W ostatnich latach świat lotnictwa — w tym samoloty komercyjne i wojskowe, satelity, statki kosmiczne, drony i bezzałogowe statki powietrzne (UAV) — przeszedł dramatyczne zmiany. Do wyścigu kosmicznego dołącza coraz więcej firm, z których wiele wymaga innowacyjnych technologii produkcji.
Natomiast wpływ ograniczeń w podróżowaniu na lotnictwo komercyjne spowodowany nową epidemią spowodował spadek tempa produkcji samolotów cywilnych o jedną trzecią.
W 2019 r. Europa była jednym ze światowych liderów w produkcji cywilnych samolotów i śmigłowców, w tym różnych komponentów i silników lotniczych, obsługując około 400,{2}} miejsc pracy i generując przychody w wysokości 130 miliardów euro. Podczas gdy pandemia w dużej mierze nie dotknęła eksploracji kosmosu i obrony, produkcja samolotów cywilnych wciąż się odbudowuje.
W opublikowanym w lutym 2023 roku „Uncertainty in Commercial Aerospace” (Uncertainty in Commercial Aerospace) znana firma konsultingowo-badawcza McKinsey poinformowała, że świat musi przetrawić budowę 9400 samolotów pasażerskich (głównie wąskokadłubowych odrzutowców). ) do końca 2027r. samolotów) zaległości. Nie ma jednak pewności co do przyszłego wzrostu pasażerskiego ruchu lotniczego, kondycji łańcuchów dostaw i siły roboczej. W rezultacie producenci muszą zwiększyć wydajność i elastyczność produkcji, aby poradzić sobie z zaległościami i reagować na przyszłe zmiany popytu.
Zdolność obróbki laserowej do zwiększania produktywności i utrzymywania kosztów na niskim poziomie może odegrać kluczową rolę w umożliwieniu takiej odpowiedzi ze strony przemysłu lotniczego. Obróbka laserowa – operacje w postaci cięcia, spawania, śrutowania i wiercenia – stała się integralną częścią produkcji lotniczej.
Na przykład lasery są używane do wykonywania klap do skrzydeł samolotów, elementów mocujących skrzydła, części silników odrzutowych i części siedzeń, a także są używane do naprawy turbin, czyszczenia lub usuwania farby z części oraz przygotowywania części do dalszej obróbki. powierzchnia części. W ostatnich latach laserowe wytwarzanie addytywne (AM) zyskało również na popularności w lotach kosmicznych. Ponadto rynek ma nadzieję na poprawę identyfikowalności komponentów lotniczych, a wymagania dotyczące znakowania laserowego również rosną.
Cięcie i spawanie laserowe
Cięcie laserowe to szybki, ekonomiczny i precyzyjny proces stosowany w celu spełnienia wysokich wymagań produkcyjnych sektora lotniczego.
W porównaniu z tradycyjnym przetwarzaniem cięcie laserowe charakteryzuje się wysoką precyzją, mniejszymi stratami materiału, dużą szybkością przetwarzania, niskimi kosztami i mniejszą konserwacją sprzętu. Ponadto maksymalizuje produktywność, ponieważ wszelkie niezbędne zmiany w obróbce są szybkie i łatwe.
Lasery mogą być używane do produkcji elementów mocujących skrzydła, części przyrządów, części efektorów końcowych, części narzędzi i nie tylko. Nadaje się zarówno do małych elementów, takich jak szczepione uszczelki olejowe i tytanowe kolektory upustowe, jak i do większych elementów, takich jak stożki wydechowe. Może obrabiać szeroką gamę materiałów lotniczych, w tym aluminium, Hastelloy (nikl, który został dodany do pierwiastków takich jak molibden i chrom), Inconel, Nitinol, Nitinol, stal nierdzewna, tantal i tytan.
