Kits de réparation portables simplifient la maintenance en terrain de structures composites

Les ponts modulaires déployables sont un atout clé dans les opérations tactiques militaires et la logistique, ainsi que pour restaurer l'infrastructure de transport lors de catastrophes naturelles. La construction composite est étudiée pour réduire le poids de tels ponts, ce qui réduit à son tour la charge sur les véhicules de transport et les mécanismes de lancement-récupération. Les composites offrent aussi le potentiel d'augmenter la capacité de charge et d'étendre la durée de vie par rapport aux ponts métalliques.

Le pont modulaire composite avancé (AMCB) en est un exemple, conçu et construit en utilisant des stratifiés époxy renforcés de fibres de carbone (Fig. 1) par Seemann Composites LLC (Gulfport, Miss., États-Unis) et Materials Sciences LLC (Horsham, Penn., États-Unis). Cependant, la capacité de réparer de telles structures sur le terrain a été un problème freinant l'adoption des composites.

En 2016, Custom Technologies LLC (Millersville, Md., États-Unis) a reçu une subvention Phase I de recherche d'innovation pour petites entreprises (SBIR) financée par l'armée américaine pour développer une méthode de réparation qui peut être réalisée avec succès par des soldats sur le terrain. Basée sur cette méthode, une subvention SBIR Phase II a été attribuée en 2018 pour démontrer de nouveaux matériaux et équipements à batterie qui pourraient restaurer 90% ou plus de la résistance originale de la structure, même quand la réparation par patch est effectuée par un novice sans formation préalable. La faisabilité de la technologie a été établie en effectuant une série de tâches analytiques, de sélection de matériaux, de fabrication d'éprouvettes de test et de tests mécaniques, ainsi que des réparations à petite et grande échelle.

 

Des ponts de navires fissurés aux ponts de ponts

L'investigateur principal pour les deux phases SBIR était Michael Bergen, fondateur et président de Custom Technologies LLC. Bergen a pris sa retraite du Naval Surface Warfare Center (NSWC) Carderock avec un mandat de 27 ans au Département des structures et matériaux, où il gérait le développement et l'application de technologies composites pour la flotte de la marine américaine. Le Dr Roger Crane a rejoint Custom Technologies en 2015 après avoir pris sa retraite de la marine américaine en 2011 avec 32 ans de service. Son expertise en composites inclut des publications techniques et brevets couvrant des sujets tels que nouveaux matériaux composites, fabrication de prototypes, méthodes d'assemblage, composites multifonctionnels, surveillance de santé structurelle et réparation de composites.

Ces deux experts avaient déjà développé un processus unique qui utilisait des composites pour réparer les fissures dans les superstructures en aluminium 5456 sur le croiseur lance-missiles guidés USS Ticonderoga CG-47. « Ce processus a été développé pour réduire la croissance des fissures et servir d'alternative abordable à un remplacement de plaque de pont de 2-4 millions de dollars », dit Bergen. « Ainsi, nous avions démontré que nous savions comment faire des réparations en dehors du labo et dans un vrai environnement de service. Mais le défi était que les méthodes actuelles pour les actifs militaires ne sont pas très réussies. Les options sont une réparation par doubleur collé [essentiellement coller une plaque sur la zone endommagée] ou retirer l'actif du service pour des réparations de niveau dépôt (D-level). Il y a tant d'actifs qui restent sur le côté parce qu'une réparation D-level est requise. »

Ce qui est nécessaire, continue-t-il, « est une méthode qui peut être exécutée par un soldat sans expérience en composites, en utilisant seulement un kit et un manuel de réparation. Notre objectif était de rendre le processus facile : lire le manuel, évaluer les dommages et faire la réparation. Nous ne voulions aucun mélange de résines liquides car cela nécessite des mesures précises pour assurer un durcissement complet. Nous avions aussi besoin d'un système sans déchets HAZMAT à gérer après la réparation. Et il devait être emballé en kits qui peuvent être déployés par les réseaux déjà en place. »

 

