Композитный ремонт

Композитный ремонт выполняется на поврежденных ламинированных конструкциях, армированных волокнами композитах и ​​других композитных материалах. Связанный композитный ремонт снижает напряжения в поврежденной области и предотвращает раскрытие или рост трещин. Композитные материалы используются в широком спектре приложений в аэрокосмической , морской , автомобильной , наземной транспортной и спортивной отраслях. Повреждения композитных компонентов не всегда видны невооруженным глазом , и степень повреждения лучше всего определяется для структурных компонентов подходящими методами неразрушающего контроля (NDT) .

Композитные структуры, представляющие интерес, в основном представляют собой компоненты, состоящие из ламинированных слоев или сэндвич-структур, как показано на рисунке 1. Слоистые структуры собираются таким образом, что ориентация волокон обеспечивает большую часть желаемых механических свойств , а матрица в значительной степени определяет экологические характеристики. В сэндвич-структурах тонкие высокопрочные оболочки разделены и связаны с легкими сотовыми сердцевинами; чем толще сердцевина, тем жестче панель с минимальным увеличением веса. ^[1]

Наиболее важным повреждением армированных волокном композитов являются инциденты удара. Низкоскоростной и высокоскоростной удар может привести к существенно разным моделям повреждения для данной конфигурации композита. В металлах энергия удара рассеивается за счет упругих и пластических деформаций, и все же структура сохраняет хороший запас структурной целостности . Однако в армированных волокном композитных материалах повреждения обычно более обширны, чем те, которые видны на поверхности. Некоторые типичные случаи повреждения для композитных конструкций показаны на рисунке 2.

В монолитных ламинатах глубинное повреждение может распространяться на гораздо большую величину, чем едва заметные следы на его поверхности. Другой тип повреждения — раскол ламината. Здесь повреждение не распространяется по всей длине детали. Влияние на механические характеристики зависит от длины раскола относительно толщины компонента.

В сэндвич-структурах удар приводит к образованию вмятин различных размеров, и в зависимости от уровня энергии проколы не являются чем-то необычным. В этом случае могут быть повреждены обе оболочки. Другие распространенные типы повреждений включают тепловое повреждение и повреждение болтовым отверстием. Тепловое повреждение вызвано воздействием высокой температуры, которое вызывает локальный разрыв с разделением поверхностных слоев. Повреждение болтовым отверстием вызвано опорными напряжениями на контактных поверхностях композитной конструкции с болтом или заклепкой, используемыми для соединения. Это может привести к удлинению отверстия, вызывающему расщепление ламината, или повреждению верхних слоев. В любом случае влияние на механические характеристики зависит от толщины поврежденной части.

Дальнейшие последствия, помимо первоначального повреждения от удара, возникают из-за воздействия на поврежденную область 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.

При выполнении композитного ремонта необходимо соблюдать определенные шаги. На рисунке 3 представлена ​​типичная блок-схема композитного ремонта.

Первым шагом в процедуре должна быть тщательная оценка повреждений. Некоторые повреждения композитов очевидны и легко оцениваются, но во многих случаях повреждения могут сначала показаться совсем небольшими, хотя реальный ущерб гораздо больше. Ударное повреждение волокна может выглядеть как небольшая вмятина на армированной композитной поверхности, но лежащее в основе повреждение может быть гораздо более обширным. Решение о ремонте или сдаче в металлолом принимается с учетом объема ремонта, необходимого для замены исходных структурных характеристик композита. Другими соображениями являются стоимость ремонта, местоположение и доступность повреждения и наличие подходящих ремонтных материалов.

Первоначальная оценка определит тип ремонта, который необходимо выполнить. Легкий ремонт обычно небольшой или не влияет на структурную целостность компонента. Этот ремонт выполняется в соответствии с простыми рекомендациями, указанными для ламинированных или сэндвич-панелей. Сложный ремонт необходим, когда повреждение обширное 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 соответствовать всем исходным проектным требованиям к конструкции.

Для некоторых видов ремонта требуется специализированное оборудование мастерской, а для возврата компонента в подходящую ремонтную мастерскую требуется некоторая форма импровизированного ремонта. Временный ремонт, обычно в виде заплатки, 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 следует выполнять в контролируемых зонах мастерской для обеспечения высокого качества. Работа в контролируемой среде и внимание к деталям обеспечат успех.

