبة لإصلاح الشقوق في البنية الفوقية للألومنيوم من فئة Ticonderoga CG-47 الصاروخي الموجه 5456. "تم تطوير العملية لتقليل نمو الشقوق والعمل كبديل اقتصادي وقال بيرغن "لاستبدال لوحة منصة من 2 إلى 4 ملايين دولار. "لذلك أثبتنا أننا نعرف كيفية إجراء الإصلاحات خارج المختبر وفي بيئة خدمة حقيقية. لكن التحدي هو أن أساليب الأصول العسكرية الحالية ليست ناجحة للغاية. الخيار هو إصلاح دوبلكس المستعبدين [أساسا في المناطق التالفة لصق لوحة إلى الأعلى] أو إزالة الأصل من الخدمة لإصلاح مستوى المستودع (على مستوى D). نظرًا لأن الإصلاحات على مستوى D مطلوبة ، يتم وضع العديد من الأصول جانباً. "
ومضى يقول إن ما هو مطلوب هو طريقة يمكن أن يقوم بها الجنود بدون خبرة في مواد مركبة ، وذلك باستخدام مجموعات وأدلة الصيانة فقط. هدفنا هو جعل العملية بسيطة: اقرأ الدليل وتقييم الضرر وإجراء الإصلاحات. لا نريد خلط الراتنجات السائلة ، لأن هذا يتطلب قياسًا دقيقًا لضمان علاج كامل. نحتاج أيضًا إلى نظام بدون نفايات خطرة بعد الانتهاء من الإصلاحات. ويجب تعبئتها كمجموعة يمكن نشرها بواسطة الشبكة الحالية. "
أحد الحلول التي أظهرتها التقنيات المخصصة التي أظهرتها بنجاح هي مجموعة محمولة تستخدم مادة لاصقة للإبوكسي المتشددة لتخصيص التصحيح المركب اللاصق وفقًا لحجم الضرر (يصل إلى 12 بوصة مربعة). تم الانتهاء من المظاهرة على مادة مركبة تمثل سطح AMCB سميك 3 بوصة. تحتوي المادة المركبة على قلب خشب البالسا سميك 3 بوصة (15 رطلاً لكل كثافة مكعبة القدم) وطبقتين من ناقلات (Phoenix ، أريزونا ، الولايات المتحدة) C -lt 1100 ألياف الكربون 0 °/90 ° ثنائي المحوسين C-TLX 1900 ألياف الكربون 0 °/+45 °/-45 ° ثلاثة أعمدة وطبقتين من C-LT 1100 ، ما مجموعه خمس طبقات. وقال كرين: "قررنا أن المجموعة ستستخدم تصحيحات مسبقة الصنع في صفح شبه خواصة تشبه المحاور المتعددة بحيث لن يكون اتجاه النسيج مشكلة".
المشكلة التالية هي مصفوفة الراتنج المستخدمة لإصلاح التصفيح. لتجنب خلط الراتنج السائل ، سوف يستخدم التصحيح prepreg. "ومع ذلك ، فإن هذه التحديات هي التخزين" ، أوضح بيرغن. لتطوير حل تصحيح صاخب ، عقدت Custom Technologies شراكة مع Sunrez Corp. (El Cajon ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية) لتطوير الألياف الزجاجية/استرجاع فينيل استرجاع يمكنه استخدام ضوء الأشعة فوق البنفسجية (UV) في ست دقائق معالجة الضوء. تعاونت أيضًا مع Gougeon Brothers (Bay City ، Michigan ، الولايات المتحدة الأمريكية) ، والتي اقترحت استخدام فيلم إيبوكسي مرن جديد.
أظهرت الدراسات المبكرة أن راتنج الايبوكسي هو الأنسب للراتنجات لألياف الكربون التي تقديس الفينيل القابلة للفيروسات القديم والألياف الزجاجية الشفافة تعمل بشكل جيد ، ولكن لا تعالج تحت ألياف الكربون التي تمنع الضوء. استنادًا إلى فيلم Gougeon Brothers الجديد ، يتم علاج برنامج Epoxy prepreg النهائي لمدة ساعة واحدة عند 210 درجة فهرنهايت/99 درجة مئوية ولديه مدة صلاحية طويلة في درجة حرارة الغرفة-لا تحتاج إلى تخزين منخفضة الحرارة. وقال بيرغن إنه إذا كانت هناك حاجة إلى درجة حرارة انتقال زجاجية أعلى (TG) ، فسيتم علاج الراتنج أيضًا عند درجة حرارة أعلى ، مثل 350 درجة فهرنهايت/177 درجة مئوية. يتم توفير كلا prepregs في مجموعة إصلاح محمولة كمكدس من بقع prepreg مختومة في مظروف فيلم بلاستيكي.
