ポータブルキットは、室温で保管された UV 硬化型グラスファイバー / ビニルエステルまたはカーボンファイバー / エポキシ プリプレグとバッテリー駆動の硬化装置を使用して修理できます。#insidemanufacturing #infrastructure
UV硬化型プリプレグによるパッチ修理 Custom Technologies LLCが内野複合橋梁用に開発した炭素繊維/エポキシプリプレグによる修理は、シンプルで迅速であることが証明されましたが、ガラス繊維強化UV硬化型ビニルエステル樹脂プリプレグを使用することで、より便利なシステムが開発されました。画像提供：Custom Technologies LLC
モジュール式展開橋は、軍事作戦や兵站、そして自然災害時の交通インフラの復旧にとって重要な資産です。このような橋の軽量化を目指し、複合構造の研究が進められています。これにより、輸送車両や発射・回収機構への負担が軽減されます。また、金属製の橋と比較して、複合材料は耐荷重性を高め、耐用年数を延ばす可能性も秘めています。
一例として、先進モジュラー複合橋（AMCB）が挙げられます。Seemann Composites LLC（米国ミシシッピ州ガルフポート）とMaterials Sciences LLC（米国ペンシルバニア州ホーシャム）は、炭素繊維強化エポキシ積層板（図1）を用いて橋梁の設計と施工を行っています。しかし、現場でのこのような構造物の修理が困難であることが、複合材料の導入を阻む課題となっていました。
図1 複合材橋、重要な野戦資産 高度モジュラー複合材橋（AMCB）は、Seemann Composites LLCとMaterials Sciences LLCによって、炭素繊維強化エポキシ樹脂複合材を用いて設計・建設されました。画像提供：Seemann Composites LLC（左）と米陸軍（右）。
2016年、Custom Technologies LLC（米国メリーランド州ミラーズビル）は、米陸軍が資金提供する中小企業技術革新研究（SBIR）フェーズ1助成金を受領し、兵士が現場で確実に実施できる修理方法を開発しました。このアプローチに基づき、2018年にはSBIR助成金フェーズ2が授与され、新素材とバッテリー駆動の機器が披露されました。これにより、事前の訓練を受けていない初心者がパッチを当てた場合でも、構造物の90%以上を元の強度に戻すことができます。この技術の実現可能性は、一連の分析、材料選定、試験片製造、機械試験、そして小規模および本格的な修理を実施することで判断されます。
SBIRの2つのフェーズにおける主要な研究者は、Custom Technologies LLCの創設者兼社長であるマイケル・バーゲン氏です。バーゲン氏は、海軍水上戦センター（NSWC）のカーデロックを退職し、構造・材料部門に27年間勤務し、米海軍艦隊における複合材料技術の開発と応用を統括しました。ロジャー・クレイン博士は、2011年に米海軍を退職した後、2015年にCustom Technologiesに入社し、32年間勤務しました。クレイン博士の複合材料に関する専門知識には、新しい複合材料、試作品の製造、接合方法、多機能複合材料、構造ヘルスモニタリング、複合材料の修復など、技術出版物や特許が含まれます。
2人の専門家は、タイコンデロガCG-47級ミサイル巡洋艦5456のアルミニウム製上部構造の亀裂を複合材料を使って修復する独自のプロセスを開発した。「このプロセスは、亀裂の進行を抑え、200万～400万ドルのプラットフォームボードの交換に代わる経済的な代替手段として開発されました」とバーゲン氏は言う。「つまり、研究室の外、実際の運用環境での修理方法を知っていることを証明したのです。しかし、課題は、現在の軍事資産の修復方法があまりうまくいっていないことです。選択肢としては、接着二重修復（基本的に損傷箇所の上部にボードを接着する）か、資産を運用から外して倉庫レベル（Dレベル）の修理を行うかのどちらかです。Dレベルの修理が必要なため、多くの資産は保管されています。」
