휴대용 키트는 실온에 보관된 UV 경화형 유리 섬유/비닐 에스테르 또는 탄소 섬유/에폭시 프리프레그와 배터리로 작동하는 경화 장비를 사용하여 수리할 수 있습니다. #insidemanufacturing #infrastructure
UV 경화형 프리프레그 패치 수리 Custom Technologies LLC에서 개발한 인필드 복합 교량용 탄소 섬유/에폭시 프리프레그 수리는 간단하고 빠른 것으로 입증되었지만, 유리 섬유 강화 UV 경화형 비닐 에스테르 수지 프리프레그를 사용함으로써 더욱 편리한 시스템이 개발되었습니다. 이미지 출처: Custom Technologies LLC
모듈형 전개형 교량은 군사 전술 작전 및 물류뿐 아니라 자연재해 발생 시 교통 인프라 복구에도 중요한 자산입니다. 이러한 교량의 무게를 줄여 수송 차량과 발사-회수 장치의 부담을 줄이기 위해 복합재 구조물에 대한 연구가 진행 중입니다. 금속 교량과 비교했을 때, 복합재는 하중 지지력을 높이고 사용 수명을 연장할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
고급 모듈형 복합 교량(AMCB, Advanced Modular Composite Bridge)이 그 예입니다. Seemann Composites LLC(미국 미시시피주 걸프포트)와 Materials Sciences LLC(미국 펜실베이니아주 호샴)는 탄소 섬유 강화 에폭시 라미네이트를 사용합니다(그림 1). 설계 및 시공). 그러나 현장에서 이러한 구조물을 수리할 수 있는 능력은 복합 재료 도입을 저해하는 문제로 남아 있습니다.
그림 1 복합재 교량, 핵심 현장 자산 고급 모듈형 복합재 교량(AMCB)은 Seemann Composites LLC와 Materials Sciences LLC가 탄소 섬유 강화 에폭시 수지 복합재를 사용하여 설계 및 시공했습니다. 이미지 출처: Seeman Composites LLC(왼쪽) 및 미 육군(오른쪽).
2016년, Custom Technologies LLC(미국 메릴랜드주 밀러즈빌)는 군인들이 현장에서 성공적으로 수행할 수 있는 수리 방법을 개발하기 위해 미 육군이 지원하는 중소기업 혁신 연구(SBIR) 1단계 연구비를 수여받았습니다. 이 접근 방식을 바탕으로 2018년 SBIR 2단계 연구비가 수여되어 신소재와 배터리 구동 장비를 선보였습니다. 사전 교육 없이 초보자가 패치 작업을 수행하더라도 구조물의 90% 이상 원상 강도를 회복할 수 있습니다. 이 기술의 실현 가능성은 일련의 분석, 소재 선정, 시편 제작 및 기계적 시험 작업, 그리고 소규모 및 대규모 수리를 통해 결정됩니다.
두 단계의 SBIR(중장기 연구 계획)의 주요 연구원은 커스텀 테크놀로지스(Custom Technologies LLC)의 설립자이자 사장인 마이클 버겐(Michael Bergen)입니다. 버겐은 해군 수상전 센터(NSWC) 카더록(Carderock)에서 은퇴하여 27년간 구조 및 재료 부서에서 근무하며 미 해군 함대의 복합재 기술 개발 및 적용을 관리했습니다. 로저 크레인(Roger Crane) 박사는 2011년 미 해군에서 은퇴한 후 2015년 커스텀 테크놀로지스에 합류하여 32년간 근무했습니다. 그의 복합재 전문 지식에는 새로운 복합재, 시제품 제작, 접합 방법, 다기능 복합재, 구조 건전성 모니터링, 복합재 복원 등의 주제를 다루는 기술 논문 및 특허가 포함됩니다.
