휴대용 키트는 실온에 보관된 UV 경화 유리섬유/비닐 에스테르 또는 탄소 섬유/에폭시 프리프레그와 배터리 구동 경화 장비를 사용하여 수리할 수 있습니다. #내부제조 #인프라
UV 경화형 프리프레그 패치 수리 Custom Technologies LLC에서 내야 복합 교량을 위해 개발한 탄소 섬유/에폭시 프리프레그 수리가 간단하고 빠른 것으로 입증되었지만 유리 섬유 강화 UV 경화형 비닐 에스테르 수지 Prepreg를 사용하여 보다 편리한 시스템을 개발했습니다. . 이미지 출처: Custom Technologies LLC
모듈식 배치 가능 교량은 군사 전술 작전 및 물류는 물론 자연 재해 발생 시 교통 인프라 복원에 중요한 자산입니다. 이러한 교량의 무게를 줄여 운송 차량 및 발사-복구 메커니즘에 대한 부담을 줄이기 위해 복합 구조가 연구되고 있습니다. 금속 교량과 비교하여 복합 재료는 하중 지지력을 높이고 사용 수명을 연장할 수 있는 잠재력도 있습니다.
AMCB(Advanced Modular Composite Bridge)가 그 예입니다. Seemann Composites LLC(미국 미시시피주 걸프포트) 및 Materials Sciences LLC(미국 펜실베니아주 호샴)는 탄소 섬유 강화 에폭시 라미네이트를 사용합니다(그림 1). ) 설계 및 시공). 그러나 현장에서 이러한 구조물을 수리하는 능력은 복합재료의 채택을 방해하는 문제였습니다.
그림 1 복합 교량, 주요 내야 자산 AMCB(Advanced Modular Composite Bridge)는 탄소 섬유 강화 에폭시 수지 복합재를 사용하여 Seemann Composites LLC 및 Materials Sciences LLC에서 설계하고 시공했습니다. 이미지 출처: Seeman Composites LLC(왼쪽) 및 미 육군(오른쪽).
2016년에 Custom Technologies LLC(미국 메릴랜드주 밀러스빌)는 군인이 현장에서 성공적으로 수행할 수 있는 수리 방법을 개발하기 위해 미 육군이 지원하는 SBIR(Small Business Innovation Research) 1단계 보조금을 받았습니다. 이러한 접근 방식을 기반으로 2018년 SBIR 보조금의 두 번째 단계가 수여되어 새로운 재료와 배터리 구동 장비를 선보였습니다. 사전 교육 없이 초보자가 패치를 수행하더라도 구조의 90% 이상을 복원할 수 있습니다. 힘. 기술의 타당성은 일련의 분석, 재료 선택, 시편 제작 및 기계적 테스트 작업과 소규모 및 전체 수리를 수행하여 결정됩니다.
두 SBIR 단계의 주요 연구원은 Custom Technologies LLC의 창립자이자 사장인 Michael Bergen입니다. Bergen은 NSWC(Naval Surface Warfare Center)의 Carderock에서 퇴임하고 구조 및 재료 부서에서 27년 동안 복무하면서 미 해군 함대의 복합 기술 개발 및 적용을 관리했습니다. Roger Crane 박사는 2011년 미 해군에서 은퇴한 후 2015년 Custom Technologies에 입사하여 32년 동안 복무했습니다. 그의 복합 재료 전문 지식에는 새로운 복합 재료, 프로토타입 제조, 연결 방법, 다기능 복합 재료, 구조 상태 모니터링 및 복합 재료 복원과 같은 주제를 다루는 기술 간행물 및 특허가 포함됩니다.