Spawanie laserowe jest również stosowane w lotnictwie jako alternatywa dla tradycyjnych metod łączenia, takich jak klejenie i mocowanie mechaniczne. Na przykład zastosowanie spawania laserowego lekkich stopów aluminium i polimerów wzmocnionych włóknem węglowym (CFRP) w konstrukcji samolotów zyskuje na popularności i jest stosowane w miarę możliwości zamiast nitowania. Techniki, takie jak spawanie laserowe, okazały się również skuteczne w łączeniu zbiorników paliwa, poprawiając wydajność i wytrzymałość połączeń, zmniejszając liczbę przeróbek i oszczędzając dużo pieniędzy. Inne sukcesy spawalnicze w przemyśle lotniczym obejmują łączenie odlewanego rdzenia łopaty turbiny z pokrywą; oraz stworzenie nowego typu lekkich klap skrzydłowych, które zwiększają kontrolę przepływu laminarnego, minimalizują opór i optymalizują oszczędność paliwa.
Spawanie laserowe może potencjalnie obniżyć koszty, zmniejszyć wagę komponentów i poprawić jakość spoin w porównaniu z tradycyjnymi metodami, a kilku producentów rozważa obecnie spawanie laserowe do produkcji części płatowców.
Lczyszczenie asera
Producenci z sektora lotniczego stosują czyszczenie laserowe do usuwania warstw powierzchni metalowych i kompozytowych w ramach przygotowań do obróbki, usuwania powłok lub korozji oraz usuwania farby z dużych elementów lub całych samolotów przed ponownym malowaniem.
Podczas procesu czyszczenia laser jest absorbowany i odparowywany przez metalową powierzchnię, osiągając w ten sposób ablację materiału powierzchniowego, mając jednocześnie niewielki wpływ na materiał warstwy wewnętrznej i nie powodując przypadkowego uszkodzenia termicznego elementów. Pulsacyjne lasery światłowodowe w klasie kilowatów szczególnie dobrze nadają się do szybkiego czyszczenia laserowego - umożliwiają wydajne, bardzo precyzyjne czyszczenie szerokiej gamy materiałów, w tym ceramiki, kompozytów, metali i tworzyw sztucznych.
W ostatnich latach wzrosło wykorzystanie materiałów kompozytowych w samolotach, a co za tym idzie potrzeba łączenia metali z materiałami kompozytowymi. W produkcji lotniczej kleje mogą być używane do łączenia tych dwóch odmiennych materiałów. Aby stworzyć mocne połączenie, obie powierzchnie muszą być starannie przygotowane przed nałożeniem kleju.
Czyszczenie laserowe jest idealne, ponieważ tworzy bardzo ściśle kontrolowane, powtarzalne wykończenie powierzchni, które umożliwia spójne, przewidywalne wiązanie. Tradycyjnie można to zrobić za pomocą niszczących technik wybuchowych lub zastosowania kilku chemikaliów. Jednak czyszczenie laserowe oferuje obecnie jednoetapową metodę, która jest nie tylko bardziej opłacalna i wydajna, ale także ma mniejszy wpływ na środowisko, ponieważ nie są wymagane żadne toksyczne chemikalia ani materiały wybuchowe. Czyszczenie laserowe jest również znacznie łagodniejsze dla części niż tradycyjne metody.
Laserowe czyszczenie metalowych i kompozytowych części samolotówjest również korzystniejsze niż usuwanie chemiczne lub techniki strumieniowo-ścierne, jeśli chodzi o usuwanie farby. W okresie użytkowania samolot może być przemalowywany 4-5 razy, a usunięcie farby z całego samolotu przy użyciu tradycyjnych technik może potrwać tydzień lub dłużej. Z kolei czyszczenie laserowe może skrócić ten czas do 3-4 dni, w zależności od wielkości samolotu, a także sprawia, że części są bardziej dostępne dla pracowników. Co więcej, w przypadku zastosowania do usuwania farby, a nie chemicznego usuwania lub piaskowania, czyszczenie laserowe zapewnia znaczne oszczędności kosztów – tysiące funtów na samolot, ponieważ odpady niebezpieczne są zmniejszone o około 90 procent lub więcej, a wymagania dotyczące obsługi materiałów są zmniejszone.