نظرًا لأن مجموعة الإصلاح قد يتم تخزينها لفترة طويلة ، يلزم إجراء تقنيات مخصصة لإجراء دراسة حياة صلاحية. وقال بيرغن: "لقد اشترينا أربع حاويات بلاستيكية صلبة - نوع عسكري نموذجي يستخدم في معدات النقل - ووضع عينات من اللاصقة الإيبوكسي وإستر الفينيل قبل كل حاوية". ثم تم وضع الصناديق في أربعة مواقع مختلفة للاختبار: سقف مصنع Gougeon Brothers في ميشيغان ، وسقف مطار ماريلاند ، والمرفق الخارجي في وادي يوكا (صحراء كاليفورنيا) ، ومختبر اختبار التآكل في الهواء الطلق في جنوب فلوريدا. يشير بيرغن إلى أن جميع الحالات تحتوي على سجلات البيانات ، "نأخذ البيانات والعينات المادية للتقييم كل ثلاثة أشهر. الحد الأقصى لدرجة الحرارة المسجلة في الصناديق في فلوريدا وكاليفورنيا هو 140 درجة فهرنهايت ، وهو أمر جيد لمعظم راتنجات الترميم. إنه تحد حقيقي. " بالإضافة إلى ذلك ، اختبر Gougeon Brothers داخليًا راتنج الايبوكسي النقي الذي تم تطويره حديثًا. وقال بيرغن: "العينات التي تم وضعها في فرن عند 120 درجة فهرنهايت لعدة أشهر تبدأ في التبلور". "ومع ذلك ، بالنسبة للعينات المقابلة المحفوظة عند 110 درجة فهرنهايت ، تحسنت كيمياء الراتنج فقط بكمية صغيرة."
تم التحقق من الإصلاح على لوحة الاختبار ونموذج المقياس من AMCB ، والذي استخدم نفس المادة الصفيحة والمواد الأساسية مثل الجسر الأصلي الذي صممه مركبات Sefleann. مصدر الصورة: Custom Technologies LLC
من أجل إظهار تقنية الإصلاح ، يجب تصنيع صفيحة تمثيلية وتلفها وإصلاحها. وقال كلاين: "في المرحلة الأولى من المشروع ، استخدمنا في البداية عوارض صغيرة بحجم 48 بوصة 48 بوصة واختبارات ثني من أربع نقاط لتقييم جدوى عملية الإصلاح الخاصة بنا". "بعد ذلك ، انتقلنا إلى لوحات 12 × 48 بوصة في المرحلة الثانية من المشروع ، ونطبق الأحمال لإنشاء حالة إجهاد ثنائي المحور للتسبب في الفشل ، ثم تقييم أداء الإصلاح. في المرحلة الثانية ، أكملنا أيضًا نموذج AMCB الذي قمنا ببناء صيانة. "
وقال بيرغن إن لوحة الاختبار المستخدمة لإثبات أن أداء الإصلاح تم تصنيعه باستخدام نفس نسب الصفائح والمواد الأساسية مثل AMCB المصنعة بواسطة مركبات Sefleann ، "لكننا قللنا سمك اللوحة من 0.375 بوصة إلى 0.175 بوصة ، بناءً على نظرية المحور الموازي . هذا هو الحال. تم استخدام الطريقة ، إلى جانب العناصر الإضافية لنظرية الشعاع ونظرية التصفيح الكلاسيكية [CLT] ، لربط لحظة القصور الذاتي والتصلب الفعال لـ AMCB على نطاق واسع مع منتج تجريبي أصغر ويسهل التعامل معه والمزيد فعالة من حيث التكلفة. بعد ذلك ، تم استخدام نموذج تحليل العناصر المحدودة [FEA] التي طورتها شركة Xcraft Inc. (بوسطن ، ماساتشوستس ، الولايات المتحدة الأمريكية) لتحسين تصميم الإصلاحات الهيكلية. " تم شراء نسيج ألياف الكربون المستخدم في لوحات الاختبار وطراز AMCB من Vectorply ، وتم تصنيع Balsa Core بواسطة المركبات الأساسية (Bristol ، RI ، US).
الخطوة 1. تعرض لوحة الاختبار قطر ثقب 3 بوصة لمحاكاة الأضرار التي تحمل علامة في الوسط وإصلاح محيط. مصدر الصور لجميع الخطوات: Custom Technologies LLC.