두 전문가는 Ticonderoga CG-47급 유도미사일 순양함 5456의 알루미늄 상부구조 균열을 수리하기 위해 복합재료를 사용하는 독특한 공정을 개발했습니다. “이 공정은 균열의 성장을 줄이고 경제적인 대안으로 사용하기 위해 개발되었습니다. 플랫폼 보드 교체 비용은 200만~400만 달러입니다.”라고 Bergen은 말했습니다. “그래서 우리는 실험실 외부와 실제 서비스 환경에서 수리를 수행하는 방법을 알고 있음을 입증했습니다. 그러나 문제는 현재의 군사 자산 방법이 그다지 성공적이지 않다는 것입니다. 옵션은 보세 이중 수리(기본적으로 손상된 부분에 보드를 상단에 접착)이거나 창고 수준(D 수준) 수리를 위해 서비스에서 자산을 제거하는 것입니다. D급 수리가 필요하기 때문에 많은 자산을 따로 남겨두었습니다.”
이어 복합재료에 대한 경험이 없는 군인도 키트와 정비 매뉴얼만 가지고 수행할 수 있는 방법이 필요하다고 말했다. 우리의 목표는 프로세스를 단순하게 만드는 것입니다. 즉, 설명서를 읽고, 손상을 평가하고, 수리를 수행하는 것입니다. 우리는 완전한 경화를 보장하기 위해 정확한 측정이 필요하기 때문에 액체 레진을 혼합하고 싶지 않습니다. 또한 수리가 완료된 후에도 유해 폐기물이 없는 시스템이 필요합니다. 그리고 기존 네트워크에서 배포할 수 있는 키트로 패키지되어야 합니다. ”
Custom Technologies가 성공적으로 시연한 솔루션 중 하나는 강화 에폭시 접착제를 사용하여 손상 크기(최대 12평방인치)에 따라 접착 복합 패치를 맞춤화하는 휴대용 키트입니다. 시연은 3인치 두께의 AMCB 데크를 대표하는 복합재료로 완성되었습니다. 복합 재료는 3인치 두께의 발사 목재 코어(입방 피트당 밀도 15파운드)와 두 겹의 Vectorply(미국 애리조나주 피닉스) C-LT 1100 탄소 섬유 0°/90° 이축 스티치 직물, 한 겹의 C-TLX 1900 탄소섬유 0°/+45°/-45° 3개의 샤프트와 C-LT 1100의 2개 층, 총 5개 층. "우리는 직물 방향이 문제가 되지 않도록 키트가 다축과 유사한 준등방성 라미네이트에 사전 제작된 패치를 사용하기로 결정했습니다."라고 Crane은 말했습니다.
다음 문제는 라미네이트 수리에 사용되는 수지 매트릭스입니다. 액상 레진이 섞이는 것을 방지하기 위해 패치에는 프리프레그를 사용합니다. Bergen은 "그러나 이러한 과제는 스토리지에 관한 것입니다."라고 설명했습니다. 저장 가능한 패치 솔루션을 개발하기 위해 Custom Technologies는 Sunrez Corp.(미국 캘리포니아주 엘 캐종)과 제휴하여 6분의 광 경화로 자외선(UV)을 사용할 수 있는 유리 섬유/비닐 에스테르 프리프레그를 개발했습니다. 또한 Gougeon Brothers(미국 미시간주 베이 시티)와 협력하여 새로운 유연한 에폭시 필름의 사용을 제안했습니다.
초기 연구에 따르면 에폭시 수지는 탄소 섬유 프리프레그에 가장 적합한 수지입니다. UV 경화성 비닐 에스테르와 반투명 유리 섬유는 잘 작동하지만 차광 탄소 섬유에서는 경화되지 않습니다. Gougeon Brothers의 새 필름을 기반으로 하는 최종 에폭시 프리프레그는 210°F/99°C에서 1시간 동안 경화되며 실온에서 보관 수명이 길어 저온 보관이 필요하지 않습니다. Bergen은 더 높은 유리 전이 온도(Tg)가 필요한 경우 수지는 350°F/177°C와 같은 더 높은 온도에서도 경화될 것이라고 말했습니다. 두 프리프레그는 모두 플라스틱 필름 봉투에 밀봉된 프리프레그 패치 스택으로 휴대용 수리 키트에 제공됩니다.
