Композитный ремонт
Композитный ремонт выполняется на поврежденных ламинатных конструкциях, армированных волокнами композитах и других композитных материалах. Ремонт композитным материалом снижает напряжения в поврежденной области и предотвращает раскрытие или рост трещин. Композитные материалы используются в широком спектре применений в аэрокосмической , морской , автомобильной , наземном транспорте и на рынках спортивного оборудования . Повреждения композитных компонентов не всегда видны невооруженным глазом , и степень повреждения структурных компонентов лучше всего определять с помощью подходящих методов неразрушающего контроля (NDT) .
Композитные структуры, представляющие интерес
[ редактировать ]
Композитные структуры, представляющие интерес, в основном представляют собой компоненты, состоящие из ламинированных слоев или сэндвич-структур, как показано на рисунке 1. Ламинированные структуры собираются таким образом, что ориентация волокон обеспечивает большую часть желаемых механических свойств , а матрица в значительной степени определяет экологические характеристики. В сэндвич-конструкциях тонкие высокопрочные обшивки разделены легкими сотовыми заполнителями и соединены с ними; чем толще сердцевина, тем жестче панель с минимальным увеличением веса. [ 1 ]
Типичные повреждения композитных конструкций
[ редактировать ]
Наиболее серьезные повреждения армированных волокном композитов возникают в результате ударов. с низкой Удар и высокой скоростью может привести к существенно разным характерам повреждений для данной составной конфигурации. В металлах энергия удара рассеивается упругих за счет и пластических деформаций, однако структура сохраняет достаточный запас структурной целостности . Однако в армированных волокном композитных материалах повреждения обычно более обширны, чем те, которые видны на поверхности. Некоторые типичные случаи повреждения композитных конструкций показаны на рисунке 2.
В монолитных ламинатах основное повреждение может простираться в гораздо большей степени, чем едва заметные следы на его поверхности. Другой вид повреждения – расслоение ламината. Здесь повреждение не распространяется на всю длину детали. Влияние на механические характеристики зависит от длины раскола относительно толщины детали.
В сэндвич-структурах в результате удара образуются вмятины различного размера, и в зависимости от уровня энергии проколы не являются чем-то необычным. В этом случае могут быть повреждены обе шкурки. Другие распространенные типы повреждений включают тепловые повреждения и повреждения отверстий под болты. Тепловое повреждение вызвано воздействием высокой температуры, что приводит к локальному разрушению с отрывом поверхностных слоев. Повреждение болтового отверстия вызвано несущими напряжениями на контактных поверхностях составной конструкции с болтом или заклепкой, используемыми для соединения. Это может привести к удлинению отверстия, что приведет к расколу ламината или повреждению верхних слоев. В любом случае влияние на механические характеристики зависит от толщины поврежденной детали.
Дальнейшие последствия, помимо первоначального ударного повреждения, связаны с воздействием на поврежденный участок влаги и других разрушающих факторов, таких как химикаты , смазочные материалы , топливо , гидравлические жидкости и т. д. Наличие таких сред может привести к дальнейшему ухудшению механических характеристик. .
Схема ремонта
[ редактировать ]
При выполнении композитного ремонта следует соблюдать определенные этапы. типичная блок-схема На рисунке 3 представлена ремонта композита.
Первым шагом в процедуре должна стать тщательная оценка ущерба. Некоторый ущерб композитам очевиден и его легко оценить, но во многих случаях ущерб может сначала показаться весьма небольшим, хотя реальный ущерб намного больше. Ударное повреждение волокна может проявляться в виде небольшой вмятины на армированной поверхности композита, но основное повреждение может быть гораздо более обширным. Решение о ремонте или списании принимается с учетом объема ремонта, необходимого для замены исходных структурных характеристик композита. Другими соображениями являются стоимость ремонта, расположение и доступность повреждения, а также наличие подходящих ремонтных материалов.
Первоначальная оценка определит тип ремонта, который необходимо выполнить. Легкий ремонт обычно невелик или не влияет на структурную целостность компонента. Этот ремонт производится с соблюдением простых рекомендаций, указанных для ламината или сэндвич-панелей. Сложный ремонт необходим, когда повреждение обширно и необходимо заменить структурные характеристики компонента. Лучшим выбором материалов будет использование оригинальных волокон, тканей и матричной смолы . Любая альтернатива потребует тщательного рассмотрения условий эксплуатации отремонтированного композита, т.е. горячих, влажных и механических характеристик. Предлагаемая схема ремонта должна отвечать всем исходным проектным требованиям к сооружению.
Для некоторых ремонтов требуется специализированное оборудование мастерской, а для возврата компонента в подходящую ремонтную мастерскую необходим некоторый вид импровизированного ремонта. Временный ремонт, обычно в виде заплаты, может быть закреплен на компоненте для обеспечения безопасности до тех пор, пока компонент не будет отремонтирован позднее. Для постоянного ремонта следует соблюдать все утвержденные общие рекомендации по ремонту ламината и сэндвича. Эти ремонтные операции должны выполняться в контролируемых мастерских для обеспечения высокого качества. Работа в контролируемой среде и внимание к деталям обеспечат успех.