두 전문가는 타이콘데로가 CG-47급 유도 미사일 순양함 5456의 알루미늄 상부 구조 균열을 복합 재료를 사용하여 수리하는 독창적인 공정을 개발했습니다. 버겐은 "이 공정은 균열 발생을 줄이고 200만~400만 달러의 플랫폼 보드 교체 비용을 절감하는 경제적인 대안으로 개발되었습니다."라고 말했습니다. "이를 통해 실험실 밖, 실제 운용 환경에서 수리를 수행할 수 있다는 것을 입증했습니다. 하지만 문제는 현재의 군 자산 수리 방식이 그다지 효과적이지 않다는 것입니다. 해결 방법은 본드 이중 수리(기본적으로 손상된 부위에 보드를 접착하는 방식)를 하거나, 자산을 운용에서 제외하여 D-레벨(창고 수준) 수리를 진행하는 것입니다. D-레벨 수리가 필요하기 때문에 많은 자산이 폐기됩니다."
그는 복합 재료에 대한 경험이 없는 군인도 키트와 정비 매뉴얼만으로 수행할 수 있는 방법이 필요하다고 덧붙였습니다. 우리의 목표는 절차를 간소화하는 것입니다. 매뉴얼을 읽고, 손상 정도를 평가하고, 수리를 진행하면 됩니다. 액상 수지를 혼합하는 것은 완전 경화를 위해 정밀한 계량이 필요하기 때문에 바람직하지 않습니다. 또한 수리 완료 후 유해 폐기물이 발생하지 않는 시스템이 필요합니다. 그리고 기존 네트워크에서 사용할 수 있는 키트 형태로 제공되어야 합니다."
Custom Technologies가 성공적으로 시연했던 한 가지 솔루션은 강화 에폭시 접착제를 사용하여 손상 크기(최대 12제곱인치)에 따라 접착성 합성 패치를 사용자 정의하는 휴대용 키트입니다.시연은 3인치 두께의 AMCB 데크를 나타내는 합성 재료에서 완료되었습니다.합성 재료는 3인치 두께의 발사 목재 코어(15파운드/입방 피트 밀도)와 Vectorply(애리조나주 피닉스, 미국) C-LT 1100 탄소 섬유 0°/90° 이축 스티치 패브릭 2겹, C-TLX 1900 탄소 섬유 0°/+45°/-45° 3개 샤프트 1겹, C-LT 1100 2겹, 총 5겹으로 구성됩니다.Crane은 "패브릭 방향이 문제가 되지 않도록 키트에서 다축과 유사한 준등방성 라미네이트로 미리 제작된 패치를 사용하기로 결정했습니다."라고 말했습니다.
다음 문제는 라미네이트 수리에 사용되는 수지 매트릭스입니다. 액상 수지의 혼합을 피하기 위해 패치는 프리프레그를 사용합니다. "하지만 이러한 어려움은 보관입니다."라고 Bergen은 설명했습니다. 보관 가능한 패치 솔루션을 개발하기 위해 Custom Technologies는 Sunrez Corp.(미국 캘리포니아주 엘카혼)와 협력하여 6분 만에 자외선(UV)을 사용하여 광 경화할 수 있는 유리 섬유/비닐 에스테르 프리프레그를 개발했습니다. 또한 Gougeon Brothers(미국 미시간주 베이시티)와 협력하여 새로운 유연한 에폭시 필름 사용을 제안했습니다.
초기 연구에 따르면 에폭시 수지는 탄소 섬유 프리프레그에 가장 적합한 수지입니다. 자외선 경화형 비닐 에스테르와 반투명 유리 섬유는 잘 작동하지만, 빛을 차단하는 탄소 섬유 아래에서는 경화되지 않습니다. Gougeon Brothers의 새로운 필름을 기반으로 최종 에폭시 프리프레그는 99°C(210°F)에서 1시간 동안 경화되며, 실온에서 장기간 보관할 수 있어 저온 보관이 필요하지 않습니다. Bergen은 더 높은 유리 전이 온도(Tg)가 필요한 경우, 수지는 177°C(350°F)와 같은 더 높은 온도에서도 경화될 수 있다고 설명했습니다. 두 프리프레그 모두 휴대용 수리 키트에 프리프레그 패치를 쌓아 플라스틱 필름 봉투에 밀봉하여 제공됩니다.