수리 키트는 장기간 보관될 수 있으므로 Custom Technologies에서는 유통기한 연구를 수행해야 합니다. Bergen은 "우리는 운송 장비에 사용되는 일반적인 군용 유형인 단단한 플라스틱 인클로저 4개를 구입하고 각 인클로저에 에폭시 접착제와 비닐 에스테르 프리프레그 샘플을 넣었습니다."라고 말했습니다. 그런 다음 상자를 테스트를 위해 미시간에 있는 Gougeon Brothers 공장 지붕, 메릴랜드 공항 지붕, Yucca Valley(캘리포니아 사막)에 있는 야외 시설, 플로리다 남부에 있는 야외 부식 테스트 실험실 등 4개의 다른 위치에 배치되었습니다. 모든 케이스에는 데이터 로거가 있다고 Bergen은 지적합니다. “우리는 3개월마다 평가를 위해 데이터 및 재료 샘플을 채취합니다. 플로리다와 캘리포니아의 상자에 기록된 최대 온도는 140°F로 대부분의 복원 수지에 적합합니다. 정말 어려운 일이에요.” 또한, 고건브라더스는 새로 개발한 순수 에폭시 수지를 내부적으로 테스트했습니다. Bergen은 "몇 달 동안 120°F의 오븐에 넣어둔 샘플은 중합되기 시작합니다."라고 말했습니다. "그러나 110°F에 보관된 해당 샘플의 경우 수지 화학은 약간만 향상되었습니다."
수리는 테스트 보드와 Seemann Composites가 제작한 원래 교량과 동일한 라미네이트 및 코어 재료를 사용한 AMCB의 축소 모델에서 검증되었습니다. 이미지 출처: Custom Technologies LLC
수리기술을 실증하기 위해서는 대표적인 적층판을 제작하고 손상 및 수리를 해야 한다. Klein은 "프로젝트의 첫 번째 단계에서 처음에는 소규모 4 x 48인치 빔과 4점 굽힘 테스트를 사용하여 수리 프로세스의 타당성을 평가했습니다."라고 말했습니다. “그런 다음 프로젝트의 두 번째 단계에서 12 x 48인치 패널로 전환하고 하중을 가하여 이축 응력 상태를 생성하여 고장을 일으킨 다음 수리 성능을 평가했습니다. 두 번째 단계에서는 유지 관리를 구축한 AMCB 모델도 완성했습니다.”
Bergen은 수리 성능을 입증하기 위해 사용된 테스트 패널이 Seemann Composites에서 제조한 AMCB와 동일한 라미네이트 및 코어 재료 계열을 사용하여 제조되었지만 평행축 정리에 따라 패널 두께를 0.375인치에서 0.175인치로 줄였다고 말했습니다. . 이것이 사실입니다. 빔 이론 및 고전적 적층 이론(CLT)의 추가 요소와 함께 이 방법은 전체 크기 AMCB의 관성 모멘트와 유효 강성을 취급하기 쉽고 더 작은 크기의 데모 제품과 연결하는 데 사용되었습니다. 비용 효율적입니다. 그런 다음 XCraft Inc.(미국 매사추세츠 주 보스턴)에서 개발한 유한 요소 해석(FEA) 모델을 사용하여 구조 수리 설계를 개선했습니다.” 테스트 패널과 AMCB 모델에 사용된 탄소섬유 직물은 Vectorply에서 구입하였으며, 발사 코어는 Core Composites(Bristol, RI, US)에서 제공한 제품을 사용하였다.
1단계. 이 테스트 패널은 중앙에 표시된 손상을 시뮬레이션하고 둘레를 수리하기 위해 3인치 구멍 직경을 표시합니다. 모든 단계의 사진 출처: Custom Technologies LLC.
2단계. 배터리로 작동되는 수동 그라인더를 사용하여 손상된 재료를 제거하고 수리 패치를 12:1 테이퍼로 묶습니다.
