ポータブルキットは、室温とバッテリー駆動の硬化装置で保管されているUV-Curableグラスファイバー/ビニールエステルまたは炭素繊維/エポキシプリプレグで修理できます。 #insidemanufacturing #infrastructure
UV-Curable Prepreg Patch Repair Infield Technologies LLCが開発した炭素繊維/エポキシPrepreg修復は、シンプルかつ迅速であることが証明されましたが、ガラス繊維強化UV治療可能なビニールエステル樹脂プレグの使用は、より便利なシステムを開発しました。画像ソース：Custom Technologies LLC
モジュラー展開ブリッジは、自然災害中の輸送インフラストラクチャの回復と同様に、軍事戦術作戦と物流のための重要な資産です。複合構造は、そのような橋の重量を減らすために研究されており、それにより、輸送車両と打ち上げ回復メカニズムの負担を軽減します。金属製の橋と比較して、複合材料は、負荷をかける容量を増やし、サービスの寿命を延ばす可能性もあります。
Advanced Modular Composite Bridge（AMCB）は例です。 Seemann Composites LLC（米国ミシシッピ州ガルフポート）および材料Sciences LLC（米国ペンシルベニア州ホーシャム）は、炭素繊維強化エポキシラミネートを使用しています（図1）。 ）設計と構造）。ただし、このような構造を現場で修復する能力は、複合材料の採用を妨げる問題です。
図1複合ブリッジ、キーインフェールドアセット高度なモジュラーコンポジットブリッジ（AMCB）は、炭素繊維強化エポキシ樹脂複合材料を使用して、Seemann Composites LLCおよびMaterials Sciences LLCによって設計および構築されました。画像ソース：Seeman Composites LLC（左）および米軍（右）。
2016年、Custom Technologies LLC（米国メリーランド州ミラーズビル）が米国陸軍が資金提供する中小企業イノベーション研究（SBIR）フェーズ1の助成金を受け取り、兵士が現場で成功裏に実行できる修理方法を開発しました。このアプローチに基づいて、SBIR助成金の第2フェーズは2018年に新しい材料とバッテリー駆動の機器を紹介するために授与されました。強さ。技術の実現可能性は、一連の分析、材料選択、標本製造、機械的テストのタスク、および小規模および本格的な修理を実行することにより決定されます。
2つのSBIRフェーズの主な研究者は、Custom Technologies LLCの創設者兼社長であるMichael Bergenです。ベルゲンは、海軍水面戦争センター（NSWC）のカーダーロックを退職し、27年間構造物と材料部門に勤務し、米海軍艦隊の複合技術の開発と適用を管理しました。ロジャークレーン博士は、2011年に米海軍を退職した後、2015年にカスタムテクノロジーに参加し、32年間勤務しました。彼の複合材料の専門知識には、技術出版物と特許、新しい複合材料、プロトタイプの製造、接続方法、多機能複合材料、構造的健康監視、複合材料の修復などのトピックをカバーすることが含まれます。
2人の専門家は、複合材料を使用して、Ticonderoga CG-47クラスのガイド付きミサイルクルーザー5456のアルミニウム上部構造の亀裂を修復するユニークなプロセスを開発しました。ベルゲン氏は、2〜400万ドルのプラットフォームボードの交換に。 「それで、私たちは、実験室の外や実際のサービス環境で修理を行う方法を知っていることを証明しました。しかし、課題は、現在の軍事資産方法があまり成功していないことです。オプションは、結合された二重修理（基本的に損傷したエリアでボードを上部に接着する）か、倉庫レベル（Dレベル）修理のためのサービスから資産を削除します。 Dレベルの修理が必要なため、多くの資産が脇に置かれています。」
彼は続けて、必要なのは、キットとメンテナンスマニュアルのみを使用して、複合材料の経験がない兵士が実行できる方法だと言いました。私たちの目標は、プロセスをシンプルにすることです。マニュアルを読み、損傷を評価し、修理を実行します。完全な治療を確保するために正確な測定が必要なため、液体樹脂を混合したくありません。また、修理が完了した後に有害廃棄物のないシステムが必要です。また、既存のネットワークによって展開できるキットとしてパッケージ化する必要があります。 」
カスタムテクノロジーが成功裏に実証したソリューションの1つは、強化されたエポキシ接着剤を使用して、損傷のサイズ（最大12平方インチ）に応じて接着型複合パッチをカスタマイズするポータブルキットです。デモは、3インチの厚さAMCBデッキを表す複合材料で完了しました。複合材料の厚さは3インチのバルサウッドコア（1立方フィート密度15ポンド）と2層のVectorply（フェニックス、アリゾナ州、米国）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つの層の1層の層C-TLX 1900カーボンファイバー0°/+45°/-45°3枚のシャフトと2層のC-LT 1100、合計5層。 「キットは、マルチ軸に似た準単位ラミネートでプレハブパッチを使用して、ファブリックの方向が問題にならないようにすることにしました」とクレーンは言いました。
