Kit portabel dapat diperbaiki dengan fiberglass/vinyl ester atau prepreg karbon serat/epoksi yang disimpan pada suhu kamar dan peralatan curing bertenaga baterai. #Insidemanufacturing #Infrastructure
Perbaikan Patch Prepreg yang Dapat Dihasilkan UV Meskipun perbaikan serat karbon/epoksi prepreg yang dikembangkan oleh Custom Technologies LLC untuk jembatan komposit infield terbukti sederhana dan cepat, penggunaan serat kaca yang diperkuat vinyl ester resin prepreg telah mengembangkan sistem yang lebih nyaman . Sumber Gambar: Kustom Technologies LLC
Jembatan yang dapat digunakan modular adalah aset penting untuk operasi taktis militer dan logistik, serta pemulihan infrastruktur transportasi selama bencana alam. Struktur komposit sedang dipelajari untuk mengurangi berat jembatan tersebut, sehingga mengurangi beban kendaraan transportasi dan mekanisme pemulihan peluncuran. Dibandingkan dengan jembatan logam, bahan komposit juga memiliki potensi untuk meningkatkan kapasitas penahan beban dan memperpanjang masa pakai.
Jembatan Komposit Modular Advanced (AMCB) adalah contoh. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, AS) dan Material Sciences LLC (Horsham, PA, US) menggunakan laminasi epoksi yang diperkuat serat karbon (Gambar 1). ) Desain dan Konstruksi). Namun, kemampuan untuk memperbaiki struktur tersebut di lapangan telah menjadi masalah yang menghambat adopsi bahan komposit.
Gambar 1 Jembatan Komposit, Asset Infield Asset Key Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) dirancang dan dibangun oleh Seemann Composites LLC dan Material Sciences LLC menggunakan komposit resin epoksi yang diperkuat serat karbon. Sumber Gambar: Seeman Composites LLC (kiri) dan Angkatan Darat AS (kanan).
Pada tahun 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, AS) menerima hibah Fase 1 Penelitian Inovasi Bisnis Kecil (SBIR) AS untuk mengembangkan metode perbaikan yang dapat berhasil dilakukan di tempat oleh tentara. Berdasarkan pendekatan ini, fase kedua hibah SBIR diberikan pada tahun 2018 untuk memamerkan bahan-bahan baru dan peralatan bertenaga baterai, bahkan jika tambalan dilakukan oleh pemula tanpa pelatihan sebelumnya, 90% atau lebih dari struktur dapat dipulihkan mentah kekuatan. Kelayakan teknologi ditentukan dengan melakukan serangkaian analisis, pemilihan material, pembuatan spesimen dan tugas pengujian mekanis, serta perbaikan skala kecil dan skala penuh.
Peneliti utama dalam dua fase SBIR adalah Michael Bergen, pendiri dan presiden Custom Technologies LLC. Bergen pensiun dari Carderock of Naval Surface Warfare Center (NSWC) dan bertugas di departemen Struktur dan Bahan selama 27 tahun, di mana ia mengelola pengembangan dan penerapan teknologi komposit di armada Angkatan Laut AS. Roger Crane bergabung dengan Custom Technologies pada tahun 2015 setelah pensiun dari Angkatan Laut AS pada tahun 2011 dan telah bertugas selama 32 tahun. Keahlian bahan kompositnya meliputi publikasi teknis dan paten, mencakup topik -topik seperti bahan komposit baru, pembuatan prototipe, metode koneksi, bahan komposit multifungsi, pemantauan kesehatan struktural, dan restorasi bahan komposit.
