このポータブルキットは、室温で保管された UV 硬化可能なグラスファイバー/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。#内部製造 #インフラストラクチャ
UV 硬化型プリプレグパッチ修復 Custom Technologies LLC が内野複合ブリッジ用に開発したカーボンファイバー/エポキシプリプレグ修復は簡単かつ迅速であることが判明しましたが、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の使用により、より便利なシステムが開発されました。 。画像出典: Custom Technologies LLC
モジュール式の展開可能な橋は、自然災害時の輸送インフラの復旧だけでなく、軍事戦術作戦や兵站にとっても重要な資産です。このような橋の重量を軽減し、輸送車両や発射回収機構への負担を軽減するために、複合構造が研究されています。金属ブリッジと比較して、複合材料は耐荷重能力を高め、耐用年数を延ばす可能性もあります。
Advanced Modular Composite Bridge (AMCB) はその一例です。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・施工）。しかし、そのような構造を現場で修復できるかどうかが、複合材料の採用を妨げる問題となっていました。
図 1 コンポジットブリッジ、主要な内野資産 Advanced Modular Composite Bridge (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使用して設計および建設されました。画像出典: Seeman 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、兵士が現場で正常に実行できる修理方法を開発するために、米国陸軍から資金提供を受けた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 フェーズが 2018 年に授与され、新しい素材とバッテリー駆動の機器を紹介しました。事前のトレーニングを受けずに初心者がパッチを実行した場合でも、構造の 90% 以上を未加工のまま復元できます。強さ。この技術の実現可能性は、一連の分析、材料の選択、試験片の製造、機械試験の作業、さらには小規模および大規模な修理を実行することによって判断されます。
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。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、米国海軍艦隊における複合技術の開発と応用を管理しました。ロジャー・クレーン博士は、2011 年に米海軍を退役後、2015 年にカスタム テクノロジーズに入社し、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や特許が含まれており、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、構造健全性モニタリング、複合材料修復などのトピックをカバーしています。
二人の専門家は、タイコンデロガ CG-47 級ミサイル巡洋艦 5456 のアルミニウム上部構造の亀裂を修復するために複合材料を使用する独自のプロセスを開発しました。「このプロセスは亀裂の成長を軽減し、経済的な代替手段として機能するように開発されました。」プラットフォームボードの交換には200万から400万ドルかかる」とベルゲン氏は語った。「そこで私たちは、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、現在の軍事資産手法があまり成功していないことです。オプションは、接着両面修理[基本的に損傷箇所にボードを上部に接着]するか、倉庫レベル (D レベル) の修理のために資産をサービスから外すことです。Dレベルの修理が必要なため、多くの資産が保留されます。」
同氏はさらに、複合材料の経験のない兵士でもキットとメンテナンスマニュアルだけを使って実行できる方法が必要だと述べた。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シンプルにすることです。完全に硬化させるには正確な測定が必要となるため、液体樹脂を混合することは望ましくありません。修理完了後に有害廃棄物が出ないシステムも必要です。また、既存のネットワークで導入できるキットとしてパッケージ化する必要があります。」
Custom Technologies が実証に成功したソリューションの 1 つは、強化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) に応じて接着剤複合パッチをカスタマイズするポータブル キットです。デモンストレーションは、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。複合材料には、厚さ 3 インチのバルサ木材コア (立方フィートあたり密度 15 ポンド) と、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° 二軸ステッチ生地の 2 層、1 層のC-TLX 1900 カーボンファイバー 0°/+45°/-45°の3つのシャフトとC-LT 1100の2層の合計5層。「生地の方向が問題にならないように、キットでは多軸に似た準等方性ラミネートの既成パッチを使用することにしました」とクレーン氏は語った。