Matériaux de patch collé novateurs

Une solution que Custom Technologies a démontrée avec succès est un kit portable qui permet un patch composite collé, adapté à la taille du dommage - jusqu'à un maximum de 12 pouces carrés - en utilisant un adhésif époxy durci. Les démonstrations ont été complétées sur des composites représentatifs du pont AMCB de 3 pouces d'épaisseur, qui comporte un noyau en balsa de 3 pouces d'épaisseur (densité 15 livres par pied cube) avec des peaux comprenant deux plis de Vectorply Corp. (Phenix City, Ala., États-Unis) C-LT 1100 carbone 0°/90° tissu biaxial cousu, un pli de C-TLX 1900 fibre de carbone 0°/+45°/-45° triaxial et deux plis de plus de C-LT 1100 pour cinq plis au total. « Nous avons décidé que le kit utiliserait des patches préfabriqués dans un drapage quasi-isotrope de multiaxiaux similaires pour que l'orientation du tissu ne soit pas un problème », dit Crane.

Le prochain problème était la matrice de résine pour le stratifiage des réparations. Pour éviter le mélange de résines liquides, le patch utiliserait des préimprégnés. « Cependant, le défi pour ceux-ci est le stockage », explique Bergen. Pour développer une solution de patch stockable, Custom Technologies s'est associé à Sunrez Corp. (El Cajon, Californie, États-Unis) pour développer un préimprégné fibre de verre/ester vinyl qui durcit en six minutes en utilisant la lumière ultraviolette (UV). Il a aussi travaillé avec Gougeon Brothers (Bay City, Mich., États-Unis), qui a suggéré d'utiliser un film de résine époxy flexible novateur.

Des investigations précoces avaient déjà démontré que l'époxy était la résine la plus appropriée pour un préimprégné fibre de carbone - l'ester vinyl UV durcit très bien avec les fibres de verre translucides mais ne durcit pas sous les fibres de carbone bloquant la lumière. Basé sur le film novateur de Gougeon Brothers, le préimprégné époxy final a démontré un durcissement d'une heure à 210°F/99°C avec une longue durée de conservation à température ambiante - aucun stockage à basse température n'est requis. La résine durcira aussi à des températures plus élevées, dit Bergen, par exemple à 350°F/177°C si une température de transition vitreuse (T_g) plus élevée est requise. Les deux préimprégnés sont fournis dans le kit de réparation portable comme des drapages de patch préimprégné préfabriqués scellés dans des enveloppes en film plastique.

Parce que les kits de réparation peuvent être en stock pendant une période prolongée, Custom Technologies a été tenu de réaliser une étude de durée de conservation. « Nous avons acheté quatre valises en plastique dur - typiques de celles que l'armée utilise pour expédier l'équipement - et mis des échantillons des adhésifs époxy et préimprégné ester vinyl dans chacune », dit Bergen. Les valises ont ensuite été placées dans quatre endroits différents pour les tests : sur le toit de l'installation de Gougeon Brothers au Michigan, sur le toit d'un aéroport au Maryland, à l'extérieur à une installation à Yucca Valley (désert californien) et à un laboratoire de test de corrosion extérieur en Floride du sud. Toutes les valises avaient des enregistreurs de données, note Bergen, « et nous tirions des données et échantillons de matériaux tous les trois mois pour évaluation. Une température maximale de 140°F a été enregistrée par les boîtes en Floride et Californie, ce qui est un vrai défi pour la plupart des résines de réparation. » En plus, Gougeon Brothers a testé la résine époxy neat nouvellement développée en interne. « Les échantillons maintenus pendant des mois dans un four à 120°F ont commencé à polymériser », dit Bergen. « Cependant, pour les échantillons correspondants maintenus à 110°F, la chimie de la résine n'a avancé que d'une petite quantité. »

 

Tests de réparation

Pour démontrer la technologie de réparation, des stratifiés représentatifs ont dû être fabriqués, endommagés et puis réparés. « Dans le projet Phase I, nous avons initialement travaillé avec des poutres à petite échelle de 4 x 48 pouces et des tests de flexion à quatre points pour évaluer la viabilité de notre processus de réparation », dit Crane. « Nous sommes ensuite passés à des panneaux de 12 x 48 pouces dans le projet Phase II, appliquant une charge pour créer un état de contrainte biaxial jusqu'à la rupture, et puis évalué la performance de la réparation. Dans le projet Phase II, nous avons aussi complété des réparations sur un modèle de l'AMCB que nous avions construit. »

