Kit portabel ini dapat diperbaiki dengan fiberglass/vinil ester yang dapat disembuhkan dengan UV atau prepreg serat karbon/epoksi yang disimpan pada suhu kamar dan peralatan pengawetan bertenaga baterai. #insidemanufacturing #infrastruktur
Perbaikan patch prepreg yang dapat disembuhkan dengan sinar UV Meskipun perbaikan prepreg serat karbon/epoksi yang dikembangkan oleh Custom Technologies LLC untuk jembatan komposit tengah lapangan terbukti sederhana dan cepat, penggunaan resin vinil ester yang dapat disembuhkan dengan UV yang diperkuat serat kaca Prepreg telah mengembangkan sistem yang lebih nyaman . Sumber gambar: Teknologi Kustom LLC
Jembatan modular yang dapat dipasang merupakan aset penting untuk operasi taktis militer dan logistik, serta pemulihan infrastruktur transportasi selama bencana alam. Struktur komposit sedang dipelajari untuk mengurangi bobot jembatan tersebut, sehingga mengurangi beban kendaraan pengangkut dan mekanisme pemulihan peluncuran. Dibandingkan dengan jembatan logam, material komposit juga berpotensi meningkatkan kapasitas menahan beban dan memperpanjang masa pakai.
Jembatan Komposit Modular Lanjutan (AMCB) adalah contohnya. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, US) dan Materials 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 penerapan material komposit.
Gambar 1 Jembatan komposit, aset utama di lapangan Jembatan Komposit Modular Lanjutan (AMCB) dirancang dan dibangun oleh Seemann Composites LLC dan Materials 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, US) menerima hibah Tahap 1 Riset Inovasi Bisnis Kecil (SBIR) yang didanai Angkatan Darat AS untuk mengembangkan metode perbaikan yang dapat berhasil dilakukan di lokasi oleh tentara. Berdasarkan pendekatan ini, hibah SBIR tahap kedua diberikan pada tahun 2018 untuk memamerkan material baru dan peralatan bertenaga baterai, meskipun tambalan dilakukan oleh pemula tanpa pelatihan sebelumnya, 90% atau lebih 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 di Naval Surface Warfare Center (NSWC) dan bertugas di Departemen Struktur dan Material 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 mengabdi selama 32 tahun. Keahlian material kompositnya mencakup publikasi teknis dan paten, yang mencakup topik-topik seperti material komposit baru, pembuatan prototipe, metode sambungan, material komposit multifungsi, pemantauan kesehatan struktural, dan restorasi material komposit.
Kedua ahli tersebut telah mengembangkan proses unik yang menggunakan material komposit untuk memperbaiki retakan pada superstruktur aluminium kapal penjelajah berpeluru kendali kelas Ticonderoga CG-47 5456. “Proses ini dikembangkan untuk mengurangi pertumbuhan retakan dan berfungsi sebagai alternatif yang ekonomis. hingga penggantian papan platform sebesar 2 hingga 4 juta dolar,” kata Bergen. “Jadi kami membuktikan bahwa kami tahu cara melakukan perbaikan di luar laboratorium dan di lingkungan layanan nyata. Namun tantangannya adalah metode aset militer yang ada saat ini tidak terlalu berhasil. Pilihannya adalah perbaikan dupleks berikat [pada dasarnya di area yang rusak Rekatkan papan ke atas] atau hapus aset dari layanan untuk perbaikan tingkat gudang (tingkat D). Karena perbaikan tingkat D diperlukan, banyak aset yang dikesampingkan.”
Ia melanjutkan, yang dibutuhkan adalah metode yang bisa dilakukan oleh tentara yang tidak memiliki pengalaman di bidang material komposit, hanya menggunakan peralatan dan manual perawatan. Tujuan kami adalah menyederhanakan prosesnya: membaca manual, mengevaluasi kerusakan, dan melakukan perbaikan. Kami tidak ingin mencampur resin cair, karena memerlukan pengukuran yang tepat untuk memastikan pengerasan total. Kami juga membutuhkan sistem tanpa limbah berbahaya setelah perbaikan selesai. Dan itu harus dikemas sebagai kit yang dapat diterapkan oleh jaringan yang ada. ”
Salah satu solusi yang berhasil ditunjukkan oleh Custom Technologies adalah kit portabel yang menggunakan perekat epoksi yang diperkuat untuk menyesuaikan tambalan komposit perekat sesuai dengan ukuran kerusakan (hingga 12 inci persegi). Demonstrasi diselesaikan pada material komposit yang mewakili dek AMCB setebal 3 inci. Bahan komposit memiliki inti kayu balsa setebal 3 inci (kepadatan 15 pon per kaki kubik) dan dua lapisan kain jahitan biaksial Vectorply (Phoenix, Arizona, AS) C -LT 1100 serat karbon 0°/90°, 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 ini akan menggunakan tambalan prefabrikasi dalam laminasi kuasi-isotropik yang mirip dengan multi-sumbu sehingga arah kain tidak menjadi masalah,” kata Crane.