彼はさらに、必要なのは、複合材料の経験がない兵士でもキットとメンテナンスマニュアルだけで実行できる方法だと述べた。私たちの目標は、マニュアルを読み、損傷を評価し、修理を行うというプロセスを簡素化することだ。液体樹脂を混ぜる作業は避けたい。完全な硬化を確実にするためには正確な計量が必要となるからだ。また、修理完了後に有害廃棄物を出さないシステムも必要だ。そして、既存のネットワークで展開できるキットとしてパッケージ化する必要がある。
Custom Technologies が実証に成功したソリューションの 1 つは、損傷のサイズ (最大 12 平方インチ) に応じて接着複合パッチをカスタマイズするために強化エポキシ接着剤を使用するポータブル キットです。この実証は、厚さ 3 インチの AMCB デッキを表す複合材料で完了しました。この複合材料は、厚さ 3 インチのバルサ材のコア (密度 15 ポンド/立方フィート) と 2 層の Vectorply (米国アリゾナ州フェニックス) C -LT 1100 カーボン ファイバー 0°/90° 二軸ステッチ ファブリック、1 層の C-TLX 1900 カーボン ファイバー 0°/+45°/-45° 3 軸、2 層の C-LT 1100、合計 5 層です。「このキットでは、ファブリックの方向が問題にならないように、多軸に似た準等方性ラミネートでプレファブリケーション パッチを使用することにしました」と Crane 氏は述べています。
次の課題は、ラミネート補修に使用する樹脂マトリックスです。液状樹脂の混入を避けるため、パッチにはプリプレグを使用します。「しかし、これらの課題は保管にあります」とバーゲン氏は説明します。保管可能なパッチソリューションを開発するため、カスタムテクノロジーズはサンレズ社（米国カリフォルニア州エルカホン）と提携し、紫外線（UV）で6分で光硬化可能なガラス繊維/ビニルエステルプリプレグを開発しました。また、グージョンブラザーズ社（米国ミシガン州ベイシティ）とも協力し、新しい柔軟なエポキシフィルムの使用を提案しました。
初期の研究では、エポキシ樹脂が炭素繊維プリプレグに最も適した樹脂であることが示されています。紫外線硬化型ビニルエステルと半透明ガラス繊維は良好な特性を示しますが、遮光性炭素繊維の下では硬化しません。Gougeon Brothers社の新型フィルムをベースにすると、最終的なエポキシプリプレグは210°F/99°Cで1時間硬化し、室温で長期保存が可能で、低温保管の必要はありません。Bergen氏によると、より高いガラス転移温度（Tg）が必要な場合は、樹脂も350°F/177°Cなどの高温で硬化させるとのことです。どちらのプリプレグも、プラスチックフィルムの封筒に密封されたプリプレグパッチのスタックとして、携帯用修理キットに含まれています。
修理キットは長期保管される可能性があるため、カスタムテクノロジーズ社は保存期間の調査を実施する必要があります。「輸送機器に使用される一般的な軍用タイプの硬質プラスチック製筐体を4つ購入し、各筐体にエポキシ接着剤とビニルエステルプリプレグのサンプルを入れました」とバーゲン氏は語ります。その後、これらの筐体は4つの異なる場所に設置され、テストが行われました。ミシガン州のグージョン・ブラザーズ工場の屋上、メリーランド州の空港の屋上、ユッカバレー（カリフォルニア州の砂漠地帯）の屋外施設、そして南フロリダの屋外腐食試験施設です。すべての筐体にはデータロガーが取り付けられているとバーゲン氏は指摘します。「3ヶ月ごとにデータと材料サンプルを採取し、評価を行っています。フロリダ州とカリフォルニア州の筐体で記録された最高温度は140°F（約62℃）で、これはほとんどの修復用樹脂にとって適切な温度です。これは本当に大変なことです」。さらに、グージョン・ブラザーズ社は新開発の純粋エポキシ樹脂を社内でテストしました。「サンプルを120°F（約58℃）のオーブンに数ヶ月間置いたところ、重合が始まります」とバーゲン氏は語ります。 「しかし、110°Fに保たれた対応するサンプルでは、樹脂の化学的性質はわずかに改善しただけだった。」
修復はテストボードと、シーマン・コンポジッツ社が建造した元の橋梁と同じ積層材とコア材を使用したAMCBのスケールモデルで検証されました。画像提供：Custom Technologies LLC
