휴대용 키트는 실온 및 배터리 구동 경화 장비에 저장된 UV 제공 유리 섬유/비닐 에스테르 또는 탄소 섬유/에폭시 프리 레그로 수리 할 수 있습니다. #InsidEmanucture #infrastructure
UV-Curable Prepreg 패치 복구 내야수 컴포지트 브릿지 용 Custom Technologies LLC에 의해 개발 된 탄소 섬유/에폭시 프레프 레그 레시 레시 레그 레시는 간단하고 빠른 것으로 판명되었지만 유리 섬유 강화 UV 제공 비닐 에스테르 레인 프리 르프의 사용은보다 편리한 시스템을 개발했습니다. . 이미지 출처 : Custom Technologies LLC
모듈 식 배포 가능한 교량은 군사 전술 운영 및 물류의 중요한 자산뿐만 아니라 자연 재해 동안 운송 인프라의 복원을위한 중요한 자산입니다. 이러한 교량의 무게를 줄이기 위해 복합 구조가 연구되고있어 운송 차량 및 발사 회복 메커니즘의 부담이 줄어 듭니다. 금속 교량과 비교할 때 복합 재료는 하중을 함유하고 서비스 수명을 연장 할 가능성이 있습니다.
AMCB (Advanced Modular Composite Bridge)가 예입니다. Seemann Composites LLC (Gulfport, Mississippi, US) 및 Materials Sciences LLC (Horsham, PA, US)는 탄소 섬유 강화 에폭시 라미네이트를 사용합니다 (그림 1). ) 디자인 및 구성). 그러나 현장에서 이러한 구조를 수리하는 능력은 복합 재료의 채택을 방해하는 문제였습니다.
그림 1 복합 브리지, 주요 내야 자산 고급 모듈 식 복합 브리지 (AMCB)는 Carbon Fiber 강화 에폭시 수지 복합재를 사용한 Seemann Composites LLC 및 Materials Sciences LLC에 의해 설계 및 제작되었습니다. 이미지 출처 : Seeman Composites LLC (왼쪽) 및 미 육군 (오른쪽).
2016 년, Custom Technologies LLC (Millersville, MD, 미국)는 미 육군 지원 소규모 비즈니스 혁신 연구 (SBIR) 1 단계 보조금을 받았으며 군인들이 성공적으로 수행 할 수있는 수리 방법을 개발했습니다. 이 접근법을 바탕으로 SBIR 보조금의 두 번째 단계는 2018 년에 새로운 재료와 배터리 구동 장비를 선보이기 위해 수여되었습니다. 사전 교육없이 초보자가 패치를 수행하더라도 90% 이상의 구조물을 RAW로 복원 할 수 있습니다. 힘. 이 기술의 타당성은 일련의 분석, 재료 선택, 시편 제조 및 기계 테스트 작업, 소규모 및 본격적인 수리를 수행함으로써 결정됩니다.
두 SBIR 단계의 주요 연구원은 Custom Technologies LLC의 창립자이자 사장 인 Michael Bergen입니다. Bergen은 NSWC (Naval Surface Warfare Center)의 Carderock에서 은퇴하여 27 년 동안 구조 및 재료 부서에서 근무했으며, 이곳에서 미국 해군 함대에서 복합 기술의 개발 및 적용을 관리했습니다. Roger Crane 박사는 2011 년 미국 해군에서 은퇴 한 후 2015 년 Custom Technologies에 합류하여 32 년 동안 복무했습니다. 그의 복합 재료 전문 지식에는 새로운 복합 재료, 프로토 타입 제조, 연결 방법, 다기능 복합 재료, 구조 건강 모니터링 및 복합 재료 복원과 같은 주제를 다루는 기술 간행물 및 특허가 포함됩니다.
