V posledných rokoch svet letectva – vrátane komerčných a vojenských lietadiel, satelitov, kozmických lodí, dronov a bezpilotných vzdušných prostriedkov (UAV) – prešiel niekoľkými dramatickými zmenami. Do vesmírnych pretekov sa zapája čoraz viac spoločností, z ktorých mnohé vyžadujú inovatívne výrobné technológie.
Naopak, vplyv cestovných obmedzení na komerčné letectvo spôsobený epidémiou novej koruny spôsobil, že miera výroby civilných lietadiel klesla o tretinu.
V roku 2019 bola Európa jedným zo svetových lídrov vo výrobe civilných lietadiel a vrtuľníkov, vrátane rôznych komponentov a leteckých motorov, podporovala približne 400000 pracovných miest a generovala príjmy vo výške 130 miliárd eur. Zatiaľ čo prieskum vesmíru a obrana zostali pandémiou do značnej miery nedotknuté, výroba civilných lietadiel sa stále zotavuje.
V „Uncertainty in Commercial Aerospace“ (Uncertainty in Commercial Aerospace), publikovanom vo februári 2023, McKinsey, známa konzultačná a výskumná spoločnosť, uviedla, že svet potrebuje stráviť konštrukciu 9 400 osobných lietadiel (hlavne úzkotrupých prúdových lietadiel). ) do konca roku 2027. lietadiel) nevybavených. Existuje však neistota týkajúca sa budúceho rastu osobnej leteckej dopravy, zdravia dodávateľských reťazcov a pracovnej sily. V dôsledku toho musia výrobcovia zvýšiť efektivitu a flexibilitu výroby, aby zvládli nevybavené položky a reagovali na budúce zmeny v dopyte.
Schopnosť laserového spracovania zvýšiť produktivitu a udržať nízke náklady môže hrať kľúčovú úlohu pri umožnení tejto reakcie leteckého priemyslu. Laserové spracovanie - operácie vo forme rezania, zvárania, dierovania a vŕtania - sa stalo neoddeliteľnou súčasťou leteckej výroby.
Z laserov sa vyrábajú napríklad klapky krídel lietadiel, upevňovacie prvky krídel, časti prúdových motorov, časti sedadiel a tiež sa používajú na opravu turbín, čistenie alebo odstraňovanie náterov z dielov a prípravu dielov na ďalšie spracovanie. povrch časti. V posledných rokoch narástla popularita laserovej aditívnej výroby (AM) aj v kozmických letoch. Okrem toho trh dúfa v zlepšenie sledovateľnosti leteckých komponentov a zvyšujú sa aj požiadavky na laserové značenie.
Laserové rezanie a zváranie
Rezanie laserom je rýchly, nákladovo efektívny a presný proces používaný na splnenie náročných výrobných požiadaviek leteckého a kozmického priemyslu.
V porovnaní s tradičným spracovaním má laserové rezanie vysokú presnosť, menší odpad materiálu, rýchlu rýchlosť spracovania, nízke náklady a menšiu údržbu zariadenia. Okrem toho maximalizuje produktivitu, pretože všetky potrebné zmeny v obrábaní robí rýchlo a jednoducho.
Lasery je možné použiť na výrobu dielov na upevňovanie krídel, dielov prípravkov, dielov koncových efektorov, dielov nástrojov a ďalších. Je rovnako vhodný pre malé komponenty, ako sú vrúbľované olejové tesnenia a titánové odvzdušňovacie potrubia, ako aj väčšie komponenty, ako sú výfukové kužeľe. Môže obrábať širokú škálu leteckých materiálov vrátane hliníka, Hastelloy (nikel, ktorý bol legovaný prvkami ako molybdén a chróm), Inconel, Nitinol, Nitinol, nehrdzavejúca oceľ, tantal a titán.