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、パッチにはプリプレグが使用されます。「しかし、これらの課題はストレージです」と Bergen 氏は説明します。保存可能なパッチ ソリューションを開発するために、カスタム テクノロジーズは、Sunrez Corp. (米国カリフォルニア州エルカホン) と提携して、紫外線 (UV) を使用して 6 分間の光硬化が可能なガラス繊維/ビニル エステル プリプレグを開発しました。また、新しい柔軟なエポキシフィルムの使用を提案した Gougeon Brothers (米国ミシガン州ベイシティ) とも協力しました。
初期の研究では、エポキシ樹脂がカーボンファイバープリプレグに最適な樹脂であることが示されています。UV 硬化可能なビニルエステルや半透明のガラスファイバーはうまく機能しますが、遮光カーボンファイバーの下では硬化しません。Gougeon Brothers の新しいフィルムに基づいた最終的なエポキシ プリプレグは 210°F/99°C で 1 時間硬化され、室温での保存寿命が長く、低温で保管する必要がありません。Bergen 氏は、より高いガラス転移温度 (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ことになると述べました。どちらのプリプレグも、プラスチック フィルムの封筒に封入されたプリプレグ パッチのスタックとして携帯用修理キットで提供されます。
修理キットは長期間保管される可能性があるため、Custom Technologies は保管期間の調査を行う必要があります。「輸送機器に使用される典型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」とベルゲン氏は述べています。次に、箱はテストのために 4 つの異なる場所に置かれました。ミシガン州のゴジョン 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 (カリフォルニアの砂漠) の屋外施設、フロリダ南部の屋外腐食試験所です。すべてのケースにデータロガーが備え付けられているとバーゲン氏は指摘します。「評価のためにデータと材料のサンプルを 3 か月ごとに採取しています。フロリダとカリフォルニアの箱内で記録された最高温度は 140°F で、これはほとんどの修復樹脂に適しています。それは本当に挑戦です。」さらに、Gougeon Brothers は新しく開発された純粋なエポキシ樹脂を社内でテストしました。「サンプルを120°Fのオーブンに数か月間入れておくと、重合が始まります」とベルゲン氏は言う。「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ほんの少ししか改善されませんでした。」
修理は、Seemann Composites によって構築されたオリジナルのブリッジと同じラミネートとコア材料を使用した AMCB のテスト ボードとこのスケール モデルで検証されました。画像出典: 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、損傷し、修復する必要があります。「プロジェクトの第 1 段階では、まず小規模な 4 x 48 インチの梁と 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」とクライン氏は述べています。「その後、プロジェクトの第 2 フェーズでは 12 x 48 インチのパネルに移行し、荷重を加えて二軸応力状態を生成して破損を引き起こし、修復性能を評価しました。第 2 フェーズでは、メンテナンスを構築した AMCB モデルも完成しました。」
ベルゲン氏は、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 社が製造した AMCB と同じ系統の積層板とコア材料を使用して製造されたと述べました。「しかし、平行軸の定理に基づいて、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」 。これが事実です。この方法は、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、取り扱いが容易な小型のデモ製品と結び付けるために使用されました。費用対効果が高い。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 モデルに使用したカーボンファイバー生地は Vectorply から購入し、バルサコアは Core Composites (ブリストル、ロードアイランド州、米国) によって製造されました。
ステップ 1. このテスト パネルには、中央にマークされた損傷をシミュレートし、周囲を修復するために 3 インチの穴の直径が表示されます。すべての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除去し、12:1 テーパーで修復パッチを囲みます。
「私たちは、現場の橋梁の床板で見られるよりも高度な損傷を試験板でシミュレートしたいと考えています」とベルゲン氏は説明しました。「そこで、私たちの方法は、ホールソーを使用して直径 3 インチの穴を開けることです。次に、損傷した素材のプラグを引き抜き、手持ちの空気圧グラインダーを使用して 12:1 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」パネル素材を取り除き、適切なスカーフを適用した後、損傷領域のテーパーに合わせてプリプレグを幅と長さに切断すると説明しました。「私たちのテストパネルの場合、修復材を元の損傷していないカーボンパネルの上部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 つの被覆層がこの修復部分に集中します。連続する各層は、下層の四方に 1 インチ伸びており、「良好な」周囲の材料から修復領域に徐々に荷重が伝達されます。」