Kedua ahli telah mengembangkan proses unik yang menggunakan bahan komposit untuk memperbaiki retakan pada superstruktur aluminium dari Ticonderoga CG-47 Class Rudy Rudal Cruiser 5456. “Proses ini dikembangkan untuk mengurangi pertumbuhan retakan dan berfungsi sebagai alternatif yang ekonomis untuk penggantian dewan platform 2 hingga 4 juta dolar, ”kata Bergen. “Jadi kami membuktikan bahwa kami tahu bagaimana melakukan perbaikan di luar laboratorium dan di lingkungan layanan nyata. Tetapi tantangannya adalah bahwa metode aset militer saat ini tidak terlalu berhasil. Opsi ini adalah perbaikan dupleks terikat [pada dasarnya di area yang rusak lem papan ke atas] atau lepaskan aset dari layanan untuk perbaikan tingkat gudang (D-level). Karena perbaikan D-level diperlukan, banyak aset dikesampingkan. ”
Dia melanjutkan dengan mengatakan bahwa apa yang dibutuhkan adalah metode yang dapat dilakukan oleh tentara tanpa pengalaman dalam bahan gabungan, hanya menggunakan kit dan manual pemeliharaan. Tujuan kami adalah membuat prosesnya sederhana: Baca manual, evaluasi kerusakan dan lakukan perbaikan. Kami tidak ingin mencampur resin cair, karena ini membutuhkan pengukuran yang tepat untuk memastikan penyembuhan lengkap. Kami juga membutuhkan sistem tanpa limbah berbahaya setelah perbaikan selesai. Dan itu harus dikemas sebagai kit yang dapat digunakan oleh jaringan yang ada. "
Salah satu solusi yang ditunjukkan oleh teknologi khusus adalah kit portabel yang menggunakan perekat epoksi yang keras untuk menyesuaikan tambalan komposit perekat sesuai dengan ukuran kerusakan (hingga 12 inci persegi). Demonstrasi diselesaikan pada bahan gabungan yang mewakili dek AMCB tebal 3 inci. Bahan komposit memiliki inti kayu balsa tebal 3 inci (15 pon per kepadatan kaki kubik) dan dua lapisan vektor (Phoenix, Arizona, US) C -LT 1100 serat karbon 0 °/90 ° kain jahitan biaxial, satu lapisan C-TLX 1900 Serat Karbon 0 °/+45 °/-45 ° Tiga poros dan dua lapisan C-LT 1100, total lima lapisan. "Kami memutuskan bahwa kit akan menggunakan tambalan prefabrikasi dalam laminasi kuasi-isotropik yang mirip dengan multi-sumbu sehingga arah kain tidak akan menjadi masalah," kata Crane.
Masalah berikutnya adalah matriks resin yang digunakan untuk perbaikan laminasi. Untuk menghindari pencampuran resin cair, tambalan akan menggunakan prepreg. "Namun, tantangan ini adalah penyimpanan," jelas Bergen. Untuk mengembangkan solusi patch yang dapat disimpan, Custom Technologies telah bermitra dengan Sunrez Corp (El Cajon, California, USA) untuk mengembangkan prepreg gelas serat/vinyl ester yang dapat menggunakan lampu ultraviolet (UV) dalam enam menit penyembuhan ringan. Ini juga berkolaborasi dengan Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, USA), yang menyarankan penggunaan film epoksi fleksibel baru.
Studi awal telah menunjukkan bahwa resin epoksi adalah resin yang paling cocok untuk prepreg serat karbon-Ester vinil yang dapat diselesaikan dan serat kaca transparan bekerja dengan baik, tetapi tidak menyembuhkan di bawah serat karbon pemblokiran cahaya. Berdasarkan film baru Gougeon Brothers, prepreg epoksi terakhir disembuhkan selama 1 jam pada 210 ° F/99 ° C dan memiliki umur simpan yang panjang pada suhu kamar-tidak perlu penyimpanan suhu rendah. Bergen mengatakan bahwa jika suhu transisi kaca yang lebih tinggi (TG) diperlukan, resin juga akan disembuhkan pada suhu yang lebih tinggi, seperti 350 ° F/177 ° C. Kedua prepreg disediakan dalam kit perbaikan portabel sebagai tumpukan tambalan prepreg yang disegel dalam amplop film plastik.
