Draagbare reparatiesets vereenvoudigen in-the-field composietstructuur onderhoud

Modulaire inzetbare bruggen zijn een cruciale asset in militaire tactische operaties en logistiek, alsook voor het herstellen van transportinfrastructuur tijdens natuurrampen. Composietconstructie wordt onderzocht om het gewicht van dergelijke bruggen te verlagen, wat de belasting op transportvoertuigen en lancering-ophaling mechanismen reduceert. Composieten bieden ook het potentieel om de belastingcapaciteit te verhogen en de levensduur te verlengen vergeleken met metalen bruggen.

De Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) is een voorbeeld, ontworpen en gebouwd met koolstofvezel-versterkte epoxylaminaten (Fig. 1) door Seemann Composites LLC (Gulfport, Miss., VS) en Materials Sciences LLC (Horsham, Penn., VS). Echter, de mogelijkheid om dergelijke structuren in het veld te repareren is een kwestie die de adoptie van composieten belemmert.

In 2016 werd Custom Technologies LLC (Millersville, Md., VS) een Small Business Innovation Research (SBIR) Fase I subsidie toegekend, gefinancierd door het Amerikaanse Leger, om een reparatiemethode te ontwikkelen die succesvol door soldaten in het veld uitgevoerd kan worden. Op basis van deze methode werd in 2018 een Fase II SBIR subsidie toegekend om nieuwe materialen en batterij-gevoede apparatuur te demonstreren die 90% of meer van de oorspronkelijke sterkte van de structuur kon herstellen, zelfs wanneer de flensreparatie wordt uitgevoerd door een novice zonder voorafgaande training. De haalbaarheid van de technologie werd vastgesteld door een reeks analytische, materiaalselectie, testmonster fabricage en mechanische test taken uit te voeren, alsook kleinschalige en volschaal reparaties.

Van gescheurde scheepsdeks tot brugdeks

De principal investigator voor beide SBIR fasen was Michael Bergen, oprichter en president van Custom Technologies LLC. Bergen met pensioen gegaan van Naval Surface Warfare Center (NSWC) Carderock met een 27-jarige diensttijd in de Structures and Materials Department, waar hij de ontwikkeling en toepassing van composiettechnologieën voor de Amerikaanse vloot beheerde. Dr. Roger Crane sloot zich in 2015 aan bij Custom Technologies na met pensioen te zijn gegaan van de Amerikaanse Marine in 2011 met 32 jaar dienst. Zijn composietexpertise omvat technische publicaties en octrooiën over onderwerpen zoals nieuwe composietmaterialen, prototype productie, verbindingsmethoden, multifunctionele composieten, structurele gezondheidsmonitoring en composietreparatie.

Deze twee experts hadden al een uniek proces ontwikkeld dat composieten gebruikte om barsting in 5456 aluminium superstructuren op de USS Ticonderoga CG-47 klasse geleide-missile kruisers te repareren. "Dat proces was ontwikkeld om barstgroei te reduceren en te dienen als een betaalbare alternatief voor een $2-4 miljoen dekplaat vervanging," zegt Bergen. "Dus we hadden gedemonstreerd dat we wisten hoe reparaties buiten de lab en in een echte serviceomgeving te doen. Maar de uitdaging was dat huidige methoden voor militaire assets niet erg succesvol zijn. De opties zijn een gebonden dubbelreparatie [wezenlijk een plaat op de beschadigde plek lijmen] of het asset uit dienst halen voor depot niveau (D-level) reparaties. Er zoveel assets die aan de kant liggen omdat een D-level reparatie vereist is."

Wat nodig is, vervolgt hij, "is een methode die uitgevoerd kan worden door een soldaat zonder ervaring in composieten, met alleen een kit en reparatiehandleiding. Ons doel was het proces makkelijk te maken: Lees de handleiding, beoordeel de schade en doe de reparatie. We wilden geen mengen van vloeibare harsen omdat dat precieze meten vereist om volledige harding te garanderen. We hadden ook een systeem nodig zonder HAZMAT afval om na de reparatie af te handelen. En het moest verpakt zijn als kits die geïmplementeerd kunnen worden door de netwerken die al aanwezig zijn."

