Universitatea Politehnica BucurestiFacultatea de Inginerie Aerospatiala

Repararea structurii aripii cu elemente metalice/compozite. Exemplu de reparare panou aripa si tehnologia de reparare

Profesor Coordonator: Dr. Ing. Florin Frunzulica Student: Cristina-Dana Teliceanu Grupa: 941

Repararea structurii aripii cu elemente metalice/compozite. Exemplu de reparare panou aripa si tehnologia de reparare

Aeronava F-111 este construita in mare parte din structuri sandwich (panouri de aluminiu si rasini fenolice) sau structuri de aluminiu tip fagure. Panourile de tip fagure sunt integrate in structura dar sunt utilizate si ca panouri de acces.

Degradare panourilor sandwich ale aeronevelor F-111 este una din problemele esentiale care s-a pus in programul de retragere din exploatare.

Proceduri de reparatie

Procedurile de reparatie sunt detaliate in manualele de standarde ingineresti AAP 7021.016-2 si AAP 7214.003-3. In cazul de fata ultimul manual este o versiune mai veche, iar reparatiile noi vor trebui sa acopere greselile celor vechi.Vom da mai jos un tabel cu detaliile procedurilor utilizate de cele doua manuale:

Tipul reparatiei AAP 7021.016-2 AAP 7214.003-31. Pe baza de injectie Permis numai pentru

reparatii de scurta perioada cand exista un defect intre invelis si structura fagure. Se va pune petic compozit peste reparatia cu injectie, tot ca masura temporara. Trebuie inlocuit cu ocazia procedurilor de mentenanta urmatoare.

Se fac gauri de 0.06’’ prin invelis, utilizand un sablon. Se injecteaza elementul de umplere. Se poate aplica petic metalic in functie de zona de reparatie. Anumite zone nu necesita aplicarea unui petic metalic.

2. Degradarea structurii fagure ≤1/2’’ diametru

Metoda AAP 7214.003-3 Structura degradata este inlaturata. Se injecteaza componentul de umplere, se aduce la forma. Se aplica petic metalic peste zona reparata conform

ENG.STD.C50333. Inlocuirea partiala a

structurii fagure;

Degradare >1/2’’ diametru si ≤1/2’’ adancime

Se inlatura structura afectata in adancimea maxima de degradare. Se aplica un film adeziv in cavitate, urmat de un element metalic de spatiere (distantator), in final aplicandu-se adeziv spuma. Se adauga adeziv spuma in jurul dopului de fagure ce urmeaza sa fie introdus. Se plaseaza dopul apoi se aplica petic metalic pe suprafata reparata conform ENG.STD.C5033(Engineering Standard).

Se inlatura structura afectata in adancimea maxima de degradare. Se aplica un film adeziv si spuma adeziva. Se adauga adeziv spuma in jurul dopului de fagure ce urmeaza sa fie introdus. Se plaseaza dopul apoi se aplica petic metalic pe suprafata reparata conform ENG.STD.C5033.

4. Inlocuire totala a structurii fagure;

Degradare: >1/2’’ diametru si >1/2’’ adancime

Se indeparteaza miezul lasand adezivul de pe invelisul interior intact. Daca adezivul este dezlipit se indeparteaza si acesta. Se adauga adeziv film in adancimea cavitatii si adeziv spuma in jurul marginilor. Se adauga adeziv spuma in jurul dopului de fagure si pe baza acestuia. Se insereaza dopul. Se aplica petic metalic peste suprafata reparata conform Se plaseaza dopul apoi se aplica petic metalic pe suprafata reparata conform ENG.STD.C5033.

Se indeparteaza miezul lasand adezivul de pe invelisul interior intact. Daca adezivul este dezlipit se indeparteaza si acesta. Se adauga adeziv in cavitate dupa urmatoarea ordine: adeziv spuma apoi adeziv film.Se adauga adeziv spuma in jurul dopului de fagure si pe baza acestuia. Se insereaza dopul. Se aplica petic metalic peste suprafata reparata conform Se plaseaza dopul apoi se aplica petic metalic pe suprafata reparata conform ENG.STD.C5033.

Pregatirea suprafetelor de lucru

Reparatiile prezentate in tabelul anterior necesita tratamente speciale ale suprafetei de lucru in conformitate cu ENG.SDT. C5033 si cu manualul de reparatii.

Componenta Reparatii aplicate(conform tabelului anterior)

Tratamentul suprafetei

Inlaturare partiale de structura degradata

1,2 Curatare cu MEK (Methyl Ethyl Ketone – Metil Etil Cetona), urmata de uscare timp de 2h la 110ºC

Inlocuire partiala a structurii fagure

3 Curatare cu MEK urmata de uscare timp de 2h la 110ºC

Inlocuirea totala a structurii fagure

4 Daca adezivul de pe invelisul interior este intact: curatare cu MEK. Test de rezistenta la apa si uscare la 110ºC timp de 2h. Sablare.Daca adezivul este dezlipit: sablare, SiH4 urmat de o uscare timp de 2h.