Karena kit perbaikan dapat disimpan untuk waktu yang lama, teknologi khusus diperlukan untuk melakukan studi umur simpan. “Kami membeli empat selungkup plastik keras - jenis militer khas yang digunakan dalam peralatan transportasi - dan memasukkan sampel perekat epoksi dan prepreg ester vinil ke dalam setiap selungkup,” kata Bergen. Kotak -kotak itu kemudian ditempatkan di empat lokasi yang berbeda untuk pengujian: atap pabrik Gougeon Brothers di Michigan, atap bandara Maryland, fasilitas luar ruangan di Lembah Yucca (Gurun California), dan laboratorium pengujian korosi luar ruangan di Florida selatan. Semua kasus memiliki logger data, Bergen menunjukkan, “Kami mengambil data dan sampel material untuk evaluasi setiap tiga bulan. Suhu maksimum yang dicatat dalam kotak di Florida dan California adalah 140 ° F, yang baik untuk sebagian besar resin restorasi. Ini tantangan nyata. " Selain itu, Gougeon Brothers secara internal menguji resin epoksi murni yang baru dikembangkan. "Sampel yang telah ditempatkan dalam oven pada suhu 120 ° F selama beberapa bulan mulai polimerisasi," kata Bergen. "Namun, untuk sampel yang sesuai disimpan pada suhu 110 ° F, kimia resin hanya ditingkatkan dengan sedikit."
Perbaikan diverifikasi pada papan uji dan model skala AMCB ini, yang menggunakan laminasi yang sama dan bahan inti seperti jembatan asli yang dibangun oleh komposit Seemann. Sumber Gambar: Kustom Technologies LLC
Untuk menunjukkan teknik perbaikan, laminasi yang representatif harus diproduksi, rusak dan diperbaiki. "Pada fase pertama proyek, kami awalnya menggunakan balok skala kecil 4 x 48 inci dan uji lentur empat poin untuk mengevaluasi kelayakan proses perbaikan kami," kata Klein. “Kemudian, kami beralih ke panel 12 x 48 inci pada fase kedua proyek, menerapkan beban untuk menghasilkan keadaan tegangan biaxial untuk menyebabkan kegagalan, dan kemudian mengevaluasi kinerja perbaikan. Pada fase kedua, kami juga menyelesaikan model AMCB kami membangun pemeliharaan. ”
Bergen mengatakan bahwa panel uji yang digunakan untuk membuktikan kinerja perbaikan diproduksi menggunakan garis keturunan yang sama dari laminasi dan bahan inti seperti AMCB yang diproduksi oleh komposit Seemann, “Tetapi kami mengurangi ketebalan panel dari 0,375 inci menjadi 0,175 inci, berdasarkan teorem Axis paralel paralel menjadi 0,175 inci, berdasarkan teorem Axis paralel paralel paralel paralel paralel paralel paralel paralel paralel paralel . Inilah masalahnya. Metode ini, bersama dengan elemen tambahan teori balok dan teori laminasi klasik [CLT], digunakan untuk menghubungkan momen inersia dan kekakuan yang efektif dari AMCB skala penuh dengan produk demo ukuran yang lebih kecil yang lebih mudah ditangani dan lebih banyak lagi hemat biaya. Kemudian, kami model Finite Element Analysis [FEA] yang dikembangkan oleh Xcraft Inc. (Boston, Massachusetts, USA) digunakan untuk meningkatkan desain perbaikan struktural. ” Kain serat karbon yang digunakan untuk panel uji dan model AMCB dibeli dari vektor, dan inti balsa dibuat oleh komposit inti (Bristol, RI, US) yang disediakan.
Langkah 1. Panel uji ini menampilkan diameter lubang 3 inci untuk mensimulasikan kerusakan yang ditandai di tengah dan memperbaiki keliling. Sumber foto untuk semua langkah: Custom Technologies LLC.
Langkah 2. Gunakan penggiling manual bertenaga baterai untuk menghilangkan bahan yang rusak dan lampirkan tambalan perbaikan dengan lancip 12: 1.