두 전문가는 복합 재료를 사용하여 Ticonderoga CG-47 Class Guided Missile Cruiser 5456의 알루미늄 상부 구조의 균열을 복구하는 고유 한 프로세스를 개발했습니다. 2 ~ 4 백만 달러의 플랫폼 보드를 대체하기 위해”라고 Bergen은 말했습니다. “따라서 우리는 실험실 외부와 실제 서비스 환경에서 수리를 수행하는 방법을 알고 있음을 증명했습니다. 그러나 과제는 현재의 군사 자산 방법이 그다지 성공하지 못한다는 것입니다. 옵션은 본딩 된 이중 수리 (기본적으로 손상된 지역에서 보드를 맨 위에 접착]하거나 창고 수준 (D- 레벨) 수리 서비스에서 자산을 제거합니다. D- 수준의 수리가 필요하기 때문에 많은 자산이 제쳐두고 있습니다.”
그는 키트와 유지 보수 매뉴얼 만 사용하여 복합 재료에 대한 경험이없는 병사들이 수행 할 수있는 방법이라고 말하면서 계속해서 말했습니다. 우리의 목표는 프로세스를 간단하게 만드는 것입니다. 매뉴얼을 읽고, 손상을 평가하고, 수리를 수행하는 것입니다. 우리는 액체 수지를 혼합하고 싶지 않습니다. 완전한 경화를 보장하기 위해 정확한 측정이 필요하기 때문입니다. 또한 수리가 완료된 후에도 유해 폐기물이없는 시스템이 필요합니다. 기존 네트워크에서 배포 할 수있는 키트로 포장되어야합니다. '
맞춤형 기술이 성공적으로 보여준 한 가지 솔루션은 손상 크기 (최대 12 평방 인치)에 따라 접착제 복합 패치를 사용자 정의하기 위해 강화 된 에폭시 접착제를 사용하는 휴대용 키트입니다. 시연은 3 인치 두께의 AMCB 데크를 나타내는 복합 재료에서 완료되었습니다. 복합 재료는 3 인치 두께의 발사 목재 코어 (입방 피트 밀도 당 15 파운드)와 2 층의 벡터 (Phoenix, Arizona, US)를 갖는다. C-TLX 1900 탄소 섬유 0 °/+45 °/-45 ° 3 개의 샤프트 및 C-LT 1100의 2 층, 총 5 개의 층. Crane은“이 키트는 다축과 유사한 준 동방성 라미네이트에서 조립식 패치를 사용하여 직물 방향이 문제가되지 않도록 결정했습니다.
다음 문제는 라미네이트 수리에 사용되는 수지 매트릭스입니다. 액체 수지를 혼합하지 않기 위해 패치는 PrepReg를 사용합니다. Bergen은“그러나 이러한 과제는 저장소입니다. 저장 가능한 패치 솔루션을 개발하기 위해 Custom Technologies는 Sunrez Corp. (미국 캘리포니아 주 엘 카종)와 파트너 관계를 맺어 6 분 동안 조명 경화로 자외선 (UV)을 사용할 수있는 유리 섬유/비닐 에스테르 Prepreg를 개발했습니다. 또한 Gougeon Brothers (미국 미시간 주 베이 시티)와 협력하여 새로운 유연한 에폭시 필름의 사용을 제안했습니다.
초기 연구에 따르면 에폭시 수지는 탄소 섬유 Prepregs-UV-Curable Vinyl 에스테르 및 반투명 유리 섬유에 가장 적합한 수지이며, 경량 블로킹 탄소 섬유 하에서는 경화되지 않습니다. Gougeon Brothers의 새로운 영화를 기반으로, 최종 에폭시 프레그 레그는 210 ° F/99 ° C에서 1 시간 동안 경화되며 실온에서 저온 저장에 필요한 긴 유통 기간이 길어집니다. Bergen은 유리 전이 온도 (TG)가 더 필요한 경우 수지는 350 ° F/177 ° C와 같은 더 높은 온도에서 경화 될 것이라고 말했다. 두 Prepreg는 플라스틱 필름 엔벨로프에 밀봉 된 Prepreg 패치 스택으로 휴대용 수리 키트에 제공됩니다.