الخطوة 2. استخدم مطحنة يدوي تعمل بالطاقة البطارية لإزالة المادة التالفة وأرفق رقعة الإصلاح مع تفتق 12: 1.
"نريد محاكاة درجة أعلى من الأضرار على لوحة الاختبار مما يمكن رؤيته على سطح الجسر في الحقل" ، أوضح بيرغن. "لذا فإن طريقتنا هي استخدام منشار ثقب لصنع ثقب قطره 3 بوصات. ثم ، نقوم بسحب قابس المادة التالفة ونستخدم مطحنة هوائية محمولة يدويًا لمعالجة وشاح 12: 1. "
أوضح كرين أنه بالنسبة لإصلاح ألياف الكربون/الإيبوكسي ، بمجرد إزالة مادة اللوحة "التالفة" وتطبيق وشاح مناسب ، سيتم قطع prepreg إلى العرض والطول لتتناسب مع تفتق المنطقة التالفة. "بالنسبة إلى لوحة الاختبار الخاصة بنا ، يتطلب ذلك أربع طبقات من prepreg للحفاظ على مادة الإصلاح متسقة مع الجزء العلوي من لوحة الكربون الأصلية غير التالفة. بعد ذلك ، تتركز الطبقات الثلاثة التي تغطي الكربون/الإيبوكسي prepreg على هذا في الجزء الذي تم إصلاحه. تمتد كل طبقة متتالية 1 بوصة على جميع جوانب الطبقة السفلية ، والتي توفر نقلًا تدريجيًا للحمل من المواد المحيطة "الجيدة" إلى المنطقة التي تم إصلاحها. " إجمالي الوقت لإجراء إعداد منطقة الإصلاح هذا ، وقطع ووضع مادة الاستعادة وتطبيق إجراء المعالجة-حوالي 2.5 ساعة.
بالنسبة إلى ألياف الكربون/prepreg prepreg ، فإن منطقة الإصلاح معبأة بالفراغ وعلاجها عند 210 درجة فهرنهايت/99 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة باستخدام بوندر حراري يعمل بالبطارية.
على الرغم من أن إصلاح الكربون/الايبوكسي بسيط وسريع ، فقد أدرك الفريق الحاجة إلى حل أكثر ملاءمة لاستعادة الأداء. أدى ذلك إلى استكشاف الأشعة فوق البنفسجية (UV) المعالجة. "إن الاهتمام براتنجات Sunrez Vinyl Ester يعتمد على الخبرة البحرية السابقة مع مؤسس الشركة Mark Livingay" ، أوضح بيرغن. "قمنا أولاً بتزويد Sunrez بنسيج زجاجي شبه ثنائي الخواص ، باستخدام Prepreg فينيل استر ، وقمنا بتقييم منحنى المعالجة في ظل ظروف مختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأننا نعلم أن راتنجات إستر الفينيل لا يشبه راتنجات الإيبوكسي التي توفر أداءً مناسبًا للالتصاق الثانوي ، لذا فإن الجهود الإضافية مطلوبة لتقييم عوامل اقتران الطبقة اللاصقة المختلفة وتحديد أي واحد مناسب للتطبيق. "
مشكلة أخرى هي أن الألياف الزجاجية لا يمكن أن توفر نفس الخصائص الميكانيكية مثل ألياف الكربون. "بالمقارنة مع تصحيح الكربون/الإبوكسي ، يتم حل هذه المشكلة باستخدام طبقة إضافية من استرات الزجاج/الفينيل" ، قال كرين. "السبب في أن هناك حاجة إلى طبقة إضافية واحدة فقط هو أن المادة الزجاجية هي نسيج أثقل." ينتج هذا رقعة مناسبة يمكن تطبيقها ودمجها في غضون ست دقائق حتى في درجات حرارة باردة/متجمدة للغاية. علاج دون توفير الحرارة. أشار كرين إلى أنه يمكن إكمال أعمال الإصلاح هذه في غضون ساعة.
تم عرض واختبار كلا أنظمة التصحيح. لكل إصلاح ، يتم تمييز المنطقة التي يجب تلفها (الخطوة 1) ، وإنشاء منشار ثقب ، ثم إزالته باستخدام مطحنة يدوي تعمل بالبطارية (الخطوة 2). ثم قطع المنطقة التي تم إصلاحها إلى تفتق 12: 1. قم بتنظيف سطح الوشاح باستخدام وسادة الكحول (الخطوة 3). بعد ذلك ، قم بقطع تصحيح الإصلاح إلى حجم معين ، ووضعه على السطح الذي تم تنظيفه (الخطوة 4) وقم بدمجه باستخدام بكرة لإزالة فقاعات الهواء. بالنسبة للألياف الزجاجية/UV-Curing Vinyl Ester Prepreg ، ثم ضع طبقة الإصدار على المنطقة التي تم إصلاحها وعلاج التصحيح بمصباح UV اللاسلكي لمدة ست دقائق (الخطوة 5). بالنسبة إلى ألياف الكربون/الإيبوكسي prepreg ، استخدم بوندر حراريًا مدببًا مسبقًا ، وحيد الزر ، وذات البطارية إلى حزمة الفراغ وعلاج المساحة التي تم إصلاحها عند 210 درجة فهرنهايت/99 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة.