수리 키트는 장기간 보관될 수 있으므로 Custom Technologies는 유통기한 연구를 수행해야 합니다. Bergen은 "운송 장비에 사용되는 일반적인 군용 유형의 단단한 플라스틱 케이스 네 개를 구입하여 각 케이스에 에폭시 접착제와 비닐 에스테르 프리프레그 샘플을 넣었습니다."라고 말했습니다. 그런 다음 상자를 네 곳의 다른 장소에 배치하여 테스트를 진행했습니다. 미시간주 Gougeon Brothers 공장 지붕, 메릴랜드 공항 지붕, 캘리포니아 사막 유카 밸리의 옥외 시설, 그리고 플로리다 남부의 옥외 부식 시험실입니다. 모든 케이스에는 데이터 로거가 장착되어 있다고 Bergen은 지적합니다. "3개월마다 데이터와 재료 샘플을 채취하여 평가를 진행합니다. 플로리다와 캘리포니아의 상자에 기록된 최대 온도는 64°C로, 대부분의 복원 수지에 적합한 온도입니다. 정말 어려운 작업입니다." 또한 Gougeon Brothers는 새로 개발된 순수 에폭시 수지를 내부적으로 테스트했습니다. Bergen은 "샘플을 64°C의 오븐에 몇 달 동안 넣어 두면 중합되기 시작합니다."라고 말했습니다. "그러나 110°F에서 보관한 해당 샘플의 경우 수지 화학은 약간만 개선되었습니다."
수리는 Seemann Composites에서 제작한 기존 교량과 동일한 라미네이트 및 심재가 사용된 AMCB의 테스트 보드와 축소 모형에서 검증되었습니다. 이미지 출처: Custom Technologies LLC
수리 기술을 시연하기 위해서는 대표적인 라미네이트를 제작하고, 손상시킨 후 수리해야 합니다. 클라인은 "프로젝트 1단계에서는 소규모 4 x 48인치 보와 4점 굽힘 시험을 통해 수리 공정의 타당성을 평가했습니다."라고 말했습니다. "그런 다음 프로젝트 2단계에서는 12 x 48인치 패널로 전환하여 하중을 가하여 이축 응력 상태를 생성하고, 파손을 유발한 후 수리 성능을 평가했습니다. 2단계에서는 유지보수를 위해 제작한 AMCB 모델도 완성했습니다."
Bergen은 수리 성능을 입증하는 데 사용된 테스트 패널은 Seemann Composites에서 제조한 AMCB와 동일한 적층재 및 코어 재료 계통을 사용하여 제조되었지만 "평행 축 정리에 따라 패널 두께를 0.375인치에서 0.175인치로 줄였습니다. 이것이 사실입니다. 이 방법은 보 이론과 고전적 적층 이론[CLT]의 추가 요소와 함께 사용되어 전체 규모 AMCB의 관성 모멘트와 유효 강성을 취급하기 쉽고 비용 효율적인 더 작은 크기의 데모 제품과 연결하는 데 사용되었습니다. 그런 다음 XCraft Inc.(미국 매사추세츠주 보스턴)에서 개발한 유한 요소 해석[FEA] 모델을 사용하여 구조 수리 설계를 개선했습니다." 테스트 패널과 AMCB 모델에 사용된 탄소 섬유 직물은 Vectorply에서 구입했고 발사 코어는 Core Composites(미국 로드아일랜드주 브리스톨)에서 제공했습니다.
1단계. 이 테스트 패널에는 중앙에 표시된 손상을 시뮬레이션하고 둘레를 복구하기 위한 3인치(7.6cm) 구멍 직경이 표시됩니다. 모든 단계의 사진 출처: Custom Technologies LLC.
2단계. 배터리로 작동하는 수동 그라인더를 사용하여 손상된 재료를 제거하고 12:1 테이퍼로 수리 패치를 둘러싸세요.