Bergen은 “우리는 현장 교량 데크에서 볼 수 있는 것보다 테스트 보드에서 더 높은 수준의 손상을 시뮬레이션하고 싶습니다.”라고 설명했습니다. “그래서 우리의 방법은 구멍톱을 사용하여 직경 3인치의 구멍을 만드는 것입니다. 그런 다음 손상된 재료의 플러그를 뽑고 휴대용 공압 그라인더를 사용하여 12:1 스카프를 처리합니다.”
Crane은 탄소 섬유/에폭시 수리의 경우 "손상된" 패널 재료를 제거하고 적절한 스카프를 적용한 후 손상된 부분의 테이퍼에 맞게 프리프레그를 너비와 길이로 절단할 것이라고 설명했습니다. “우리 테스트 패널의 경우 수리 재료를 손상되지 않은 원래 탄소 패널의 상단과 일관되게 유지하려면 4겹의 프리프레그가 필요합니다. 그 후, 카본/에폭시 프리프레그의 3개 피복층이 수리된 부분에 집중됩니다. 각 연속 레이어는 하위 레이어의 모든 측면에서 1인치 확장되어 "양호한" 주변 재료에서 수리된 영역으로 점진적인 하중 전달을 제공합니다." 수리 영역 준비, 수복물 절단 및 배치, 경화 절차 적용을 포함하여 이 수리를 수행하는 데 소요되는 총 시간은 약 2.5시간입니다.
탄소 섬유/에폭시 프리프레그의 경우 수리 영역을 진공 포장하고 배터리 구동 열 접착기를 사용하여 210°F/99°C에서 1시간 동안 경화합니다.
카본/에폭시 수리는 간단하고 빠르지만, 팀은 성능을 복원하기 위한 보다 편리한 솔루션의 필요성을 인식했습니다. 이로 인해 자외선(UV) 경화 프리프레그가 개발되었습니다. Bergen은 “Sunrez 비닐 에스테르 수지에 대한 관심은 회사 창립자인 Mark Livesay와의 이전 해군 경험을 바탕으로 합니다.”라고 설명했습니다. “우리는 먼저 비닐 에스테르 프리프레그를 사용하여 Sunrez에 준등방성 유리 직물을 제공하고 다양한 조건에서 경화 곡선을 평가했습니다. 또한, 비닐에스테르 수지는 에폭시 수지와 달리 적절한 2차 접착 성능을 제공하는 것으로 알고 있기 때문에 다양한 접착층 커플링제를 평가하고 어느 것이 용도에 적합한지 판단하는 추가적인 노력이 필요합니다.”
또 다른 문제는 유리섬유가 탄소섬유와 동일한 기계적 성질을 제공할 수 없다는 점이다. “탄소/에폭시 패치와 비교했을 때 이 문제는 유리/비닐 에스테르의 추가 층을 사용하여 해결되었습니다.”라고 Crane은 말했습니다. “한 겹만 추가로 필요한 이유는 유리 소재가 더 무거운 직물이기 때문입니다.” 이를 통해 매우 춥거나 영하의 실내 온도에서도 6분 이내에 적용하고 결합할 수 있는 적합한 패치가 생성됩니다. 열을 제공하지 않고 경화합니다. 크레인은 이 수리 작업이 한 시간 안에 완료될 수 있다고 지적했습니다.
두 패치 시스템 모두 시연되고 테스트되었습니다. 수리할 때마다 손상될 부분을 표시하고(1단계) 홀쏘로 만든 다음 배터리 구동식 수동 그라인더를 사용하여 제거합니다(2단계). 그런 다음 수리된 부분을 12:1 테이퍼로 자릅니다. 알코올 패드로 스카프 표면을 청소합니다(3단계). 다음으로 보수패치를 일정한 크기로 잘라서 청소된 표면에 올려놓고(4단계) 롤러로 압착하여 기포를 제거합니다. 유리섬유/UV 경화 비닐 에스테르 프리프레그의 경우 수리된 부위에 이형층을 놓고 무선 UV 램프로 패치를 6분간 경화시킵니다(5단계). 탄소 섬유/에폭시 프리프레그의 경우 사전 프로그래밍된 원버튼 배터리 구동 열 접착기를 사용하여 진공 포장하고 수리된 부위를 210°F/99°C에서 1시간 동안 경화시킵니다.