Перед возвратом в эксплуатацию всегда требуется проверка качества. Для комплексной проверки отремонтированных деталей можно использовать ряд неразрушающих испытаний (NDT) . Особое внимание следует уделять качеству отремонтированной области и, в частности, интерфейсу между исходной деталью и отремонтированной областью. Обычные методы проверки включают в себя некоторые формы ультразвукового или рентгеновского контроля.

Типичный композитный ремонт обычно начинается после обнаружения повреждения невооруженным глазом или различными другими методами неразрушающего контроля. После оценки степени повреждения 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 применении композитного ремонта правильная обработка поверхности имеет важное значение для успешного результата. Вышеупомянутые ремонты могут быть трудоемкими и часто требуют высоких навыков и опыта. Вот почему современные разработки, как правило, сосредоточены на автоматизации этого процесса либо с помощью передового механического фрезерования, либо с помощью альтернативных технологий, таких как наносекундные импульсные лазеры 2-3. После того, как зона повреждения полностью выкопана, поверхности очищаются и дополнительно подготавливаются для окончательного ремонта заплатами. Это может быть сделано путем плазменного сжигания поверхностных загрязнений, обнажения волокон путем удаления материала матрицы с помощью лазерного излучения или улучшения смачиваемости поверхности для клеев с помощью фотохимических реакций, вызванных УФ -лазером 4.

При типичном ремонте заплатка накладывается под вакуумом и при температурах, достаточно высоких для отверждения клея . Для этих целей можно использовать портативный аппарат горячего склеивания для ремонта в полевых условиях. Для более сложных и высококачественных ремонтов следует использовать автоклав . Аппарат горячего склеивания показан на рисунке 5.

В любом случае, применение вакуумного мешка является необходимым шагом для высококачественного ремонта. Обработка вакуумным мешком подходит для компонентов с тонкими секциями и большими сэндвич-структурами. Технология вакуумного мешка включает размещение и герметизацию гибкого мешка поверх композитной укладки и откачку 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 этом вакуум все еще применяется, нагревается до желаемой температуры для отверждения . Этого можно добиться с помощью нагревательного мата или путем помещения сборки в печь с хорошей циркуляцией воздуха. Для более толстых секций и высококачественного склеивания следует искать автоклав с регулируемой температурой и дополнительным избыточным давлением .

Наиболее важными техническими проблемами при внедрении успешного композитного заплаточного ремонта являются: (a) правильная конструкция ремонтной заплатки и процедуры, которые будут соблюдаться, (b) выбор наиболее подходящих материалов и инструментов для нанесения, (c) тщательная подготовка поверхности, (d) внедрение композитного заплаточного ремонта и тщательное применение цикла отверждения, (e) неразрушающая оценка ремонта с помощью подходящей методологии и (f) мониторинг структурной целостности ремонта либо через определенные промежутки времени, либо непрерывно.

• Фёлькермейер, Ф.; Фишер, Ф.; Стуте, У.; Крахт, Д.: Лазерный подход к ремонту склеиванием армированных углеродным волокном пластиков, Physics Procedia 12, 2011, S. 537-542 doi :10.1016/j.phpro.2011.03.066
• Фишер, Ф.; Ромоли, ; Клинг, Р.; Крахт, Д.: Лазерный ремонт композитов, армированных углеродным волокном, В Хоченг, Х., Технология обработки композитных материалов: принципы и практика (стр. 309–330), Кембридж, Великобритания: Woodhead Publishing Limited, 2011 [1] в Google Books
• Диттмар, Х.; Блюмель, С.; Йешке, П.; Стуте, У.; Крахт, Д.: Преимущества и проблемы лазерной обработки углепластика с использованием нс-импульсов, Труды 31-го Международного конгресса по применению лазеров и электрооптики, 2012, Анахайм, США
• Фёлькермейер, Ф.; Йешке, П.; Штуте, У.; Крахт, Д.: Лазерная модификация смачиваемости для пластиков, армированных углеродным волокном, Applied Physics A, 09/2012, doi :10.1007/s00339-012-7237-3

• Композитные исследовательские проекты