"현장에서 교량 상판에서 볼 수 있는 것보다 더 심각한 손상을 테스트 보드에 시뮬레이션하고 싶습니다."라고 버겐은 설명했습니다. "그래서 저희 방법은 홀쏘를 사용하여 지름 7.6cm(3인치)의 구멍을 뚫는 것입니다. 그런 다음 손상된 재료의 플러그를 빼내고 휴대용 공압 그라인더를 사용하여 12:1 스카프를 가공합니다."
Crane은 탄소 섬유/에폭시 수리의 경우 "손상된" 패널 재료를 제거하고 적절한 스카프를 적용한 후 손상된 영역의 테이퍼와 일치하도록 프리프레그를 너비와 길이로 절단한다고 설명했습니다. "테스트 패널의 경우 수리 재료가 원래 손상되지 않은 탄소 패널의 상단과 일치하도록 4겹의 프리프레그가 필요합니다. 그런 다음 탄소/에폭시 프리프레그의 3겹을 이 수리된 부분에 집중합니다. 각 연속 층은 아래층의 모든 면에서 1인치 확장되어 "양호한" 주변 재료에서 수리된 영역으로 점진적인 하중 전달을 제공합니다." 수리 영역 준비, 복원 재료 절단 및 배치, 경화 절차 적용을 포함한 이 수리를 수행하는 총 시간은 약 2.5시간입니다.
탄소 섬유/에폭시 프리프레그의 경우, 수리 부위를 진공 포장하고 배터리로 구동되는 열 접착기를 사용하여 210°F/99°C에서 1시간 동안 경화합니다.
탄소/에폭시 수리는 간단하고 빠르지만, 팀은 성능 복원을 위한 더욱 편리한 솔루션의 필요성을 인지했습니다. 이는 자외선(UV) 경화 프리프레그 개발로 이어졌습니다. "Sunrez 비닐 에스테르 수지에 대한 관심은 회사 설립자 마크 리브세이(Mark Livesay)의 이전 해군 경험에 기인합니다."라고 버겐(Bergen)은 설명했습니다. "우리는 먼저 Sunrez에 비닐 에스테르 프리프레그를 사용하여 준등방성 유리 섬유를 제공하고 다양한 조건에서 경화 곡선을 평가했습니다. 또한, 비닐 에스테르 수지는 에폭시 수지처럼 적절한 2차 접착 성능을 제공하지 않는다는 것을 알고 있기 때문에 다양한 접착층 커플링제를 평가하고 어떤 제품이 해당 용도에 적합한지 결정하기 위한 추가적인 노력이 필요합니다."
또 다른 문제는 유리 섬유가 탄소 섬유와 동일한 기계적 특성을 제공할 수 없다는 것입니다. 크레인은 "탄소/에폭시 패치와 비교했을 때, 이 문제는 유리/비닐 에스테르 층을 추가로 사용하여 해결됩니다."라고 말했습니다. "추가 층이 한 겹만 필요한 이유는 유리 소재가 더 무거운 직물이기 때문입니다." 이렇게 하면 매우 춥거나 영하의 기온에서도 6분 이내에 적용 및 결합할 수 있는 적합한 패치가 생성됩니다. 열을 가하지 않고도 경화됩니다. 크레인은 이 수리 작업이 한 시간 안에 완료될 수 있다고 강조했습니다.
두 패치 시스템 모두 시연 및 테스트를 거쳤습니다. 각 수리 작업 시, 손상될 부위를 표시하고(1단계), 홀쏘로 구멍을 뚫은 후, 배터리식 수동 그라인더를 사용하여 제거합니다(2단계). 그런 다음 수리된 부위를 12:1 테이퍼로 자릅니다. 스카프 표면을 알코올 패드로 닦습니다(3단계). 다음으로, 수리 패치를 특정 크기로 자르고, 깨끗이 닦은 표면에 올려놓고(4단계), 롤러로 압착하여 기포를 제거합니다. 유리 섬유/UV 경화 비닐 에스테르 프리프레그의 경우, 수리된 부위에 이형층을 놓고 무선 UV 램프로 6분간 경화합니다(5단계). 탄소 섬유/에폭시 프리프레그의 경우, 사전 프로그래밍된 원버튼 배터리식 열 접착기를 사용하여 진공 포장하고 수리된 부위를 99°C(210°F)에서 1시간 동안 경화합니다.