この修復を実行する合計時間 (修復領域の準備、修復材料の切断と配置、および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、修理領域は真空パックされ、バッテリー駆動のサーマル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単かつ迅速ですが、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ていました。これが、紫外線 (UV) 硬化プリプレグの探求につながりました。「Sunrez ビニルエステル樹脂への関心は、同社の創設者である Mark Livesay との以前の海軍経験に基づいています」と Bergen 氏は説明しました。「私たちはまず、Sunrez 社のビニルエステルプリプレグを使用した準等方性ガラスファブリックを提供し、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とは異なる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、どれが用途に適しているかを判断するにはさらなる努力が必要です。」
もう1つの問題は、ガラス繊維は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」とクレーン氏は言います。「追加の層が 1 層だけ必要な理由は、ガラス素材がより重い生地であるためです。」これにより、非常に寒い/氷点下の内野温度でも 6 分以内に適用して組み合わせることができる適切なパッチが生成されます。熱を加えずに硬化します。クレーン氏は、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。
どちらのパッチ システムも実証およびテストされています。修理ごとに、損傷する領域にマークを付け (ステップ 1)、ホールソーで作成し、バッテリー駆動の手動グラインダーを使用して除去します (ステップ 2)。次に、修復した領域を 12:1 のテーパーにカットします。スカーフの表面をアルコールパッドで拭きます（ステップ3）。次に、補修パッチを一定の大きさに切り、きれいになった面に置き（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 硬化ビニル エステル プリプレグの場合は、修復領域に剥離層を置き、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)。カーボンファイバー/エポキシプリプレグの場合は、事前にプログラムされたボタン 1 つでバッテリー駆動のサーマルボンダーを使用して真空パックし、修理領域を 210°F/99°C で 1 時間硬化させます。
ステップ 5. 剥離層を修復領域に配置した後、コードレス UV ランプを使用してパッチを 6 分間硬化します。
「その後、パッチの接着性と構造物の耐荷重能力を回復する能力を評価するテストを実施しました」とベルゲン氏は語った。「第一段階では、貼りやすさと強度の少なくとも 75% を回復できること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 インチのカーボンファイバー/エポキシ樹脂とバルサコアビームを 4 点で曲げること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 インチのパネルが使用され、複雑なひずみ荷重下で 90% 以上の強度要件を示す必要がありました。これらの要件をすべて満たし、AMCB モデルの修理方法を撮影しました。視覚的な参照を提供するために内野のテクノロジーと機器を使用する方法。」
このプロジェクトの重要な点は、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。このため、ベルゲンには次のようなアイデアがありました。「私は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・ジェンナの二人にデモンストレーションを行うと約束しました。プロジェクトの第 1 段階の最終レビューで、私は修理をしないように求めました。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 硬化が事前にプログラムされたバッテリー駆動の熱接着機は、修理の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カーボンファイバー/エポキシ修理パッチを硬化できます。画像出典: 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中は、バッテリーの電力しかありません」とベルゲン氏は指摘しました。「私たちが開発した修理キットのプロセス機器はすべてワイヤレスです。」これには、Custom Technologies と熱接合機サプライヤー WichiTech Industries Inc. (米国メリーランド州ランダルズタウン) の機械が共同開発したバッテリー駆動の熱接合が含まれます。「このバッテリー駆動のサーマルボンダー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、初心者でも硬化サイクルをプログラムする必要はありません」とクレーン氏は言います。「ボタンを押すだけで、適切な傾斜と浸漬が完了します。」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、Custom Technologies はフォローアップの改善提案を準備し、関心と支援の手紙を集めています。「私たちの目標は、このテクノロジーをTRL 8まで成熟させ、現場に導入することです」とベルゲン氏は語った。「私たちは非軍事用途の可能性も見出しています。」
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投稿時間: 2021 年 9 月 2 日