Inserarea dopului de fagure

3,4 Curatare cu MEK urmata de uscare timp de 2h la 110ºC

Petic metalic/Distantator metalic

1-4 Sablare, SiH4, uscare 1h la 110ºC

Pregatire invelisului fagurelui pentru aplicarea peticului metalic

1-4 Sablare, SiH4, uscare 2h la 110ºC

Gradul de curăţare prin sablare

Sablarea este procesul de curăţare sau finisare a metalului, pietrei, sticlei sau a altui material solid cu ajutorul alicelor metalice, elctrocorindonului, nisipului sau al altor materiale abrazive granulare care sunt propulsate cu viteză prin centrifugare mecanică sau cu ajutorul unui jet de gaze sau lichide spre suprafaţa materialelor de prelucrat. Fenomenul de sablare poate fi observat şi în natură sub forma eroziunii eoliene a solului.

Performanţa diverselor tratamente care se aplică suprafeţelor metalice este puternic influenţată de eventualii contaminanţi existenţi pe ea, din acest motiv gradul de curăţare este poate cel mai important parametru ce se urmăreşte pe parcursul sablării.

Gradul de curăţare este definit în standardul ISO 8501-1 cu ajutorul unui pictorial comparativ, plecând de la calitatea suprafeţelor metalice ce urmează a fi sablate. Calitatea iniţială a suprafeţei metalului este împărţită în următoarele categorii:

Suprafaţă de calitate A - Metalul este acoperit cu ţunder puternic aderent sau cu alte depuneri rezultate în procesul de laminare sau turnare, fără a prezenta însă urme de oxidare.

Suprafaţă de calitate B - Metalul este acoperit cu ţunder slab aderent sau cu alte depuneri rezultate în procesul de laminare sau turnare, prezintă şi uşoare urme de oxidare.

Suprafaţă de calitate C - Metalul prezintă urme de ţunder sau alte depuneri rezultate în procesul de laminare sau turnare, fiind puternic oxidat.

Suprafaţă de calitate D - Metalul este puternic oxidat, suprafaţa fiind corodată în profunzime.

Gradele de curăţare pentru suprafeţele metalice definite în ISO 8501-1 sunt:

Sa1 - De pe suprafaţa metalului au fost îndepărtate prin sablare depunerile slab aderente cum ar fi rugina, ţunderul, vopseaua şi mizeria. Se acceptă prezenţa pe suprafaţa sablată a vopselei şi a ţunderului puternic aderent, cu toate acestea întreaga suprafaţă trebuie să fi fost sablată.

Sa2 - De pe suprafaţa metalului au fost îndepărtate prin sablare depunerile de ţunder, vopsea şi rugină. Se acceptă prezenţa petelor superficiale de oxizi (umbre) iar în cazul în care suprafaţa iniţială era de calitate D, se acceptă şi prezenţa depunerilor pe fundul craterelor de coroziune.

Sa2 1/2 - De pe suprafaţa metalului au fost îndepărtate prin sablare toate depunerile de ţunder, vopsea şi rugină. Se acceptă prezenţa urmelor de oxizi cel mult sub forma de zgârieturi sau puncte, cu condiţia ca cel puţin 95% din suprafaţa sablată să fie perfect curată (argintie).

Sa3 - De pe suprafaţa metalului au fost îndepărtate absolut toate depunerile de ţunder, vopsea şi rugină. Nu se acceptă absolut nici o urmă de contaminare superficială.

SiH4 – tetrahidrura de siliciu reprezinta analogul de silicon al metanului. La temperatura camerei, este un gaz piroforic. Acest lucru inseamna ca produce combustie spontana in aer fara a fi nevoie de o aprindere din exterior.

Tetrahidrura de siliciu este utilizata ca agent de cuplare in cazul adeziunilor fibrelor de sticla la o matrice de polimeri actionand ca stabilizant al materialului compozit.

In domeniul aviatiei acest compus este utilizat in combustia supersonica la ramjet, pentru a initia combustia in fluxul de aer comprimat.

Adezive utilizate in reparatia structurilor fagure

In tabelul de mai jos vom prezenta gama de adezive utilizate in reparatiile panourilor cu structuri fagure:

Adeziv Descriere Tipul de reparatiePR1750-B (FMS-1044) Izoleaza si acopera

suprafetele la temperatura camerei.

Aplicarea peticelor de metal pentru mentenanta temporara.

EA934` Adeziv de umplere la temperatura camerei.

Umplere prin injectie, uneori si pentru lipiri usoare a peticelor (compozite).