5단계. 수리된 부위에 필링층을 놓은 후, 무선 UV 램프를 사용하여 패치를 6분간 경화시킵니다.
"그런 다음 패치의 접착력과 구조물의 하중 지지력 복원력을 평가하는 시험을 수행했습니다."라고 Bergen은 말했습니다. "첫 번째 단계에서는 적용 용이성과 최소 75%의 강도 회복력을 입증해야 합니다. 이는 시뮬레이션된 손상을 복구한 후 4 x 48인치 탄소 섬유/에폭시 수지와 발사 코어 보에 4점 굽힘 시험을 실시하여 수행됩니다. 네, 그렇습니다. 프로젝트의 두 번째 단계에서는 12 x 48인치 패널을 사용했으며, 복잡한 변형 하중에서 90% 이상의 강도 요건을 충족해야 합니다. 이러한 모든 요건을 충족한 후 AMCB 모델에서 수리 방법을 사진으로 촬영했습니다. 현장 기술과 장비를 사용하여 시각적 참고 자료를 제공하는 방법도 설명했습니다."
이 프로젝트의 핵심은 초보자도 쉽게 수리를 완료할 수 있다는 것을 증명하는 것입니다. 이러한 이유로 Bergen은 다음과 같은 아이디어를 떠올렸습니다. "저는 군에 있는 두 명의 기술 담당자, Bernard Sia 박사와 Ashley Genna에게 시연을 보여주겠다고 약속했습니다. 프로젝트 1단계 최종 검토에서 저는 수리를 요청하지 않았습니다. 하지만 경험이 풍부한 Ashley가 수리를 진행했습니다. 저희가 제공한 키트와 설명서를 사용하여 패치를 부착하고 아무런 문제 없이 수리를 완료했습니다."
그림 2. 배터리 구동 방식의 경화 사전 프로그래밍된 배터리 구동 열 접착기는 수리 지식이나 경화 사이클 프로그래밍 없이도 버튼 하나만 누르면 탄소 섬유/에폭시 수리 패치를 경화할 수 있습니다. 이미지 출처: Custom Technologies, LLC
또 다른 핵심 개발은 배터리 구동 경화 시스템입니다(그림 2). 버겐은 "현장 유지 관리를 통해 배터리 전력만 사용할 수 있습니다."라고 지적했습니다. "저희가 개발한 수리 키트의 모든 공정 장비는 무선입니다." 여기에는 커스텀 테크놀로지스와 열접착 장비 공급업체 위치테크 인더스트리즈(미국 메릴랜드주 랜달스타운)가 공동 개발한 배터리 구동 열접착 장비가 포함됩니다. 크레인은 "이 배터리 구동 열접착기는 경화 완료를 위해 사전 프로그래밍되어 있어 초보자도 경화 주기를 프로그래밍할 필요가 없습니다."라고 말했습니다. "버튼만 누르면 적절한 램프(ramp)와 소킹(soaking)이 완료됩니다." 현재 사용 중인 배터리는 재충전 없이 1년 동안 사용할 수 있습니다.
프로젝트 2단계 완료와 함께 커스텀 테크놀로지스는 후속 개선 제안서를 준비하고 관심 및 지지 서한을 수집하고 있습니다. 버겐은 "우리의 목표는 이 기술을 TRL 8 수준으로 발전시켜 현장에 적용하는 것입니다."라고 말했습니다. "또한 비군사적 응용 분야에서도 잠재력을 기대하고 있습니다."
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곧 출시되어 처음으로 비행하는 787은 목표를 달성하기 위해 복합 재료와 프로세스의 혁신에 의존합니다.
게시 시간: 2021년 9월 2일