次の問題は、ラミネート修復に使用される樹脂マトリックスです。液体樹脂の混合を避けるために、パッチはPrepregを使用します。 「しかし、これらの課題はストレージです」とベルゲンは説明しました。保存可能なパッチソリューションを開発するために、Custom TechnologiesはSunRez Corp.（米国カリフォルニア州エルカホン）と提携して、6分間の光硬化で紫外線（UV）を使用できるガラス繊維/ビニールエステルプリプレグを開発しました。また、Gougeon Brothers（米国ミシガン州ベイシティ）と協力して、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 - 摂食性ビニールエステルと半透明のガラス繊維に最も適した樹脂であるが、光ブロック炭素繊維の下では治癒しないことが示されています。 Gougeon Brothersの新しい映画に基づいて、最終的なEpoxy Prepregは210°F/99°Cで1時間硬化し、室温の寿命が長く、低温貯蔵は必要です。ベルゲンは、より高いガラス遷移温度（TG）が必要な場合、樹脂は350°F/177°Cなどのより高い温度で硬化すると述べました。両方のプリプレグは、プラスチックフィルムの封筒に密閉されたプリプレグパッチのスタックとして、ポータブル修理キットに提供されています。
修理キットは長期間保存される可能性があるため、貯蔵寿命の研究を実施するにはカスタムテクノロジーが必要です。 「輸送機器で使用される典型的な軍事タイプである4つの硬質プラスチックエンクロージャーを購入し、エポキシ接着剤とビニールエステルプリプレグのサンプルを各エンクロージャーに入れました」とベルゲンは言いました。次に、テスト用の4つの異なる場所に配置されました。ミシガン州のグジョンブラザーズファクトリーの屋根、メリーランド空港の屋根、ユッカバレー（カリフォルニア砂漠）の屋外施設、フロリダ南部の屋外腐食試験室です。すべてのケースにはデータロガーがあります、とBergenは次のように指摘しています。フロリダとカリフォルニアの箱に記録されている最高温度は140°Fで、ほとんどの修復樹脂に適しています。それは本当の挑戦です。」さらに、Gougeon Brothersは、新しく開発された純粋なエポキシ樹脂を内部的にテストしました。 「数か月間120°Fのオーブンに入れられたサンプルが重合し始めます」とベルゲンは言いました。 「しかし、110°Fに保持されている対応するサンプルの場合、樹脂化学は少量だけ改善されました。」
修復は、テストボードと、Seemannコンポジットによって構築された元のブリッジと同じラミネートとコア材料を使用したAMCBのこのスケールモデルで検証されました。画像ソース：Custom Technologies LLC
修復技術を実証するには、代表的なラミネートを製造、損傷、修理する必要があります。 「プロジェクトの第1フェーズでは、最初に小規模な4 x 48インチビームと4点曲げテストを使用して、修理プロセスの実現可能性を評価しました」とKlein氏は言います。 「その後、プロジェクトの第2フェーズで12 x 48インチのパネルに移行し、荷重を適用して二軸応力状態を生成して故障を引き起こし、修復性能を評価しました。第2フェーズでは、メンテナンスを構築したAMCBモデルも完了しました。」
Bergen氏によると、修復性能を証明するために使用されたテストパネルは、Seemann Compositesで製造されたAMCBと同じラミネートとコア材料の系統を使用して製造されたと述べました。 。これは事実です。この方法は、ビーム理論と古典的なラミネート理論[CLT]の追加要素とともに、フルスケールAMCBの慣性モーメントと効果的な剛性をリンクして、より簡単に処理できるような小さなサイズのデモ製品をリンクするために使用されました。費用対効果。次に、Xcraft Inc.（米国マサチューセッツ州ボストン）によって開発された有限要素分析[FEA]モデルを使用して、構造修理の設計を改善しました。」テストパネルとAMCBモデルに使用されるカーボンファイバーファブリックは、VectorPlyから購入し、Balsa Coreはコアコンポジット（Bristol、RI、US）によって作成されました。
ステップ1.このテストパネルには、3インチの穴の直径を表示して、中央にマークされた損傷をシミュレートし、円周を修復します。すべてのステップの写真ソース：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外し、修理パッチを12：1テーパーで囲みます。
「私たちは、フィールドのブリッジデッキで見られるよりも、テストボードのより高い損傷をシミュレートしたいと考えています」とベルゲンは説明しました。 「したがって、私たちの方法は、穴の鋸を使用して直径3インチの穴を作ることです。次に、損傷した材料のプラグを引き出し、手持ちの空気圧グラインダーを使用して12：1のスカーフを処理します。」
クレーンは、炭素繊維/エポキシ修復のために、「損傷した」パネル材料が除去され、適切なスカーフが適用されると、破損した領域のテーパーに合わせて幅と長さに合わせて切断されると説明しました。 「私たちのテストパネルでは、これには、元の損傷のないカーボンパネルの上部と一致する修理材料を維持するために、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つのカバー層は、修理された部分にこれに集中しています。連続した各層は、下層のすべての側面に1インチに伸びているため、「良好な」周囲の材料から修理された領域への段階的な負荷伝達が提供されます。」修理エリアの準備を含むこの修理を含む合計時間は、修復材料の削減と配置、および硬化手順（2.5時間の適用）を適用します。