Step 5. 보수 부위에 필링층을 붙인 후, 무선 UV 램프를 이용해 패치를 6분간 경화시킵니다.
Bergen은 "그런 다음 패치의 접착성과 구조물의 하중 지지력을 복원하는 능력을 평가하기 위한 테스트를 수행했습니다."라고 말했습니다. “첫 번째 단계에서는 적용 용이성과 최소 75%의 강도 회복 능력을 입증해야 합니다. 이는 시뮬레이션된 손상을 수리한 후 4 x 48인치 탄소 섬유/에폭시 수지 및 발사 코어 빔을 4점 굽힘 방식으로 수행됩니다. 예. 프로젝트의 두 번째 단계에서는 12 x 48인치 패널을 사용했으며 복잡한 변형 하중에서 90% 이상의 강도 요구 사항을 충족해야 합니다. 우리는 이러한 요구 사항을 모두 충족한 후 AMCB 모델에 대한 수리 방법을 촬영했습니다. 시각적 참조를 제공하기 위해 내야 기술 및 장비를 사용하는 방법.”
이 프로젝트의 핵심은 초보자도 쉽게 수리를 완료할 수 있다는 점을 입증하는 것입니다. 이러한 이유로 Bergen은 다음과 같은 아이디어를 얻었습니다. “나는 육군의 두 기술 담당자인 Bernard Sia 박사와 Ashley Genna에게 시연하기로 약속했습니다. 프로젝트 첫 번째 단계의 최종 검토에서 나는 수리를 요청하지 않았습니다. 숙련된 Ashley가 수리를 수행했습니다. 저희가 제공해드린 키트와 매뉴얼을 이용하여 패치를 부착하고 문제없이 수리를 완료하였습니다.”
그림 2 사전 프로그래밍된 배터리 구동 경화, 배터리 구동 열 접착 기계는 수리 지식이나 경화 주기 프로그래밍 없이 버튼 하나만 누르면 탄소 섬유/에폭시 수리 패치를 경화할 수 있습니다. 이미지 출처: Custom Technologies, LLC
또 다른 주요 개발은 배터리 구동 경화 시스템입니다(그림 2). Bergen은 “내야 유지 관리를 통해 배터리 전원만 있으면 됩니다.”라고 지적했습니다. “우리가 개발한 수리 키트의 공정 장비는 모두 무선입니다.” 여기에는 Custom Technologies와 열 접착 기계 공급업체인 WichiTech Industries Inc.(미국 메릴랜드주 랜달스타운) 기계가 공동으로 개발한 배터리 구동 열 접착이 포함됩니다. “이 배터리로 구동되는 열 접착기는 경화를 완료하도록 사전 프로그래밍되어 있으므로 초보자는 경화 주기를 프로그래밍할 필요가 없습니다.”라고 Crane은 말했습니다. "적절한 경사로를 완료하고 몸을 담그려면 버튼만 누르면 됩니다." 현재 사용 중인 배터리는 재충전이 필요하기 전까지 1년 동안 사용할 수 있습니다.
프로젝트 2단계가 완료됨에 따라 Custom Technologies는 후속 개선 제안을 준비하고 관심과 지원의 편지를 수집하고 있습니다. Bergen은 "우리의 목표는 이 기술을 TRL 8로 성숙시켜 현장에 적용하는 것입니다."라고 말했습니다. "우리는 또한 비군사적 적용 가능성도 보고 있습니다."
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게시 시간: 2021년 9월 2일