修復技術を実証するには、代表的な積層板を製造し、損傷させ、修復する必要があります。「プロジェクトの第1フェーズでは、まず4 x 48インチの小規模な梁と4点曲げ試験を行い、修復プロセスの実現可能性を評価しました」とクライン氏は述べています。「その後、第2フェーズでは12 x 48インチのパネルに移行し、荷重を加えて二軸応力状態を発生させ、破損を引き起こし、修復性能を評価しました。第2フェーズでは、メンテナンス用に構築したAMCBモデルも完成させました。」
バーゲン氏によると、修復性能を証明するために使用したテストパネルは、Seemann Composites社製のAMCBと同じ系統の積層板とコア材を使用して製造されたが、「平行軸定理に基づいて、パネルの厚さを0.375インチから0.175インチに減らしました。この手法は、梁理論と古典的積層理論[CLT]の追加要素とともに、実物大AMCBの慣性モーメントと有効剛性を、扱いやすくコスト効率に優れた小型デモ製品と結び付けるために使用されました。その後、XCraft Inc.（米国マサチューセッツ州ボストン）が開発した有限要素解析[FEA]モデルを使用して、構造修復の設計を改善しました。」テストパネルとAMCBモデルに使用した炭素繊維織物はVectorply社から購入し、バルサ材のコアはCore Composites社（米国ロードアイランド州ブリストル）が製造したものを提供しました。
ステップ1. このテストパネルには直径3インチの穴が開いており、中央に損傷を模擬し、円周を修復します。全ステップの写真提供元：Custom Technologies LLC。
ステップ 2. バッテリー駆動の手動グラインダーを使用して、損傷した材料を取り除き、修復パッチを 12:1 テーパーで囲みます。
「現場で橋梁床版に見られるよりも、より深刻な損傷を試験板上で再現したいのです」とバーゲン氏は説明した。「そこで、ホールソーを使って直径3インチの穴を開けます。そして、損傷した材料のプラグを抜き取り、手持ちの空気圧グラインダーを使って12:1のスカーフを加工します。」
クレイン氏は、カーボンファイバー/エポキシの修理では、「損傷した」パネル材料が取り除かれ、適切なスカーフが適用されると、プリプレグは損傷した領域のテーパーに合わせて幅と長さに切断されると説明した。「私たちのテストパネルでは、修復材料を元の損傷していないカーボンパネルの上面と一致させるために、4層のプリプレグが必要です。その後、カーボン/エポキシプリプレグの3つのカバー層が、この修復部分に集中します。各後続の層は、下層のすべての側面に1インチまで広がり、周囲の「良好な」材料から修復領域への荷重の漸進的な伝達を実現します。」この修理の実行にかかる合計時間（修理領域の準備、修復材料の切断と配置、硬化手順の適用を含む）は約2.5時間です。
カーボンファイバー/エポキシプリプレグの場合、修理箇所は真空パックされ、バッテリー駆動の熱ボンダーを使用して 210°F/99°C で 1 時間硬化されます。
カーボン/エポキシの修復は簡便かつ迅速ですが、チームは性能回復のためのより簡便なソリューションの必要性を認識しました。これが紫外線（UV）硬化型プリプレグの検討につながりました。「サンレズのビニルエステル樹脂への関心は、同社の創業者マーク・リヴセイ氏の海軍での過去の経験に基づいています」とバーゲン氏は説明します。「まず、サンレズにビニルエステルプリプレグを使用した準等方性ガラス繊維を提供し、様々な条件下での硬化曲線を評価しました。さらに、ビニルエステル樹脂はエポキシ樹脂とは異なり、適切な二次接着性能を発揮できないことが分かっているため、様々な接着層カップリング剤を評価し、どのカップリング剤が用途に適しているかを判断するための更なる努力が必要でした。」