Laserowe śrutowanie/laserowe śrutowanie udarowe
Naprężenia w elementach metalowych mogą prowadzić do zmęczenia materiału w elementach samolotu, takich jak łopatki wentylatora w silnikach odrzutowych, co może spowodować uszkodzenie lub obrażenia ciała. Można to złagodzić za pomocą techniki znanej jako śrutowanie laserowe.
W tym procesie impulsy światła laserowego są kierowane do obszaru o wysokim stężeniu naprężeń, a każdy impuls zapala niewielką eksplozję plazmy między powierzchnią elementu a warstwą wody rozpylanej na wierzchu. Warstwa wody ogranicza eksplozję, co powoduje, że fala uderzeniowa penetruje element i generuje ściskające naprężenia szczątkowe w miarę rozszerzania się obszaru propagacji. Naprężenia te przeciwdziałają pękaniu i innym formom zmęczenia metalu. W porównaniu z tradycyjnymi procesami wzmacnianie laserowe może wydłużyć żywotność części metalowych 10-15 razy.
Laserowe śrutowanie jest coraz częściej stosowane w przemyśle lotniczym. Na przykład LSP Technologies i Airbus wspólnie opracowały przenośny system laserowego przebijania, który został niedawno przetestowany i oceniony w zakładzie konserwacji i napraw Airbusa w Tuluzie we Francji.
System laserowego przebijania Leopard przedłuży żywotność zmęczeniową, hamując inicjację i propagację pęknięć spowodowanych cyklicznymi drganiami. Elastyczność dostarczania wiązki światłowodowej i niestandardowe narzędzia pozwalają systemowi oświetlać laserowo obszary, do których samoloty mają trudności. Zdaniem partnerów system stanowi przełom w technologii wzmacniania laserowego, który przyspieszy jego wykorzystanie, w tym wydłuży żywotność łopat silników odrzutowych i nie tylko.
Centrum Gotowości Floty Wschodniej Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych (FRCE) również niedawno zakończyło walidację procesu laserowego uderzenia młotkiem, który z powodzeniem zastosowano w samolocie F-35B Lightning II. FRCE wykorzystała ten proces do wzmocnienia ramy F-35B Lightning II bez dodawania jakichkolwiek dodatkowych materiałów lub ciężaru, które w przeciwnym razie ograniczałyby możliwości przenoszenia paliwa lub broni. Pomaga to wydłużyć żywotność myśliwców piątej generacji, wariantów krótkiego startu i lądowania używanych przez Korpus Piechoty Morskiej Stanów Zjednoczonych.
Lwiercenie aserem
Nowoczesne silniki lotnicze mają około 500,{1}} otworów, czyli około 100 razy więcej niż silniki zbudowane w latach 80. Jednocześnie producenci samolotów produkują coraz więcej innych komponentów, które mają dużą liczbę wywierconych otworów do nitowania i wkręcania. Dlatego w dziedzinie lotnictwa i kosmonautyki wiercenie laserowe ma ogromny potencjał rynkowy, ponieważ zapewnia precyzyjny, powtarzalny, szybki i ekonomiczny proces.
Na przykład opracowywane są nowe systemy laserów femtosekundowych dużej mocy do wydajnego i precyzyjnego mikrowiercenia dużych tytanowych paneli HLFC (Hybrid Laminar Flow Control), które mają być montowane na stabilizatorach skrzydeł lub usterzenia ogonowego. Panele te zasysają powietrze przez małe otwory, co zmniejsza opór tarcia i zmniejsza zużycie paliwa.
Ponieważ wiercenie laserowe jest bezkontaktowe, obrabiany materiał nie musi być mocowany w taki sam sposób, jak w przypadku konwencjonalnych narzędzi. Kolejną zaletą bezkontaktowości jest brak zużycia narzędzia, co stanowi szczególną zaletę w operacjach wiercenia elementów CFRP. Ze względu na swoją twardość komponenty CFRP mogą być bardzo ścierne w stosunku do konwencjonalnych narzędzi. Wiercenie laserowe można również wykonywać z bardzo dużymi prędkościami, dzięki czemu nadmierne uszkodzenia od ciepła nie szkodzą obrabianemu materiałowi.