炭素繊維/エポキシプリプレグの場合、修理エリアは真空詰めされ、210°F/99°Cでバッテリー駆動の熱ボンダーを使用して1時間硬化させます。
炭素/エポキシの修復はシンプルで迅速ですが、チームはパフォーマンスを回復するためのより便利なソリューションの必要性を認識しました。これにより、紫外線（UV）の硬化抑制が探求されました。 「Sunrez Vinyl Ester樹脂への関心は、会社の創設者Mark Livesayとの以前の海軍の経験に基づいています」とBergen氏は説明しました。 「最初に、ビニールエステルプリプレグを使用して、準等方性ガラス布をSunRezに提供し、さまざまな条件下で硬化曲線を評価しました。さらに、ビニールエステル樹脂は適切な二次接着性能を提供するエポキシ樹脂のようなものではないことがわかっているため、さまざまな接着層カップリング剤を評価し、アプリケーションに適したものを決定するために追加の努力が必要です。」
別の問題は、ガラス繊維が炭素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/ビニールエステルの余分な層を使用して解決されます」とクレーンは言いました。 「1つの追加レイヤーのみが必要な理由は、ガラス材料がより重い生地であるためです。」これにより、非常に寒い/凍結内野温度でも6分以内に適用および結合できる適切なパッチが生成されます。熱を供給せずに硬化させます。クレーンは、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が実証およびテストされています。修理ごとに、損傷する領域がマークされ（ステップ1）、穴の鋸で作成され、バッテリー駆動のマニュアルグラインダー（ステップ2）を使用して取り外します。次に、修理された領域を12：1テーパーに切ります。アルコールパッドでスカーフの表面をきれいにします（ステップ3）。次に、修理パッチを特定のサイズにカットし、洗浄した表面に配置し（ステップ4）、ローラーで統合して気泡を除去します。ガラス繊維/UV硬化ビニールエステルプリプレグの場合は、リリース層を修理領域に配置し、コードレスUVランプで6分間パッチを硬化させます（ステップ5）。炭素繊維/エポキシプリプレグの場合、事前にプログラムされた1ボタンのバッテリー駆動型サーマルボンダーを使用して真空パックに合わせて、修理領域を210°F/99°Cで1時間硬化させます。
ステップ5。修理された領域に皮板を置いた後、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の負荷を伴う能力を回復する能力を評価するためにテストを実施しました」とベルゲンは言いました。 「最初の段階では、アプリケーションの容易さと、強度の少なくとも75％を回復する能力を証明する必要があります。これは、シミュレートされた損傷を修復した後、4 x 48インチの炭素繊維/エポキシ樹脂とバルサコアビームの4点曲げによって行われます。はい。プロジェクトの第2フェーズでは、12 x 48インチのパネルを使用し、複雑なひずみ荷重で90％以上の強度要件を示す必要があります。これらすべての要件を満たし、AMCBモデルの修復方法を撮影しました。 Infieldテクノロジーと機器を使用して視覚的な参照を提供する方法。」
プロジェクトの重要な側面は、初心者が修理を簡単に完了できることを証明することです。このため、ベルゲンは次のように考えていました。「私は、陸軍の2つの技術的な連絡先を実証することを約束しました。バーナード・シア博士とアシュリー・ジェンナ。プロジェクトの第1フェーズの最終レビューで、私は修理を求めませんでした。経験豊富なアシュリーが修理を行いました。私たちが提供したキットとマニュアルを使用して、彼女はパッチを適用し、問題なく修理を完了しました。」
図2バッテリー駆動の事前にプログラムされたバッテリー駆動の熱結合マシンは、修理や硬化サイクルプログラミングを必要とせずに、ボタンを押すだけで炭素繊維/エポキシ修復パッチを治すことができます。画像ソース：Custom Technologies、LLC
もう1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）。 「内野のメンテナンスを通じて、バッテリーの電源しかありません」とベルゲンは指摘しました。 「私たち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とサーマルボンディングマシンのサプライヤーWichitech Industries Inc.（米国メリーランド州ランドオールズタウン）マシンによって共同で開発されたバッテリー駆動の熱結合が含まれます。 「このバッテリーを搭載したサーマルボンダーは、硬化を完了するため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はありません」とクレーンは言いました。 「適切なランプを完成させて浸すために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、充電する必要がある前に1年間持続できます。
プロジェクトの第2フェーズが完了すると、Custom Technologiesはフォローアップ改善提案を準備し、関心とサポートの手紙を収集しています。 「私たちの目標は、このテクノロジーをTRL 8に成熟させ、フィールドに持ち込むことです」とベルゲンは言いました。 「非軍事的アプリケーションの可能性も見られます。」
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投稿時間：Sep-02-2021