Masalah selanjutnya adalah matriks resin yang digunakan untuk perbaikan laminasi. Untuk menghindari pencampuran resin cair, patch akan menggunakan prepreg. “Namun tantangannya adalah penyimpanan,” jelas Bergen. Untuk mengembangkan solusi patch yang dapat disimpan, Custom Technologies telah bermitra dengan Sunrez Corp. (El Cajon, California, AS) untuk mengembangkan prepreg serat kaca/vinil ester yang dapat menggunakan sinar ultraviolet (UV) dalam waktu enam menit. Ia juga berkolaborasi dengan Gougeon Brothers (Bay City, Michigan, AS), yang menyarankan penggunaan film epoksi fleksibel baru.
Penelitian awal menunjukkan bahwa resin epoksi adalah resin yang paling cocok untuk prepreg serat karbon-vinil ester yang dapat disembuhkan dengan UV dan serat kaca tembus pandang bekerja dengan baik, tetapi tidak dapat disembuhkan di bawah serat karbon yang menghalangi cahaya. Berdasarkan film baru Gougeon Brothers, prepreg epoksi akhir diawetkan selama 1 jam pada suhu 210°F/99°C dan memiliki umur simpan yang lama pada suhu kamar-tidak memerlukan penyimpanan suhu rendah. Bergen mengatakan bahwa jika diperlukan suhu transisi gelas (Tg) yang lebih tinggi, resin juga akan diawetkan pada suhu yang lebih tinggi, seperti 350°F/177°C. Kedua prepreg disediakan dalam kit perbaikan portabel sebagai tumpukan patch prepreg yang disegel dalam amplop film plastik.
Karena kit perbaikan dapat disimpan untuk waktu yang lama, Custom Technologies perlu melakukan studi umur simpan. “Kami membeli empat wadah plastik keras—jenis khas militer yang digunakan pada peralatan transportasi—dan memasukkan sampel perekat epoksi dan prepreg vinil ester ke dalam setiap wadah,” kata Bergen. Kotak-kotak tersebut kemudian ditempatkan di empat lokasi 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 pencatat data, Bergen menyatakan, “Kami mengambil sampel data dan material untuk evaluasi setiap tiga bulan. Suhu maksimum yang tercatat dalam kotak di Florida dan California adalah 140°F, yang baik untuk sebagian besar resin restorasi. Ini adalah tantangan nyata.” Selain itu, Gougeon Brothers menguji secara internal resin epoksi murni yang baru dikembangkan. “Sampel yang telah ditempatkan dalam oven pada suhu 120°F selama beberapa bulan mulai terpolimerisasi,” kata Bergen. “Namun, untuk sampel yang disimpan pada suhu 110°F, kimia resin hanya meningkat sedikit.”
Perbaikan tersebut diverifikasi pada papan uji dan model skala AMCB ini, yang menggunakan bahan laminasi dan inti yang sama dengan jembatan asli yang dibangun oleh Seemann Composites. Sumber gambar: Teknologi Kustom LLC
Untuk mendemonstrasikan teknik perbaikan, laminasi yang representatif harus diproduksi, dirusak, dan diperbaiki. “Pada tahap pertama proyek ini, kami awalnya menggunakan balok skala kecil berukuran 4 x 48 inci dan uji tekuk empat titik untuk mengevaluasi kelayakan proses perbaikan kami,” kata Klein. “Kemudian, kami beralih ke panel berukuran 12 x 48 inci pada proyek tahap kedua, menerapkan beban untuk menghasilkan keadaan tekanan biaksial yang menyebabkan kegagalan, dan kemudian mengevaluasi kinerja perbaikan. Pada tahap kedua, kami juga menyelesaikan model AMCB yang kami buat Pemeliharaannya.”