Les panneaux de test utilisés pour démontrer la performance de la réparation ont été fabriqués en utilisant le même pedigree en stratifié et noyau que l'AMCB construit par Seemann Composites, dit Bergen, « mais nous avons réduit l'épaisseur de la peau de 0,375 pouce à 0,175 pouce, basée sur le théorème des axes parallèles. Cette approche, avec des éléments additionnels de théorie des poutres et de théorie classique des stratifiés [CLT], a été utilisée pour relier le moment d'inertie et la rigidité effective de l'AMCB à grande échelle à des articles démonstratifs plus traitables et rentables. Nous avons ensuite utilisé des modèles d'analyse par éléments finis [FEA] développés par XCraft Inc. (Boston, Mass., US) pour affiner la conception des réparations structurelles. » Les tissus en fibre de carbone pour les panneaux de test et le modèle AMCB ont été achetés chez Vectorply et le noyau en balsa fourni par Core Composites (Bristol, R.I., États-Unis).

Étape 1. Ce panneau de test montre le diamètre de trou de 3 pouces pour simuler les dommages marqué au centre ainsi que le périmètre de réparation. Photo credit pour toutes les étapes : Custom Technologies LLC.

Étape 2. Une meuleuse manuelle à batterie est utilisée pour enlever le matériel endommagé et créer un biseau 12:1 pour recevoir le patch de réparation.

« Nous voulions simuler un degré de dommage plus élevé dans les panneaux de test que ce qui est susceptible d'être vu sur les ponts de terrain », explique Bergen. « Donc, notre approche était d'utiliser une scie cloche pour faire un trou de 3 pouces de diamètre. Nous avons ensuite retiré le bouchon de matériel endommagé et effectué un biseau 12:1 en utilisant une meuleuse pneumatique portative. »

Pour la réparation fibre de carbone/époxy, explique Crane, une fois le matériel de peau « endommagé » enlevé et le biseau approprié appliqué, le préimprégné a été coupé en largeur et longueur pour correspondre au biseau de la zone endommagée. « Pour nos panneaux de test, cela nécessitait quatre plis de préimprégné qui amenaient le matériel de réparation au niveau du sommet de la peau carbone originale non endommagée. Après cela, trois sur-plis du préimprégné carbone/époxy étaient centrés sur cette section de réparation. Chaque pli successif s'étendait de 1 pouce de tous les côtés du pli en dessous, ce qui fournissait un transfert de charge progressif du matériel environnant « bon » vers la zone réparée. » Le temps total pour effectuer cette réparation - incluant la préparation de la zone de réparation, la coupe et la pose du matériel de réparation et l'application de la procédure de durcissement - était d'environ 2,5 heures.

Même si la réparation carbone/époxy est simple et rapide, l'équipe a reconnu le besoin d'une solution encore plus expéditive qui pourrait restaurer la performance. Cela a mené à l'exploration du préimprégné durci par ultraviolet (UV). « L'intérêt pour la résine ester vinyl Sunrez était basé sur l'expérience précédente de la marine avec Mark Livesay, qui a fondé l'entreprise », explique Bergen. « Nous avons commencé en fournissant à Sunrez un tissu de verre quasi-isotrope à préimprégner avec leur ester vinyl et évalué le profil de durcissement sous conditions variées. De plus, sachant que la résine ester vinyl ne fournit pas des propriétés de collage secondaire aussi appropriées que l'époxy, il y a eu un effort additionnel pour évaluer divers agents de couplage de ligne de collage et en qualifier un pour cette application. »

Un autre problème était que la fibre de verre ne fournit pas les mêmes propriétés mécaniques que la fibre de carbone. « Cela a été résolu en utilisant un pli additionnel du verre/ester vinyl comparé au patch carbone/époxy », dit Crane. « La raison pour laquelle seule une couche additionnelle était requise était que le matériel de verre était un tissu plus lourd. » Cela a résulté en un patch approprié qui pouvait être appliqué et puis durci en six minutes même à des températures de terrain très froides/gelées sans besoin de fournir de la chaleur. Crane note que cette réparation pouvait être complétée en une heure.