Nieuwe gebonden flensmaterialen

Een oplossing die Custom Technologies succesvol heeft gedemonstreerd is een draagbare kit die een gebonden composietflens mogelijk maakt, afgestemd op de grootte van de schade – tot een maximum van 12 vierkante inch – met behulp van een getoughede epoxylijm. Demonstraties werden voltooid op composieten representatief voor het 3-inch-dikke AMCB dek, dat een 3-inch-dikke balsakern (15 pond per kubieke voet dichtheid) heeft met gezichten bestaande uit twee lagen Vectorply Corp. (Phenix City, Ala., VS) C-LT 1100 koolstof 0°/90° biaxiaal gestikte stof, één laag C-TLX 1900 koolstofvezel 0°/+45°/-45° triaxiaal en nog twee lagen C-LT 1100 voor in totaal vijf lagen. "We besloten dat de kit voorgefabriceerde flenzen in een quasi-isotrope leging van vergelijkbare multiaxialen zou gebruiken zodat stoforiëntatie geen kwestie zou zijn," zegt Crane.

Het volgende kwestie was de harsmatrix voor het lamineren van reparaties. Om mengen van vloeibare harsen te vermijden, zou de flens prepregs gebruiken. "Echter, de uitdaging voor deze is opslag," legt Bergen uit. Om een bewaarbare flensoplossing te ontwikkelen, werkte Custom Technologies samen met Sunrez Corp. (El Cajon, Californië, VS) om een glasvezel/vinylester prepreg te ontwikkelen dat in zes minuten hardt met ultraviolette (UV) licht. Het werkte ook met Gougeon Brothers (Bay City, Mich., VS), die voorstelden een nieuw flexibel epoxiharsfilm te gebruiken.

Vroege onderzoeken hadden al gedemonstreerd dat epoxie de meest geschikte hars was voor een koolstofvezel prepreg – UV-hardende vinylester werkt geweldig met doorschijnende glasvezels maar hardt niet onder lichtblokkerende koolstofvezels. Gebaseerd op Gougeon Brothers' nieuwe film, demonstreerde de finale epoxie prepreg een één-uurs harding bij 210°F/99°C met een lange houdbaarheid bij kamertemperatuur – geen lage-temperatuur opslag vereist. De hars zal ook bij hogere temperaturen harden, zegt Bergen, bijvoorbeeld bij 350°F/177°C als een hogere glasovergangstemperatuur (T_g) vereist is. Beide prepregs worden in de draagbare reparatieset geleverd als voorgefabriceerde prepreg flens legingen geseald in plastic film enveloppen.

Omdat reparatiesets lang in opslag kunnen zijn, werd Custom Technologies verplicht een houdbaarheidsstudie uit te voeren. "We kochten vier harde plastic dozen – typisch van het type dat het leger gebruikt voor het verzenden van apparatuur – en legden monsters van de epoxylijmen en vinylester prepreg in elk," zegt Bergen. De dozen werden vervolgens in vier verschillende locaties geplaatst voor testen: op het dak van Gougeon Brothers' faciliteit in Michigan, op het dak van een vliegveld in Maryland, buitenshuis bij een faciliteit in Yucca Valley (Californië woestijn) en bij een buitencorrosietestlab in zuidelijk Florida. Alle dozen hadden data loggers, merkt Bergen op, "en we zouden elke drie maanden data en materialemonsters ophalen voor evaluatie. Een maximum temperatuur van 140°F werd geregistreerd door de dozen in Florida en Californië, wat een echte uitdaging is voor de meeste reparatieharsen." Bovendien testte Gougeon Brothers de nieuw ontwikkelde zuivere epoxihars in-house. "Monsters gehouden voor maanden in een oven bij 120°F begonnen te polymeriseren," zegt Bergen. "Echter, voor corresponderende monsters gehouden bij 110°F, voorderde de harschemie slechts een klein beetje."

Reparatietesten

Om de reparatietechnologie te demonstreren, moesten representatieve laminaten geproduceerd, beschadigd en vervolgens gerepareerd worden. "In het Fase I project werkten we initieel met kleinschalige, 4 x 48-inch balken en vier-punt buigtests om de haalbaarheid van ons reparatieproces te beoordelen," zegt Crane. "We gingen dan over naar 12 x 48-inch panelen in het Fase II project, belasting toepassen om een biaxiale spanningsstaat tot falen te creëren, en evalueerden de reparatieprestaties. In het Fase II project voltooiden we ook reparaties aan een model van de AMCB die we gebouwd hadden."