Перед возвращением в эксплуатацию всегда требуется проверка качества. ряд неразрушающих испытаний (NDT) Для комплексного контроля отремонтированных деталей можно использовать . Особое внимание следует уделять качеству отремонтированного участка и, в частности, интерфейсу между исходной деталью и отремонтированным участком. Обычные методы контроля включают в себя ту или иную форму ультразвукового или рентгеновского контроля.
Типовой композитный ремонт
[ редактировать ]Типичный ремонт композитных материалов обычно начинается после обнаружения повреждений невооруженным глазом или различными другими методами неразрушающего контроля. После оценки размера ущерба зона повреждения подготавливается к ремонту. Это делается путем удаления композитного материала вокруг зоны повреждения 1. Известно, что используются три метода, которые немного различаются в зависимости от природы композита, как показано на рисунке 4.
При использовании композитного ремонта для достижения успешного результата необходима правильная обработка поверхности. Вышеупомянутый ремонт может занять много времени и часто требует высоких навыков и опыта. Вот почему текущие разработки, как правило, направлены на автоматизацию этого процесса либо с помощью передового механического фрезерования, либо с помощью альтернативных технологий, таких как лазеры с наносекундными импульсами 2-3. После полной раскопки зоны повреждения поверхности зачищают и подготавливают к окончательному ремонту заплатками. Это можно сделать путем плазменного сжигания поверхностных загрязнений, обнажения волокон путем удаления матричного материала лазерным излучением или улучшения смачиваемости поверхности клеев путем фотохимических реакций, индуцированных УФ -лазерным светом 4.
При типичном ремонте заплатка наносится в вакууме и при температуре, достаточно высокой для отверждения клея . Для этих целей можно использовать портативное устройство горячего склеивания при ремонте в полевых условиях. Для более сложного и качественного ремонта автоклав следует использовать . Блок горячего склеивания показан на рисунке 5.
В любом случае применение вакуумного мешка – необходимый шаг для качественного ремонта. Обработка вакуумным пакетом подходит для деталей с тонким сечением и больших сэндвич-структур. Технология вакуумного мешка предполагает размещение и запечатывание гибкого мешка поверх составного слоя и удаление всего воздуха из-под мешка, как схематически показано на рисунке 6.
Удаление воздуха заставляет мешок опускаться на укладку с давлением уплотнения 1 атмосфера (1 бар). Готовая сборка, при сохранении вакуума, нагревается до желаемой температуры для отверждения . Этого можно добиться, используя нагревательный мат или поместив сборку в духовку с хорошей циркуляцией воздуха. Для более толстых срезов и высокого качества склеивания использовать автоклав с регулируемой температурой и дополнительным избыточным давлением следует .
Наиболее важными техническими проблемами при выполнении успешного ремонта композитной заплатки являются: (а) правильный дизайн ремонтной заплаты и процедуры, которые будут соблюдаться, (б) выбор наиболее подходящих материалов и инструментов для применения, (в) ) тщательная подготовка поверхности, (г) выполнение ремонта композитной заплатой и тщательное применение цикла отверждения, (д) неразрушающая оценка ремонта с использованием подходящей методологии и (е) мониторинг структурной целостности ремонта либо при определенные промежутки времени или непрерывно.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бейкер, А.А.; Роуз, ЛРФ; Джонс, Рис (23 января 2003 г.). Достижения в области ремонта металлических конструкций самолетов с использованием клеевых композитов . Эльзевир. ISBN 978-0-08-052295-1 .
- Фёлькермейер, Ф.; Фишер, Ф.; Стют, У.; Крахт, Д.: Лазерный подход к ремонту пластиков, армированных углеродным волокном, Physics Procedia 12, 2011, S. 537-542. дои : 10.1016/j.phpro.2011.03.066
- Фишер, Ф.; Ромоли, ; Клинг, Р.; Крахт, Д.: Лазерный ремонт композитов, армированных углеродным волокном, Ин Хоченг, Х., Технология обработки композитных материалов: принципы и практика (стр. 309–330), Кембридж, Великобритания: Woodhead Publishing Limited, 2011 [1] в Google Книгах
- Диттмар, Х.; Блюмел, С.; Яешке, П.; Стют, У.; Крахт, Д.: Преимущества и проблемы лазерной обработки углепластика с помощью нс-импульсов, Материалы 31-го Международного конгресса по применению лазеров и электрооптики, 2012 г., Анахайм, США
- Фёлькермейер, Ф.; Яешке, П.; Стют, У.; Крахт, Д.: Лазерная модификация смачиваемости углепластиков, Applied Physics A, 09/2012, два : 10.1007/s00339-012-7237-3