Laserové zváranie sa používa aj v leteckom priemysle ako alternatíva k tradičným metódam spájania, ako je lepenie a mechanické upevňovanie. Napríklad použitie laserového zvárania ľahkých hliníkových zliatin a polymérov vystužených uhlíkovými vláknami (CFRP) v konštrukcii lietadiel sa dostáva do popredia a všade, kde je to možné, sa používa ako náhrada za nitovanie. Techniky, ako je zváranie laserovým tkaním, boli úspešné aj pri spájaní palivových nádrží, čím sa zlepšila účinnosť a pevnosť spoja, znížilo sa množstvo prerábok a ušetrilo sa veľa peňazí. Medzi ďalšie úspechy zvárania v leteckom a kozmickom priemysle patrí spojenie liateho jadra lopatky turbíny s krycou doskou; a vytvorenie nového typu ľahkej vztlakovej klapky, ktorá zvyšuje reguláciu laminárneho prúdenia, minimalizuje odpor vzduchu a optimalizuje spotrebu paliva.
Laserové zváranie má potenciál ušetriť náklady, znížiť hmotnosť komponentov a zlepšiť kvalitu zvaru v porovnaní s tradičnými metódami a niekoľko výrobcov v súčasnosti zvažuje laserové zváranie na výrobu častí drakov lietadiel.
Laser čistenie
Výrobcovia v leteckom a kozmickom sektore používajú laserové čistenie na odstraňovanie vrstiev kovových a kompozitných povrchov pri príprave na obrábanie, na odstraňovanie náterov alebo korózie a na odstraňovanie náterov z veľkých komponentov alebo celých lietadiel pred prelakovaním.
Počas procesu čistenia je laser absorbovaný a odparovaný kovovým povrchom, čím sa dosiahne ablácia povrchového materiálu, pričom má malý vplyv na materiál vnútornej vrstvy a nespôsobí náhodné tepelné poškodenie komponentov. Impulzné vláknové lasery v kilowattovej triede sú obzvlášť vhodné na rýchle čistenie laserom – umožňujú efektívne, vysoko presné čistenie širokej škály materiálov vrátane keramiky, kompozitov, kovov a plastov.
V posledných rokoch sa zvýšilo používanie kompozitných materiálov v lietadlách a tým aj potreba spájania kovov do kompozitných materiálov. V leteckom priemysle sa na spojenie týchto dvoch odlišných materiálov môžu použiť lepidlá. Na vytvorenie pevného spojenia musia byť oba povrchy pred nanesením lepidla starostlivo pripravené.
Laserové čistenie je ideálne, pretože vytvára veľmi prísne kontrolovanú, reprodukovateľnú povrchovú úpravu, ktorá umožňuje konzistentné a predvídateľné spojenie. Tradične by sa to uskutočňovalo pomocou techník deštruktívneho otryskávania alebo použitím niekoľkých chemikálií. Laserové čistenie však teraz ponúka jednostupňovú metódu, ktorá je nielen nákladovo efektívnejšia a produktívnejšia, ale má aj nižší dopad na životné prostredie, keďže nie sú potrebné žiadne toxické chemikálie ani tryskacie materiály. Laserové čistenie je tiež oveľa šetrnejšie k dielom ako tradičné metódy.
Laserové čistenie kovových a kompozitných častí lietadielje tiež výhodnejšia ako chemické odstraňovanie alebo otryskanie, pokiaľ ide o odstraňovanie náterov. Počas svojej životnosti môže byť lietadlo prelakované 4-5-krát a odstránenie náteru z celého lietadla pomocou tradičných techník môže trvať týždeň alebo viac. Na rozdiel od toho laserové čistenie môže tento čas skrátiť na 3-4 dní v závislosti od veľkosti lietadla a tiež robí diely pre pracovníkov dostupnejšie. Okrem toho, ak sa laserové čistenie používa na odstraňovanie náterov namiesto chemického odstraňovania alebo otryskávania, ponúka značné úspory nákladov – tisíce libier na lietadlo, pretože nebezpečný odpad sa zníži o približne 90 percent alebo viac a znížia sa požiadavky na manipuláciu s materiálom.