De testpanelen gebruikt om de reparatieprestaties te demonstreren, werden gefabriceerd met dezelfde pedigree in laminaat en kern als de AMCB gebouwd door Seemann Composites, zegt Bergen, "maar we schaalden de gezichtslaagdikte van 0,375 inch naar 0,175 inch, gebaseerd op de paralleleassen theorema. Deze benadering, samen met additionele elementen van balkentheorie en klassieke laminaattheorie [CLT], werd gebruikt om het traagheidsmoment en effectieve stijfheid van de volschaal AMCB te relateren aan meer beheersbare en kostenefficiënte verkleinde demonstratieve artikelen. We gebruikten dan finite element analyse [FEA] modellen ontwikkeld door XCraft Inc. (Boston, Mass., VS) om het ontwerp van de structurele reparaties te verfijnen." Koolstofvezel stoffen voor de testpanelen en AMCB model werden gekocht van Vectorply en balsakern werd geleverd door Core Composites (Bristol, R.I., VS).

Stap 1. Dit testpaneel toont de 3-inch gat diameter om schade te simuleren gemarkeerd in het centrum alsook de reparatieperimeter.

Stap 2. Een batterij-aangedreven handschuurmachine wordt gebruikt om beschadigd materiaal te verwijderen en een 12:1 taper te schuren om de reparatieflens te ontvangen.

"We wilden een hogere graad schade in de testpanelen simuleren dan wat waarschijnlijk op in-the-field brugdeks gezien zal worden," legt Bergen uit. "Dus onze benadering was om een gatzaag te gebruiken om een 3-inch diameter gat te maken. We trokken dan de prop van beschadigd materiaal uit en voerden een 12:1 schuring uit met een handgehouden pneumatische schuurmachine."

Voor de koolstofvezel/epoxie reparatie, legt Crane uit, eenmaal het "beschadigde" gezichtslaagmateriaal verwijderd was en de juiste schuring toegepast, werd de prepreg op maat gesneden om de taper van het beschadigde gebied te matchen. "Voor onze testpanelen vereiste dit vier lagen prepreg die het reparatiemateriaal evenwichtig maakten met de bovenkant van de oorspronkelijke onbeschadigde koolstof gezichtslaag. Na dit, werden drie overlagen van de koolstof/epoxie prepreg gecentreerd over deze reparatiesectie. Elke opeenvolgende laag strekte 1 inch uit op alle kanten van de laag eronder, wat een geleidelijke belastingsoverdracht van het "goede" omringende materiaal in het gerepareerde gebied voorzag." De totale tijd om deze reparatie uit te voeren – inclusief voorbereiding reparatiegebied, snijden en plaatsen van het reparatiemateriaal en toepassen van de hardprocedure – was ongeveer 2,5 uur.

Hoewel de koolstofvezel/epoxie reparatie eenvoudig en snel is, erkende het team de noodzaak voor een nog meer expedite oplossing die prestaties kon herstellen. Dit leidde tot de exploratie van de ultraviolet (UV) geharde prepreg. "Interesse in Sunrez vinylester hars was gebaseerd op vorige Marine ervaring met Mark Livesay, die het bedrijf oprichtte," legt Bergen uit. "We begonnen met Sunrez een quasi-isotrope glasstof te voorzien om te prepregen met hun vinylester en evalueerden het hardprofiel onder gevarieerde omstandigheden. Verder, wetende dat vinylester hars niet zo geschikte secundaire bindingseigenschappen biedt als epoxie, was er een additionele inspanning om diverse bondline coupling agents te evalueren en er één te kwalificeren voor deze toepassing."

Een ander kwestie was dat glasvezel niet dezelfde mechanische eigenschappen biedt als koolstofvezel. "Dit werd aangepakt door één extra laag van de glas/vinylester te gebruiken ten opzichte van de koolstof/epoxie flens," zegt Crane. "De reden dat slechts een enkele additionele laag vereist was, was dat het glasmateriaal een zwaardere stof was." Dit resulteerde in een geschikte flens die toegepast kon worden en dan in zes minuten gehard kon worden zelfs in erg koude/bevroren in-the-field temperaturen zonder hitte te hoeven leveren. Crane merkt op dat deze reparatie in één uur voltooid kon worden.