"Kami ingin mensimulasikan tingkat kerusakan yang lebih tinggi pada papan uji daripada yang mungkin terlihat di dek jembatan di lapangan," jelas Bergen. “Jadi metode kami adalah menggunakan lubang gergaji untuk membuat lubang berdiameter 3 inci. Kemudian, kami mengeluarkan steker bahan yang rusak dan menggunakan penggiling pneumatik genggam untuk memproses syal 12: 1. "
Crane menjelaskan bahwa untuk perbaikan serat karbon/epoksi, setelah bahan panel "rusak" dihilangkan dan syal yang tepat diterapkan, prepreg akan dipotong hingga lebar dan panjang agar sesuai dengan lancip area yang rusak. “Untuk panel uji kami, ini membutuhkan empat lapisan prepreg untuk menjaga bahan perbaikan konsisten dengan bagian atas panel karbon asli yang tidak rusak. Setelah itu, tiga lapisan penutup karbon/epoksi prepreg terkonsentrasi pada ini pada bagian yang diperbaiki. Setiap lapisan berturut -turut memanjang 1 inci di semua sisi lapisan bawah, yang menyediakan transfer beban bertahap dari bahan di sekitarnya yang "baik" ke area yang diperbaiki. " Total waktu untuk melakukan perbaikan ini-termasuk persiapan area perbaikan, memotong dan menempatkan bahan restorasi dan menerapkan prosedur curing-sekitar 2,5 jam.
Untuk serat karbon/epoksi prepreg, area perbaikan dikemas vakum dan disembuhkan pada 210 ° F/99 ° C selama satu jam menggunakan bonder termal bertenaga baterai.
Meskipun perbaikan karbon/epoksi sederhana dan cepat, tim mengakui perlunya solusi yang lebih nyaman untuk memulihkan kinerja. Hal ini menyebabkan eksplorasi prepreg Curing Ultraviolet (UV). “Minat resin ester vinil Sunrez didasarkan pada pengalaman angkatan laut sebelumnya dengan pendiri perusahaan Mark Livesay,” jelas Bergen. “Kami pertama kali memberi Sunrez kain kaca kuasi-isotropik, menggunakan prepreg ester vinilnya, dan mengevaluasi kurva curing dalam kondisi yang berbeda. Selain itu, karena kita tahu bahwa resin ester vinil tidak seperti resin epoksi yang memberikan kinerja adhesi sekunder yang sesuai, sehingga upaya tambahan diperlukan untuk mengevaluasi berbagai agen kopling lapisan perekat dan menentukan mana yang cocok untuk aplikasi tersebut. "
Masalah lain adalah bahwa serat kaca tidak dapat memberikan sifat mekanik yang sama dengan serat karbon. "Dibandingkan dengan tambalan karbon/epoksi, masalah ini diselesaikan dengan menggunakan lapisan tambahan kaca/vinil ester," kata Crane. "Alasan mengapa hanya satu lapisan tambahan yang diperlukan adalah bahwa bahan kaca adalah kain yang lebih berat." Ini menghasilkan tambalan yang cocok yang dapat diterapkan dan dikombinasikan dalam waktu enam menit bahkan pada suhu lapangan yang sangat dingin/beku. Menyembuhkan tanpa memberikan panas. Crane menunjukkan bahwa pekerjaan perbaikan ini dapat diselesaikan dalam waktu satu jam.
Kedua sistem tambalan telah ditunjukkan dan diuji. Untuk setiap perbaikan, area yang akan rusak ditandai (Langkah 1), dibuat dengan gergaji lubang, dan kemudian dilepas menggunakan penggiling manual bertenaga baterai (Langkah 2). Kemudian potong area yang diperbaiki menjadi lancip 12: 1. Bersihkan permukaan syal dengan bantalan alkohol (langkah 3). Selanjutnya, potong tambalan perbaikan ke ukuran tertentu, letakkan di permukaan yang dibersihkan (Langkah 4) dan konsolidasi dengan roller untuk menghilangkan gelembung udara. Untuk prepreg Ester Vinyl Ester Glass Fiber/UV, lalu letakkan lapisan pelepasan pada area yang diperbaiki dan menyembuhkan tambalan dengan lampu UV tanpa kabel selama enam menit (Langkah 5). Untuk prepreg serat karbon/epoksi, gunakan bonder termal bertenaga baterai yang telah diprogram, satu tombol baterai untuk membuat paket vakum dan menyembuhkan area yang diperbaiki pada 210 ° F/99 ° C selama satu jam.