Bergen mengatakan bahwa panel uji yang digunakan untuk membuktikan kinerja perbaikan dibuat menggunakan garis laminasi dan bahan inti yang sama dengan AMCB yang diproduksi oleh Seemann Composites, “tetapi kami mengurangi ketebalan panel dari 0,375 inci menjadi 0,175 inci, berdasarkan teorema sumbu paralel. . Inilah yang terjadi. Metode ini, bersama dengan elemen tambahan teori balok dan teori laminasi klasik [CLT], digunakan untuk menghubungkan momen inersia dan kekakuan efektif AMCB skala penuh dengan produk demo berukuran lebih kecil yang lebih mudah ditangani dan lebih banyak lagi. hemat biaya. Kemudian, kami menggunakan model analisis elemen hingga (FEA) yang dikembangkan oleh XCraft Inc. (Boston, Massachusetts, AS) untuk menyempurnakan desain perbaikan struktural.” Kain serat karbon yang digunakan untuk panel uji dan model AMCB dibeli dari Vectorply, dan inti balsa dibuat oleh Core Composites (Bristol, RI, US) yang disediakan.
Langkah 1. Panel pengujian ini menampilkan diameter lubang 3 inci untuk mensimulasikan kerusakan yang ditandai di tengah dan memperbaiki lingkarnya. Sumber foto untuk semua langkah: Custom Technologies LLC.
Langkah 2. Gunakan penggiling manual bertenaga baterai untuk menghilangkan material yang rusak dan menutup tambalan perbaikan dengan lancip 12:1.
“Kami ingin mensimulasikan tingkat kerusakan yang lebih tinggi pada papan uji daripada yang terlihat di dek jembatan di lapangan,” jelas Bergen. “Jadi cara kami menggunakan gergaji lubang untuk membuat lubang berdiameter 3 inci. Kemudian, kami mencabut bahan yang rusak dan menggunakan penggiling pneumatik genggam untuk memproses syal 12:1.”
Crane menjelaskan bahwa untuk perbaikan serat karbon/epoksi, setelah material panel yang “rusak” dilepas dan syal yang sesuai dipasang, prepreg akan dipotong lebar dan panjangnya agar sesuai dengan lancip area yang rusak. “Untuk panel pengujian kami, ini memerlukan empat lapisan prepreg untuk menjaga bahan perbaikan tetap konsisten dengan bagian atas panel karbon asli yang tidak rusak. Setelah itu, tiga lapisan penutup prepreg karbon/epoksi dikonsentrasikan pada bagian yang diperbaiki. Setiap lapisan berturut-turut memanjang 1 inci di semua sisi lapisan bawah, yang memberikan perpindahan beban bertahap dari material sekitar yang “baik” ke area yang diperbaiki.” Total waktu untuk melakukan perbaikan ini—termasuk persiapan area perbaikan, Pemotongan dan penempatan bahan restorasi serta penerapan prosedur pengawetan—kira-kira 2,5 jam.
Untuk prepreg serat karbon/epoksi, area perbaikan dikemas secara vakum dan diawetkan pada suhu 210°F/99°C selama satu jam menggunakan pengikat termal bertenaga baterai.
Meskipun perbaikan karbon/epoksi sederhana dan cepat, tim menyadari perlunya solusi yang lebih mudah untuk memulihkan kinerja. Hal ini menyebabkan eksplorasi prepreg pengawetan ultraviolet (UV). “Ketertarikan pada resin vinil ester Sunrez didasarkan pada pengalaman angkatan laut sebelumnya dengan pendiri perusahaan Mark Livesay,” jelas Bergen. “Pertama-tama kami memberi Sunrez kain kaca kuasi-isotropik, menggunakan prepreg vinil esternya, dan mengevaluasi kurva pengawetan dalam kondisi berbeda. Selain itu, karena kita tahu bahwa resin vinil ester tidak seperti resin epoksi yang memberikan kinerja adhesi sekunder yang sesuai, maka diperlukan upaya tambahan untuk mengevaluasi berbagai bahan penghubung lapisan perekat dan menentukan mana yang cocok untuk aplikasi.”
Masalah lainnya adalah serat kaca tidak dapat memberikan sifat mekanik yang sama dengan serat karbon. “Dibandingkan dengan patch karbon/epoksi, masalah ini diselesaikan dengan menggunakan lapisan tambahan kaca/vinil ester,” kata Crane. “Alasan mengapa hanya diperlukan satu lapisan tambahan adalah karena bahan kacanya adalah kain yang lebih berat.” Ini menghasilkan tambalan yang sesuai yang dapat diterapkan dan digabungkan dalam waktu enam menit bahkan pada suhu lapangan yang sangat dingin/beku. Menyembuhkan tanpa memberikan panas. Crane mencontohkan, pekerjaan perbaikan ini bisa selesai dalam waktu satu jam.