수리 키트는 오랫동안 저장 될 수 있으므로 저장 수명 연구를 수행하려면 맞춤형 기술이 필요합니다. Bergen은“우리는 교통 장비에 사용되는 전형적인 군사 유형 인 4 개의 단단한 플라스틱 인클로저를 구입했으며 에폭시 접착제 및 비닐 에스테르 프레드 레그 샘플을 각 인클로저에 넣었습니다. 상자는 테스트를 위해 4 개의 다른 위치에 배치되었습니다. 미시간 주 Gougeon Brothers Factory의 지붕, 메릴랜드 공항의 지붕, 유카 밸리 (California Desert)의 야외 시설, 플로리다 남부의 야외 부식 테스트 실험실. Bergen은 모든 사례에는 데이터 로거가 있으며“우리는 3 개월마다 평가를 위해 데이터와 재료 샘플을 가져옵니다. 플로리다와 캘리포니아의 상자에 기록 된 최대 온도는 140 ° F이며 대부분의 복원 수지에 좋습니다. 진짜 도전입니다.” 또한 Gougeon Brothers는 새로 개발 된 순수한 에폭시 수지를 내부적으로 테스트했습니다. Bergen은“120 ° F에서 몇 개월 동안 오븐에 배치 된 샘플이 중합하기 시작합니다. "그러나 110 ° F로 유지 된 해당 샘플의 경우 수지 화학은 소량 만 개선되었습니다."
수리는 테스트 보드와 AMCB 의이 스케일 모델에서 확인되었으며,이 규모는 Seemann 복합재로 제작 된 원래 브리지와 동일한 라미네이트 및 코어 재료를 사용했습니다. 이미지 출처 : Custom Technologies LLC
수리 기술을 입증하려면 대표 라미네이트를 제조, 손상 및 수리해야합니다. 클라인은“이 프로젝트의 첫 번째 단계에서 처음에는 소규모 4 x 48 인치 빔과 4 점 벤딩 테스트를 사용하여 수리 과정의 타당성을 평가했습니다. “우리는 프로젝트의 두 번째 단계에서 12 x 48 인치 패널로 전환하고 부하를 적용하여 이축 응력 상태를 생성하여 고장을 일으킨 다음 수리 성능을 평가했습니다. 두 번째 단계에서는 유지 보수를 구축 한 AMCB 모델도 완료했습니다.”
Bergen은 수리 성능을 입증하는 데 사용 된 테스트 패널은 Seemann Composites에서 제조 한 AMCB와 동일한 라미네이트 및 코어 재료의 혈통을 사용하여 제조되었다고 말했다. . 이것은 사실입니다. 이 방법은 빔 이론 및 고전적인 라미네이트 이론 [CLT]의 추가 요소와 함께 전체 스케일 AMCB의 관성 모멘트와 효과적인 강성을 다루기 쉬운 소규모 데모 제품과 연결하는 데 사용되었습니다. 비용 효율적입니다. 그런 다음 Xcraft Inc. (미국 매사추세츠 주 보스턴)가 개발 한 유한 요소 분석 [FEA] 모델을 사용하여 구조 수리 설계를 개선했습니다.” 테스트 패널 및 AMCB 모델에 사용 된 탄소 섬유 직물은 벡터로부터 구매되었으며, BALSA 코어는 Core Composites (Bristol, RI, US)에 의해 만들어졌습니다.
1 단계.이 테스트 패널은 중앙에 표시된 손상을 시뮬레이션하고 둘레를 수리하기 위해 3 인치 구멍 직경을 표시합니다. 모든 단계에 대한 사진 소스 : Custom Technologies LLC.
2 단계. 배터리 구동 수동 분쇄기를 사용하여 손상된 재료를 제거하고 수리 패치를 12 : 1 테이퍼로 둘러싸십시오.