Aprodukcja ddywna
Laserowe wytwarzanie addytywne (AM) również szybko rozwinęło się w przemyśle lotniczym. W tej technice lasery topią kolejne warstwy proszku, tworząc kształty. Firma rakietowa z siedzibą w Kalifornii zamówiła ostatnio nawet dwie 12-drukarki 3D z wiązką laserową, aby uczynić swoje misje kosmiczne bardziej ekonomicznymi i wydajnymi dzięki tworzeniu lżejszych, szybszych i mocniejszych komponentów kosmicznych.
Podczas gdy wiele projektów jest wciąż w fazie testów, laserowe wytwarzanie przyrostowe zostało już z powodzeniem zastosowane w dwóch misjach na Marsa. Należący do NASA łazik Curiosity, który wylądował w sierpniu 2012 r., był pierwszą misją, w ramach której części wydrukowane w 3D trafiły na Marsa. Jest to element ceramiczny wewnątrz instrumentu Sample Analysis at Mars (SAM), będący częścią trwającego programu testowego mającego na celu zbadanie niezawodności technik wytwarzania addytywnego.
Tymczasem łazik Perseverance NASA, który wylądował na Marsie w lutym 2021 r., zawiera 11 metalowych części, które zostały wyprodukowane addytywnie za pomocą laserów. Pięć z tych składników znajduje się w Perseverance Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL), który szuka śladów kopalnego życia drobnoustrojów na Marsie. Części te muszą być tak lekkie, aby tradycyjne techniki, takie jak kucie, formowanie i cięcie, nie mogły ich wyprodukować.
NASA eksperymentuje również z laserową produkcją addytywną komponentów rakietowych. W jednym z badań komora spalania silnika rakietowego została wykonana ze stopu miedzi. Ciągły rozwój tego laserowego wytwarzania addytywnego zaowocował produkcją części za mniej więcej połowę kosztów i jedną szóstą czasu potrzebnego na tradycyjną obróbkę, łączenie i montaż. Ponieważ zastosowany stop miedzi silnie odbija lasery podczerwone, NASA bada obecnie, w jaki sposób zielone lub niebieskie lasery mogą poprawić wydajność i produktywność.
Chociaż wykorzystanie wytwarzania przyrostowego w przemyśle lotniczym jest wciąż na wczesnym etapie, oczekuje się, że będzie rosnąć w ciągu najbliższych 20 lat.
Teksturowanie laserowe
Teksturowanie laserowe jest również bardzo nowym zastosowaniem w przemyśle lotniczym. W tym procesie ultraszybkie lasery są wykorzystywane do tworzenia mikro-nanostruktur na powierzchni samolotu za pomocą techniki zwanej bezpośrednim wzornictwem interferencji laserowej (DLIP), która jest wykorzystywana do tworzenia naturalnego „efektu lotosu”, który tworzy nanostruktury, które pomagają zapobiegać zanieczyszczenia i zapobiegają gromadzeniu się lodu na samolotach.
Innowacyjna optyka rozdziela potężny ultraszybki impuls laserowy na kilka częściowych wiązek, które są następnie łączone na obrabianej powierzchni. Otrzymana mikrostruktura, oglądana pod mikroskopem, przypomina mikroskopijne „hale” wykonane z „filarów” lub pofałdowań. Odległość między „słupkami” wynosi około 150 nm do 30 μm – taka struktura sprawia, że kropelki wody nie mogą już zwilżać powierzchni i przyklejać się do niej, ponieważ nie mają wystarczającej przyczepności do powierzchni.
Korzyści płynące z materiału na samoloty obejmują zwiększoną odporność na wodę, lód i owady. Mogą one przyklejać się do powierzchni samolotu i zwiększać opór powietrza w samolocie, zwiększając w ten sposób zużycie paliwa. Zastosowanie teksturowania laserowego zmniejszyłoby potrzebę stosowania toksycznych środków chemicznych stosowanych obecnie na powierzchniach samolotów w celu uniknięcia oblodzenia. Wiadomo, że z czasem się starzeje i staje się podatny na uszkodzenia. Co więcej, struktury laserowe wytwarzane metodą DLIP mogą służyć latami bez powodowania problemów środowiskowych.