Langkah 5. Setelah menempatkan lapisan mengelupas pada area yang diperbaiki, gunakan lampu UV tanpa kabel untuk menyembuhkan tambalan selama 6 menit.
"Lalu kami melakukan tes untuk mengevaluasi perekat tambalan dan kemampuannya untuk mengembalikan kapasitas penahan beban struktur," kata Bergen. “Pada tahap pertama, kita perlu membuktikan kemudahan aplikasi dan kemampuan untuk memulihkan setidaknya 75% dari kekuatan. Ini dilakukan dengan lentur empat poin pada resin serat karbon/epoksi 4 x 48 inci dan balok inti balsa setelah memperbaiki kerusakan yang disimulasikan. Ya. Fase kedua dari proyek ini menggunakan panel 12 x 48 inci, dan harus menunjukkan persyaratan kekuatan lebih dari 90% di bawah beban regangan yang kompleks. Kami memenuhi semua persyaratan ini, dan kemudian memotret metode perbaikan pada model AMCB. Cara menggunakan teknologi dan peralatan infield untuk memberikan referensi visual. "
Aspek kunci dari proyek ini adalah membuktikan bahwa pemula dapat dengan mudah menyelesaikan perbaikan. Untuk alasan ini, Bergen punya ide: “Saya telah berjanji untuk menunjukkan kepada dua kontak teknis kami di Angkatan Darat: Dr. Bernard Sia dan Ashley Genna. Dalam ulasan akhir fase pertama proyek, saya tidak meminta perbaikan. Ashley yang berpengalaman melakukan perbaikan. Menggunakan kit dan manual yang kami berikan, ia menerapkan tambalan dan menyelesaikan perbaikan tanpa masalah. ”
Gambar 2 Mesin ikatan termal yang bertenaga baterai pra-diprogram, bertenaga baterai dapat menyembuhkan tambalan perbaikan serat karbon/epoksi pada tekan tombol, tanpa perlu pengetahuan perbaikan atau pemrograman siklus curing. Sumber Gambar: Teknologi Kustom, LLC
Pengembangan kunci lainnya adalah sistem penyembuhan bertenaga baterai (Gambar 2). "Melalui perawatan di tengah lapangan, Anda hanya memiliki daya baterai," kata Bergen. "Semua peralatan proses dalam kit perbaikan yang kami kembangkan adalah nirkabel." Ini termasuk ikatan termal bertenaga baterai yang dikembangkan bersama oleh teknologi khusus dan pemasok mesin ikatan termal Wichitech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, USA). "Termal bonder bertenaga baterai ini sudah diprogram untuk menyelesaikan penyembuhan, jadi pemula tidak perlu memprogram siklus curing," kata Crane. "Mereka hanya perlu menekan tombol untuk menyelesaikan jalan yang tepat dan rendam." Baterai yang saat ini digunakan dapat bertahan selama setahun sebelum mereka perlu diisi ulang.
Dengan selesainya fase kedua proyek, Teknologi Kustom sedang mempersiapkan proposal peningkatan tindak lanjut dan mengumpulkan surat minat dan dukungan. "Tujuan kami adalah untuk matang teknologi ini ke TRL 8 dan membawanya ke lapangan," kata Bergen. "Kami juga melihat potensi aplikasi non-militer."
Menjelaskan seni lama di balik penguatan serat pertama industri, dan memiliki pemahaman mendalam tentang ilmu serat baru dan pengembangan masa depan.
Segera hadir dan terbang untuk pertama kalinya, 787 bergantung pada inovasi dalam bahan dan proses gabungan untuk mencapai tujuannya
Waktu posting: Sep-02-2021