الخطوة 5. بعد وضع طبقة التقشير في المنطقة التي تم إصلاحها ، استخدم مصباح UV اللاسلكي لعلاج التصحيح لمدة 6 دقائق.
وقال بيرغن: "ثم أجرينا اختبارات لتقييم لاصق التصحيح وقدرته على استعادة قدرة الحمل للهيكل". "في المرحلة الأولى ، نحتاج إلى إثبات سهولة التطبيق والقدرة على استرداد ما لا يقل عن 75 ٪ من القوة. يتم ذلك عن طريق الانحناء من أربع نقاط على راتنجات الكربون/ألياف الكربون 4 × 48 بوصة وشعاع البلسا الأساسي بعد إصلاح الضرر المحاكي. نعم. استخدمت المرحلة الثانية من المشروع لوحة 12 × 48 بوصة ، ويجب أن تظهر أكثر من 90 ٪ متطلبات قوة تحت أحمال الإجهاد المعقدة. استوفينا كل هذه المتطلبات ، ثم صورنا طرق الإصلاح على نموذج AMCB. كيفية استخدام التكنولوجيا والمعدات Infield لتوفير مرجع بصري. "
يتمثل أحد الجوانب الرئيسية للمشروع في إثبات أن المبتدئين يمكنهم إكمال الإصلاح بسهولة. لهذا السبب ، كان لدى بيرغن فكرة: "لقد وعدت بإظهار اتصالاتنا الفنية في الجيش: الدكتور برنارد سيا وآشلي جينينا. في المراجعة النهائية للمرحلة الأولى من المشروع ، طلبت عدم وجود إصلاحات. أجرت آشلي من ذوي الخبرة الإصلاح. باستخدام المجموعة واليدوية التي قدمناها ، طبقت التصحيح وأكملت الإصلاح دون أي مشاكل. "
الشكل 2 ، يمكن لعلاقة الترابط الحرارية المبرمجة مسبقًا للبطارية ، والتي تعمل بالبطارية ، علاج تصحيح إصلاح ألياف الكربون/الإيبوكسي عند الضغط على الزر ، دون الحاجة إلى إصلاح المعرفة أو برمجة دورة المعالجة. مصدر الصورة: Custom Technologies ، LLC
تطوير رئيسي آخر هو نظام المعالجة الذي يعمل بالبطارية (الشكل 2). "من خلال الصيانة ، لديك طاقة بطارية فقط" ، أشار بيرغن. "جميع معدات العملية في مجموعة الإصلاح التي طورناها هي لاسلكية." ويشمل ذلك الترابط الحراري الذي يعمل بالبطاريات التي تم تطويرها بشكل مشترك من خلال تقنيات مخصصة ومورد لآلة الرابطة الحرارية Wichitech Industries Inc. (Randallstown ، Maryland ، USA). وقال كرين: "هذا بوندر الحراري الذي يعمل بالبطارية مبرمج مسبقًا لاستكمال المعالجة ، لذلك لا يحتاج المبتدئون إلى برمجة دورة المعالجة". "إنهم فقط بحاجة إلى الضغط على زر لإكمال المنحدر المناسب والنقع." يمكن أن تستمر البطاريات المستخدمة حاليًا لمدة عام قبل أن يتم إعادة شحنها.
مع الانتهاء من المرحلة الثانية من المشروع ، تقوم Custom Technologies بإعداد مقترحات تحسين المتابعة وجمع رسائل الاهتمام والدعم. وقال بيرغن: "هدفنا هو نضج هذه التكنولوجيا إلى TRL 8 وجلبها إلى الميدان". "نرى أيضًا إمكانات التطبيقات غير العسكرية."
يشرح الفن القديم وراء تعزيز الألياف الأول في الصناعة ، ولديه فهم متعمق لعلوم الألياف الجديدة والتنمية المستقبلية.
قريباً ويطير لأول مرة ، يعتمد 787 على الابتكارات في المواد والعمليات المركبة لتحقيق أهدافها