Laserové peening/laserové šokové peening
Napätia v kovových komponentoch môžu viesť k zlyhaniu kovovej únavy v komponentoch lietadla, ako sú lopatky ventilátora v prúdových motoroch, čo môže spôsobiť poškodenie alebo zranenie. To možno zmierniť technikou známou ako laserové peening.
V tomto procese sú pulzy laserového svetla nasmerované do oblasti s vysokou koncentráciou stresu a každý pulz zapáli malú explóziu plazmy medzi povrchom komponentu a vrstvou vody rozprášenej na vrch. Vrstva vody obmedzuje výbuch, ktorý spôsobí, že rázová vlna prenikne komponentom a vytvorí zvyškové tlakové napätia, keď sa oblasť šírenia zväčší. Tieto napätia pôsobia proti praskaniu a iným formám únavy kovu. V porovnaní s tradičnými procesmi môže spevnenie laserom predĺžiť životnosť kovových častí 10-15-krát.
Laserové peening sa čoraz viac používa v leteckom priemysle. Napríklad LSP Technologies a Airbus spoločne vyvinuli prenosný laserový peening systém, ktorý bol nedávno testovaný a hodnotený v závode Airbus na údržbu a opravy v Toulouse vo Francúzsku.
Laserový peening systém Leopard predĺži únavovú životnosť tým, že bráni iniciácii a šíreniu trhlín spôsobených cyklickým vibračným namáhaním. Flexibilita dodávania lúčov z optických vlákien a vlastné nástroje umožňujú systému laserom osvetľovať oblasti, ktoré sú pre lietadlá ťažko dostupné. Podľa partnerov je systém prelomom v technológii laserového posilňovania, ktorý posunie jeho použitie dopredu, vrátane predĺženia životnosti lopatiek prúdových motorov a ďalších.
Stredisko pripravenosti flotily amerického námorníctva East (FRCE) nedávno dokončilo overenie procesu laserového šokového peeningu, ktorý bol úspešne použitý na lietadle F-35B Lightning II. FRCE použila tento proces na spevnenie rámu F-35B Lightning II bez pridania akéhokoľvek ďalšieho materiálu alebo hmotnosti, ktoré by inak obmedzovali jeho palivové alebo zbrane. To pomáha predĺžiť životnosť stíhačiek piatej generácie, variantov s krátkym vzletom a pristátím, ktoré používa americká námorná pechota.
Laserové vŕtanie
Moderné letecké motory majú asi 500{1}} otvorov, čo je asi 100-krát viac ako motory vyrobené v 80. rokoch. Výrobcovia lietadiel zároveň vyrábajú čoraz viac iných komponentov, ktoré sa vyznačujú veľkým počtom vyvŕtaných otvorov na nitovanie a skrutkovanie. Preto má laserové vŕtanie v oblasti letectva a kozmonautiky obrovský trhový potenciál, pretože poskytuje presný, opakovateľný, rýchly a cenovo výhodný proces.
Vyvíjajú sa napríklad nové vysokovýkonné femtosekundové laserové systémy na efektívne a presné mikrovŕtanie veľkých titánových HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) panelov, ktoré sa majú namontovať na stabilizátory krídel alebo ocasných plôch. Tieto panely nasávajú vzduch cez malé otvory, čo znižuje trecí odpor a znižuje spotrebu paliva.
Keďže laserové vŕtanie je bezkontaktné, obrábaný materiál nie je potrebné fixovať rovnakým spôsobom ako pri bežných nástrojoch. Ďalšou výhodou bezkontaktnosti je absencia opotrebovania nástroja, čo predstavuje mimoriadnu výhodu pri vŕtaní komponentov CFRP. Vďaka svojej tvrdosti môžu byť komponenty CFRP pre bežné nástroje veľmi abrazívne. Laserové vŕtanie je možné vykonávať aj pri veľmi vysokých rýchlostiach, aby nadmerné poškodenie teplom nepoškodilo spracovávaný materiál.