もう一つの問題は、ガラス繊維がカーボン繊維と同じ機械的特性を提供できないことです。「カーボン/エポキシパッチと比較して、この問題はガラス/ビニルエステルの追加層を使用することで解決されます」とクレイン氏は述べています。「追加層が1層で済むのは、ガラス繊維の方が重い繊維だからです。」これにより、非常に寒い/氷点下の内野気温でも6分以内に貼り付けて接着できる適切なパッチが作られます。熱を加えることなく硬化します。クレイン氏は、この修理作業は1時間以内に完了できると指摘しました。
両方のパッチ システムのデモとテストが完了しています。修理ごとに、損傷する領域にマークを付け (ステップ 1)、ホールソーでマークを付け、バッテリー駆動の手動グラインダーを使用して削除します (ステップ 2)。次に、修理した領域を 12:1 のテーパーに切断します。アルコール パッドでスカーフの表面を清掃します (ステップ 3)。次に、修理パッチを特定のサイズにカットし、清掃した表面に置き (ステップ 4)、ローラーで固めて気泡を取り除きます。ガラス繊維/UV 硬化型ビニル エステル プリプレグの場合は、離型層を修理領域に配置し、コードレス UV ランプで 6 分間パッチを硬化します (ステップ 5)。炭素繊維/エポキシ プリプレグの場合は、事前にプログラムされたワンボタンのバッテリー駆動型熱接合機を使用して、修理領域を真空パックし、210°F/99°C で 1 時間硬化させます。
ステップ 5. 修復した部分に剥離層を置いた後、コードレス UV ランプを使用してパッチを 6 分間硬化させます。
「その後、パッチの接着性と構造物の耐荷重能力を回復させる能力を評価する試験を実施しました」とバーゲン氏は述べた。「第一段階では、パッチの適用容易性と、少なくとも75%の強度回復能力を証明する必要があります。これは、模擬損傷を修復した後、4×48インチの炭素繊維/エポキシ樹脂とバルサ材のコアビームを4点曲げ加工することで行います。プロジェクトの第二段階では、12×48インチのパネルを使用し、複雑なひずみ荷重下でも90%以上の強度要件を満たす必要があります。これらの要件をすべて満たした後、AMCBモデルで修復方法を撮影しました。現場での技術と機器の使用方法を視覚的に確認できる参考資料として活用しています。」
このプロジェクトの重要な側面は、初心者でも簡単に修理を完了できることを証明することです。そのため、ベルゲン氏はあるアイデアを思いつきました。「陸軍の技術担当者であるバーナード・シア博士とアシュリー・ジェンナに実演してもらう約束をしました。プロジェクトの第一段階の最終審査では、修理は不要と伝えました。経験豊富なアシュリーが修理を行いました。彼女は私たちが提供したキットとマニュアルを使ってパッチを当て、問題なく修理を完了しました。」
図2 電池駆動の硬化プログラムがあらかじめ設定された電池駆動の熱接着装置は、修理に関する知識や硬化サイクルのプログラミングを必要とせず、ボタンを押すだけで炭素繊維/エポキシの補修パッチを硬化させることができます。画像提供：Custom Technologies, LLC
もう一つの重要な開発は、バッテリー駆動の硬化システムです（図2）。「現場でのメンテナンスでは、電源はバッテリーのみです」とバーゲン氏は指摘します。「当社が開発した修理キットのすべてのプロセス機器はワイヤレスです。」これには、カスタムテクノロジーズと熱接合機サプライヤーのウィチテックインダストリーズ社（米国メリーランド州ランドールズタウン）が共同開発したバッテリー駆動の熱接合機が含まれます。「このバッテリー駆動の熱接合機は、硬化を完了するように事前にプログラムされているため、初心者は硬化サイクルをプログラムする必要がありません」とクレイン氏は言います。「適切なランプとソークを完了するには、ボタンを押すだけです。」現在使用されているバッテリーは、再充電が必要になるまで1年間持続します。
プロジェクトの第2フェーズの完了に伴い、カスタム・テクノロジーズ社はフォローアップの改善提案を準備し、関心表明書と支援書を収集しています。「私たちの目標は、この技術をTRL 8まで成熟させ、現場に導入することです」とバーゲン氏は述べました。「軍事以外の用途にも可能性を感じています。」
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投稿日時: 2021年9月2日