Beide flenssystemen werden gedemonstreerd en getest. Voor elke reparatie werd het te beschadigen gebied gemarkeerd (stap 1), gemaakt met de gatzaag en vervolgens verwijderd met een batterij-aangedreven handschuurmachine (stap 2). Het reparatiegebied werd dan geschuurd tot een 12:1 taper. Het geschuurde oppervlak werd gereinigd met alcoholdoekjes (stap 3). Vervolgens werd de reparatieflens op maat gesneden, gepositioneerd op het gereinigde oppervlak (stap 4) en geconsolideerd met een roller om luchtbellen te verwijderen. Voor de glasvezel/UV-hardende vinylester prepreg, werd een peel ply dan over het reparatiegebied gelegd en de flens gehard met een draadloze UV-licht voor zes minuten (stap 5). Voor de koolstofvezel/epoxie prepreg, werd het reparatiegebied vacuum gebagd en gehard met een voorgeprogrammeerde, één-knop, batterij-aangedreven hot bonder voor één uur bij 210°F/99°C.

Reparatiestappen

Stap 3. Het voorbereide reparatiegebied wordt dan gereinigd met een oplosmiddel doek met behulp van wegwerp alcoholdoekjes.

Stap 4. De glasvezel/vinylester reparatieflens wordt op maat gesneden en gepositioneerd op het reparatiegebied.

Stap 5. Nadat een peel ply over het reparatiegebied is gelegd, wordt de flensreparatie gehard met een draadloze UV-licht voor zes minuten.

Stap 6. Voltooide UV-geharde glasvezel/vinylester prepreg flensreparatie.

"We voerden dan tests uit om de lijmbinding van de flens en het vermogen om de belastingcapaciteit van de structuur te herstellen te evalueren," zegt Bergen. "In Fase 1 werd vereist om gemak van toepassing en vermogen om ten minste 75% sterkte te herstellen te demonstreren. Dit werd bereikt op de 4 x 48-inch koolstofvezel/epoxie en balsakern balken in vier-punt buiging na reparatie van gesimuleerde schade. Het Fase 2 project gebruikte 12 x 48-inch panelen en moest meer dan 90% sterktevereiste onder complexe belasting tonen. We voldeden aan al deze vereisten en filmden de reparatiemethoden op het AMCB model om een visuele referentie te bieden voor het gebruik van de in-the-field technieken en apparatuur."

Novice succes, toekomstige toepassingen

Een cruciale facette van het project was het bewijzen dat een novice de reparatie gemakkelijk kon voltooien. Hiervoor had Bergen een idee: "Ik had een demonstratie beloofd aan onze twee technische contactpunten bij het Leger: Dr. Bernard Sia en Ashley Genna. Bij de finale review voor het Fase I project, vroeg ik Ashley, die geen voorgaande reparatieervaring had, de reparatie uit te voeren. Met de kits en handleiding die we leverden, paste ze de flens toe en voltooide de reparatie zonder problemen."

Een andere cruciale ontwikkeling is het batterij-aangedreven hardsysteem (Fig. 2). "Met in-the-field reparatie heb je alleen batterijstroom," merkt Bergen op. "Alle procesapparatuur in onze ontwikkelde reparatieset is draadloos." Dit omvat de batterij-aangedreven hot bonder die Custom Technologies ontwikkelde met hot bonder leverancier WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Md., VS). "Deze batterij-aangedreven heat bonder is voorgeprogrammeerd om de harding te voltooien, dus de novice hoeft niet te programmeren voor de hardcyclus," zegt Crane. "Ze drukken gewoon op de knop en het voert de juiste ramp en soak uit." De momenteel gebruikte batterijen duren een jaar voordat ze opgeladen hoeven te worden.

Met het Fase II project nu voltooid, bereidt Custom Technologies een vervolg verbeteringsvoorstel voor en verzamelt brieven van interesse en steun. "Ons doel is deze technologie te verrijzen tot TRL 8 en in het veld te krijgen," zegt Bergen. "We zien ook potentieel voor niet-militaire toepassingen."