Additívna výroba
Laserová aditívna výroba (AM) sa rýchlo rozvinula aj v leteckom priemysle. Pri tejto technike lasery roztavia po sebe nasledujúce vrstvy prášku, aby vytvorili tvary. Kalifornská raketová spoločnosť si nedávno dokonca objednala dve 12-laserové 3D tlačiarne, aby boli jej vesmírne misie ekonomickejšie a efektívnejšie tým, že vytvárajú ľahšie, rýchlejšie a pevnejšie vesmírne komponenty.
Zatiaľ čo mnohé projekty sú stále vo fáze testovania, laserová aditívna výroba už bola úspešne použitá na dvoch misiách na Mars. Rover Curiosity NASA, ktorý pristál v auguste 2012, bol prvou misiou, ktorá priniesla 3D vytlačené časti na Mars. Ide o keramický komponent v nástroji Sample Analysis at Mars (SAM), ktorý je súčasťou prebiehajúceho testovacieho programu na skúmanie spoľahlivosti techník výroby aditív.
Medzitým rover NASA Perseverance, ktorý pristál na Marse vo februári 2021, obsahuje 11 kovových častí, ktoré boli aditívne vyrobené pomocou laserov. Päť z týchto komponentov sa nachádza v Perseverance's Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL), ktorý hľadá známky fosílneho mikrobiálneho života na Marse. Tieto časti musia byť také ľahké, aby ich tradičné techniky ako kovanie, lisovanie a rezanie nedokázali vyrobiť.
NASA tiež experimentuje s laserovou aditívnou výrobou komponentov rakiet. V jednej štúdii bola spaľovacia komora raketového motora vyrobená zo zliatiny medi. Pokračujúci vývoj tejto laserovej aditívnej výroby viedol k tomu, že súčiastka bola vyrobená za zhruba polovičné náklady a za jednu šestinu času potrebného na tradičné obrábanie, spájanie a montáž. Keďže použitá zliatina medi je vysoko reflexná pre infračervené lasery, NASA teraz skúma, ako môžu zelené alebo modré lasery zlepšiť efektivitu a produktivitu.
Zatiaľ čo používanie aditívnej výroby v leteckom a kozmickom priemysle je stále v počiatočnom štádiu, očakáva sa, že v priebehu nasledujúcich 20 rokov porastie.
Laserové textúrovanie
Laserové textúrovanie je tiež veľmi novou aplikáciou v leteckom priemysle. V tomto procese sa ultrarýchle lasery používajú na vytváranie mikronanoštruktúr na povrchu lietadla prostredníctvom techniky nazývanej priame laserové interferenčné vzorovanie (DLIP), ktoré sa používa na vytvorenie prirodzeného „lotosového efektu“, ktorý vytvára nanoštruktúry, ktoré pomáhajú predchádzať povrchovým kontaminácii a zabrániť tvorbe ľadu na lietadlách.
Inovatívna optika rozdeľuje výkonný ultrarýchly laserový impulz na niekoľko čiastkových lúčov, ktoré sa potom kombinujú na povrchu, ktorý sa má spracovať. Pri pohľade pod mikroskopom výsledná mikroštruktúra pripomína mikroskopické „haly“ vyrobené z „stĺpov“ alebo zvlnenia. Vzdialenosť medzi „stĺpmi“ je približne 150nm až 30μm – táto štruktúra znamená, že kvapôčky vody už nedokážu zmáčať povrch a držať sa na ňom, pretože nemajú dostatočnú priľnavosť k povrchu.
Výhody materiálu pre lietadlá zahŕňajú zvýšenú odolnosť voči vode, ľadu a hmyzu. Tie sa môžu prilepiť na povrch lietadla a zvýšiť odolnosť lietadla proti vetru, čím sa zvýši spotreba paliva. Aplikácia tejto laserovej textúry by znížila potrebu toxických chemických úprav, ktoré sa v súčasnosti používajú na povrchy lietadiel, aby sa zabránilo námraze. Je známe, že časom starne a je náchylný na poškodenie. Navyše laserové štruktúry vyrobené metódou DLIP môžu vydržať roky bez toho, aby spôsobovali environmentálne problémy.