FM-300 Adeziv puternic la 300ºF Lipituri metal pe metal si

metal pe structuri fagure.Plastilock 654HE Adeziv spuma puternic la

250-350ºFAdeziv utilizat in lipirea miezului de fagure.

Indepartarea umezelii de pe suprafata degradata

Unul dintre pasii cei mai importanti in procesul de reparatie al panourilor unei aripi este indepartare tuturor urmelor de umezeala de pe structura fagure prin uscarea cu vacuum. Pentru ordinul de marime al peticelor – linia are 350 mm.

Aceasta tehnica este folosita pentru toate tipurile de reparatii din primul tabel si implica incalzirea panoului la 85ºC de la 4 la 6 ore in functie de materialul din care este alcatuita structura aripii.

Exemple de defecte si reparatii

Petice metalice aplicate structurii in urma reparatiilor prin injectare asupra unui panou fagure. Peticele au fost lipite la 160ºC cu adezivul FM-300:

Zone care au fost inlaturate din panou ca rezultat a esuarii lipiturii in timpul ciclului de adeziune al peticului, ce ar fi trebuit sa acopere reparatiile anterioare prin injectie:

Reparatii anterioare prin injectie a aripii aeronavei F-111 ce nu au fost acoperite cu petic:

Esuarea lipiturii peticului in zona de reparatie prin injectie:

Portiuni de fagure degradate, ce au primit anterior reparatii prin injectie:

Reparatia unui panou de F-111

Se va studia repararea unui panou ce contine o crapatura si miezul degradat al structurii fagurelui. Reparatia implica inlocuirea partiala a miezului, urmata de aplicarea unui petic structural.

Invelisul din jurul portiunii degradate este indepartat si se analizeaza gradul de defectiune al miezului structurii fagure. Portiunea degradata este indepartata prin taiere si restul de structura fagure este adusa la nivel pentru a face posibila lipirea si inserarea dopului.

Pasul 1: indepartarea prin decupare a miezului

Portiunii pe care se efectueaza reparatia i se va aplica un proces de eliminare a umezelii la 85ºC si la -75kPa cu 6 termocuple si o patura calda pe marginea suprafetei de lucru.

Inainte de operatiunea de eliminare a umezelii, o bucata de structura fagure este taiata astfel incat sa fie cu 10 mm mai groasa decat nivelul invelisului, asemeni figurii de mai jos:

Dopul de fagure este curatat cu MEK si apoi uscat la 110ºC pentru 2h, utilizand pentru acest proces un cuptor. Portiunea decupata din panou este de asemenea curatata cu MEK si pentru a usca zona de reparatie este utilizata o lampa cu infrarosu la 110ºC pentru 2h.

Dupa uscarea dopului ce urmeaza a fi inserat, adeziv film si spuma, pregatite in prealabil, sunt taiate la forma si sunt aplicate pe zonele de imbinare dupa figura de mai jos.

Odata cu uscarea portiunii din panou, dopul si adezivul sunt aplicate zonei decupate. Dopul va fi inserat in locas, panoul aratand ca mai jos:

Acesta este modelul de lipitura corecta, se poate observa expansiunea adezivului. Daca adezivul nu se extinde, atunci inseamna ca lipitura este defectuoasa ceea ce va duce la noi proceduri de reparatie ulterioara:

Dopul va fi adus la nivel cu suprafata panoului si peste acesta va fi aplicat peticul metalic utilizand adezivul FM-300.

Suprafata invelisului si peticul metalic sunt tratate in prealabil cu procedura standard de sablare si SiH4, iar apoi uscate la 110ºC pentru 2h. Adeziv film de tipul FM-300 este utilizat la 160ºC pentru 1 si ¾ ore, in timpul procedurii standard de vacuum.

Observatii:

Procedura de reparatie pentru inlocuirea partiala a structurii fagure respecta indicatiile din standardul ingineresc C5033 si din manualul AAP 7021.016-2 in ceea ce priveste pregatirea suprafetelor si procesele de uscare. Cu toate acestea celelalte aspecte privind inlocuirea miezului si tehnologia utilizata a fost facuta in concordanta cu AAP 7214.003-3. Acest lucru arata variatia metodologiei de reparatie in practica.

O alta problema ce a survenit in timpul reparatiei a fost cea referitoare la adezivul spuma care nu s-a extins (adezivul utilizat in cazul in care s-a extins si in cazul in care nu s-a extins, provenea din acelasi lot de fabricatie). Acest lucru, in cazul unei reparatii la scara mult mai mare, ar duce la costuri suplimentare, iar timpul alocat reparatiei se va prelungi considerabil. Inconvenient este faptul ca nu se poate preciza calitatea adezivului inainte de utilizare.

Bibliografie:

Andrew N. Rider – F-111 Bonded Panel Repair Status Alan Baker, Francis Rose,Rhys Jones – Advances in the Bonded Composite

Repair of Metallic Aircraft Structure