Les deux systèmes de patch ont été démontrés et testés. Pour chaque réparation, la zone à endommager a été marquée (étape 1), créée avec la scie cloche et puis enlevée en utilisant une meuleuse manuelle à batterie (étape 2). La zone de réparation a ensuite été biseautée à un cône 12:1. La surface biseautée a été nettoyée avec des tampons d'alcool (étape 3). Ensuite, le patch de réparation a été coupé à la taille, positionné sur la surface nettoyée (étape 4) et consolidé avec un rouleau pour enlever les bulles d'air. Pour le préimprégné fibre de verre/ester vinyl UV, un pli de démoulage a été placé sur la zone de réparation et le patch a été durci en utilisant une lumière UV sans fil pendant six minutes (étape 5). Pour le préimprégné fibre de carbone/époxy, la zone de réparation a été mise sous vide et durcie en utilisant un hot bonder à batterie préprogrammé à un bouton pendant une heure à 210°F/99°C.

Étapes de réparation

Étape 3. La zone de réparation préparée est ensuite nettoyée avec un essuyage solvant en utilisant des tampons d'alcool jetables.

Étape 4. Le patch de réparation fibre de verre/ester vinyl est coupé à la taille et positionné sur la zone de réparation.

Étape 5. Après qu'un pli de démoulage est placé sur la zone de réparation, la réparation de patch est durcie en utilisant une lumière UV sans fil pendant six minutes.

Étape 6. Réparation de patch préimprégné fibre de verre/ester vinyl UV terminée.        

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« Nous avons ensuite effectué des tests pour évaluer le collage adhésif du patch et la capacité de restaurer la capacité de charge de la structure », dit Bergen. « En Phase 1, nous devions démontrer la facilité d'application et la capacité de restaurer au moins 75% de la résistance. Cela a été accompli sur les poutres carbone/époxy et noyau balsa de 4 x 48 pouces en flexion à quatre points suivant la réparation de dommages simulés. Le projet Phase 2 a utilisé des panneaux de 12 x 48 pouces et devait montrer une exigence de résistance supérieure à 90% sous chargement de contrainte complexe. Nous avons satisfait à toutes ces exigences et puis filmé les méthodes de réparation sur le modèle AMCB pour fournir une référence visuelle sur comment utiliser les techniques et équipements de terrain. »

 

Succès novice, applications futures

Un aspect clé du projet était de prouver qu'un novice pouvait facilement compléter la réparation. Pour ce faire, Bergen a eu une idée : « J'avais promis une démonstration à nos deux points de contact techniques à l'Armée : Dr Bernard Sia et Ashley Genna. À la revue finale pour le projet Phase I, j'ai demandé à Ashley, qui n'avait aucune expérience de réparation préalable, d'effectuer la réparation. En utilisant les kits et le manuel que nous avons fournis, elle a appliqué le patch et complété la réparation sans aucun problème. »

Un autre développement clé est le système de durcissement à batterie (Fig. 2). « Avec la réparation sur le terrain, vous n'avez que l'énergie de la batterie », note Bergen. « Tout l'équipement de processus dans notre kit de réparation développé est sans fil. » Cela inclut le hot bonder à batterie que Custom Technologies a développé avec le fournisseur de hot bonder WichiTech Industries Inc. (Randallstown, Md., États-Unis). « Ce hot bonder à chaleur à batterie est préprogrammé pour compléter le durcissement, donc le novice n'a pas besoin de programmer pour le cycle de durcissement », dit Crane. « Ils appuient simplement sur le bouton et il complète la montée et le maintien appropriés. » Les batteries actuellement utilisées durent un an avant d'avoir besoin d'être rechargées.

Avec le projet Phase II maintenant complété, Custom Technologies prépare une proposition d'amélioration de suivi et collecte des lettres d'intérêt et de soutien. « Notre objectif est de faire mûrir cette technologie au TRL 8 et de la sortir sur le terrain », dit Bergen. « Nous voyons aussi un potentiel pour des applications non militaires. »