Bergen은“우리는 필드의 브리지 데크에서 볼 수있는 것보다 테스트 보드에서 더 높은 피해를 시뮬레이션하고 싶다”고 설명했다. “따라서 우리의 방법은 구멍 톱을 사용하여 3 인치 직경의 구멍을 만드는 것입니다. 그런 다음 손상된 재료의 플러그를 꺼내고 핸드 헬드 공압 분쇄기를 사용하여 12 : 1 스카프를 처리합니다.”
Crane은 탄소 섬유/에폭시 복구의 경우 "손상된"패널 재료가 제거되고 적절한 스카프가 적용되면 Prepreg는 손상된 영역의 테이퍼와 일치하도록 폭과 길이로 절단됩니다. “테스트 패널의 경우 원래의 손상되지 않은 탄소 패널의 상단과 일치하는 수리 재료를 유지하기 위해 4 개의 Prepreg가 필요합니다. 그 후, 탄소/에폭시 Prepreg의 3 개의 덮개 층이 수리 된 부분에서 이것에 집중된다. 각각의 연속 층은 하단 층의 모든면에서 1 인치 연장되며, 이는“좋은”주변 재료에서 수리 영역으로 점진적인 하중 전달을 제공합니다. 수리 영역 준비, 복원 재료 절단 및 배치 및 경화 절차를 2.5 시간 적용하는이 수리를 수행하는 총 시간.
탄소 섬유/에폭시 프리프 레그의 경우, 수리 영역은 배터리 구동 열 보더를 사용하여 210 ° F/99 ° C에서 1 시간 동안 210 ° F/99 ° C에서 경화됩니다.
탄소/에폭시 복구는 간단하고 빠르지 만 팀은 성능을 복원하기위한보다 편리한 솔루션이 필요하다는 것을 인식했습니다. 이로 인해 자외선 (UV) 경화 Prepregs의 탐색이 이루어졌습니다. Bergen은“Sunrez Vinyl Ester 수지에 대한 관심은 회사의 설립자 Mark Livesay와의 이전 해군 경험을 기반으로합니다. “우리는 먼저 비닐 에스테르 Prepreg를 사용하여 Sunrez에게 준 동방성 유리 직물을 제공하고 다른 조건에서 경화 곡선을 평가했습니다. 또한, 비닐 에스테르 수지는 적절한 2 차 접착 성능을 제공하는 에폭시 수지와 같지 않기 때문에 다양한 접착제 층 커플 링 제를 평가하고 적용에 적합한 것을 결정하기 위해 추가 노력이 필요합니다.”
또 다른 문제는 유리 섬유가 탄소 섬유와 동일한 기계적 특성을 제공 할 수 없다는 것입니다. Crane은“탄소/에폭시 패치와 비교 하여이 문제는 유리/비닐 에스테르의 추가 층을 사용하여 해결됩니다. "하나의 추가 층만 필요한 이유는 유리 재료가 더 무거운 직물이기 때문입니다." 이것은 매우 차가운/동결 내야 온도에서도 6 분 이내에 적용하고 결합 할 수있는 적절한 패치를 생성합니다. 열을 제공하지 않고 경화. 크레인은이 수리 작업이 1 시간 안에 완료 될 수 있다고 지적했다.
두 패치 시스템 모두 시연되고 테스트되었습니다. 각 수리의 경우 손상된 영역이 표시되고 (1 단계) 구멍 톱으로 생성 된 다음 배터리 구동 수동 분쇄기를 사용하여 제거했습니다 (2 단계). 그런 다음 수리 된 영역을 12 : 1 테이퍼로 자릅니다. 알코올 패드로 스카프 표면을 청소하십시오 (3 단계). 다음으로 수리 패치를 특정 크기로 자르고 청소 된 표면 (4 단계)에 놓고 롤러로 통합하여 기포를 제거합니다. 유리 섬유/UV- 경화 비닐 에스테르 Prepreg의 경우, 수리 된 영역에 릴리스 층을 놓고 6 분 동안 무선 UV 램프로 패치를 치료합니다 (5 단계). 탄소 섬유/에폭시 프리프 레그의 경우, 사전 프로그래밍 된 1 버튼의 배터리 구동 열 보더를 사용하여 진공 팩을 진공 팩으로 만들고 1 시간 동안 수리 된 영역을 210 ° F/99 ° C에서 치료하십시오.