Kedua sistem patch telah didemonstrasikan dan diuji. Untuk setiap perbaikan, area yang rusak ditandai (langkah 1), dibuat dengan gergaji lubang, dan kemudian dihilangkan 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 patch perbaikan ke ukuran tertentu, letakkan di permukaan yang sudah dibersihkan (langkah 4) dan kencangkan dengan roller untuk menghilangkan gelembung udara. Untuk prepreg vinil ester serat kaca/pengawetan UV, letakkan lapisan pelepas pada area yang diperbaiki dan keringkan tambalan dengan lampu UV nirkabel selama enam menit (langkah 5). Untuk prepreg serat karbon/epoksi, gunakan pengikat termal bertenaga baterai satu tombol yang telah diprogram sebelumnya untuk menyedot debu dan mengeringkan area yang diperbaiki pada suhu 210°F/99°C selama satu jam.
Langkah 5. Setelah menempatkan lapisan pengelupasan pada area yang diperbaiki, gunakan lampu UV tanpa kabel untuk menyembuhkan tambalan selama 6 menit.
“Kemudian kami melakukan pengujian untuk mengevaluasi daya rekat tambalan dan kemampuannya mengembalikan kapasitas menahan beban struktur,” kata Bergen. “Pada tahap pertama, kita perlu membuktikan kemudahan penerapan dan kemampuan memulihkan setidaknya 75% kekuatan. Hal ini dilakukan dengan pembengkokan empat titik pada serat karbon/resin epoksi berukuran 4 x 48 inci dan balok inti balsa setelah memperbaiki kerusakan yang disimulasikan. Ya. Tahap kedua dari proyek ini menggunakan panel berukuran 12 x 48 inci, dan harus menunjukkan lebih dari 90% persyaratan kekuatan di bawah beban regangan yang kompleks. Kami memenuhi semua persyaratan ini, dan kemudian memotret metode perbaikan pada model AMCB. Cara menggunakan teknologi dan peralatan lapangan untuk memberikan referensi visual.”
Aspek kunci dari proyek ini adalah untuk membuktikan bahwa pemula dapat dengan mudah menyelesaikan perbaikan. Oleh karena itu, Bergen punya ide: “Saya berjanji akan menunjukkan kepada dua kontak teknis kita di Angkatan Darat: Dr. Bernard Sia dan Ashley Genna. Dalam tinjauan akhir proyek tahap pertama, saya meminta tidak ada perbaikan. Ashley yang berpengalaman melakukan perbaikan. Dengan menggunakan kit dan manual yang kami sediakan, dia menerapkan tambalan dan menyelesaikan perbaikan tanpa masalah.”
Gambar 2 Mesin pengikat termal bertenaga baterai yang sudah diprogram dan dikeringkan dengan baterai dapat menyembuhkan tambalan perbaikan serat karbon/epoksi hanya dengan menekan satu tombol, tanpa memerlukan pengetahuan perbaikan atau pemrograman siklus pengawetan. Sumber gambar: Teknologi Kustom, LLC
Perkembangan penting lainnya adalah sistem pengawetan bertenaga baterai (Gambar 2). “Melalui pemeliharaan lapangan, Anda hanya memiliki daya baterai,” kata Bergen. “Semua peralatan proses dalam kit perbaikan yang kami kembangkan adalah nirkabel.” Ini termasuk pengikat termal bertenaga baterai yang dikembangkan bersama oleh Custom Technologies dan mesin pemasok mesin pengikat termal WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Maryland, AS). “Pengikat termal bertenaga baterai ini telah diprogram sebelumnya untuk menyelesaikan proses pengawetan, sehingga pemula tidak perlu memprogram siklus proses pengawetan,” kata Crane. “Mereka hanya perlu menekan tombol untuk menyelesaikan jalur yang benar dan berendam.” Baterai yang digunakan saat ini dapat bertahan selama satu tahun sebelum perlu diisi ulang.
Dengan selesainya proyek tahap kedua, Custom Technologies sedang mempersiapkan proposal perbaikan tindak lanjut dan mengumpulkan surat minat dan dukungan. “Tujuan kami adalah mematangkan teknologi ini hingga TRL 8 dan membawanya ke lapangan,” kata Bergen. “Kami juga melihat potensi penerapan non-militer.”
Menjelaskan seni lama di balik penguatan serat pertama di industri, dan memiliki pemahaman mendalam tentang ilmu serat baru dan perkembangan masa depan.
Segera hadir dan terbang untuk pertama kalinya, 787 mengandalkan inovasi pada material dan proses komposit untuk mencapai tujuannya
Waktu posting: 02-Sep-2021