5 단계. 수리 된 영역에 필링 층을 놓은 후 무선 UV 램프를 사용하여 패치를 6 분 동안 경화시킵니다.
Bergen은“그런 다음 패치의 접착 성과 구조물의 하중을 복원하는 능력을 평가하기위한 테스트를 수행했습니다. “첫 번째 단계에서는 적용의 용이성과 강도의 75% 이상을 회복하는 능력을 증명해야합니다. 이것은 시뮬레이션 된 손상을 수리 한 후 4 x 48 인치 탄소 섬유/에폭시 수지 및 발사 코어 빔에서 4 점 굽힘에 의해 수행됩니다. 예. 이 프로젝트의 두 번째 단계는 12 x 48 인치 패널을 사용했으며 복잡한 변형 하중 하에서 90% 이상의 강도 요구 사항을 나타냅니다. 이 모든 요구 사항을 충족 한 다음 AMCB 모델에서 수리 방법을 촬영했습니다. 시각적 참조를 제공하기 위해 내야 기술 및 장비를 사용하는 방법.”
이 프로젝트의 주요 측면은 초보자가 쉽게 수리를 완료 할 수 있음을 증명하는 것입니다. 이런 이유로 Bergen은 다음과 같이 생각했습니다.“저는 Bernard Sia 박사와 Ashley Genna라는 군대의 두 가지 기술적 접촉을 보여 주겠다고 약속했습니다. 프로젝트의 첫 번째 단계에 대한 마지막 검토에서 나는 수리를 요청하지 않았다. 숙련 된 Ashley는 수리를 수행했습니다. 우리가 제공 한 키트와 매뉴얼을 사용하여 그녀는 패치를 적용하고 문제없이 수리를 완료했습니다.”
그림 2 배터리 구동 경화 사전 프로그래밍 된 배터리 구동 열 본딩 기계는 수리 지식 또는 경화주기 프로그래밍 없이도 버튼을 푸시 할 때 탄소 섬유/에폭시 수리 패치를 치료할 수 있습니다. 이미지 출처 : Custom Technologies, LLC
또 다른 주요 개발은 배터리 구동 경화 시스템입니다 (그림 2). Bergen은“내야 유지를 통해 배터리 전원 만 가지고 있습니다. "우리가 개발 한 수리 키트의 모든 공정 장비는 무선입니다." 여기에는 Custom Technologies 및 Thermal Bonding Machine 공급 업체 인 Wichitech Industries Inc. (미국 메릴랜드 주 랜달 스 타운) 기계가 공동으로 개발 한 배터리 구동 열 본딩이 포함됩니다. Crane은“이 배터리 구동 열 보더는 경화를 완료하기 위해 사전 프로그래밍되므로 초보자는 경화주기를 프로그래밍 할 필요가 없습니다. "그들은 단지 적절한 경사로를 완성하고 담그기 위해 버튼을 누르기 만하면됩니다." 현재 사용중인 배터리는 재충전해야하기 전에 1 년 동안 지속될 수 있습니다.
프로젝트의 두 번째 단계가 완료되면서 Custom Technologies는 후속 개선 제안을 준비하고 관심있는 편지 및 지원을 수집하고 있습니다. Bergen은“우리의 목표는이 기술을 TRL 8로 성숙시켜 현장으로 가져 오는 것입니다. "우리는 또한 비 군사 응용 프로그램의 잠재력을 볼 수 있습니다."
업계 최초의 섬유 강화의 기존 예술을 설명하고 새로운 섬유 과학과 미래 개발에 대한 심도있는 이해를 가지고 있습니다.
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시간 후 : 9 월 -02-2021