Sektor lotniczy – obejmujący statki komercyjne i satelitarne, statki kosmiczne, drony i bezzałogowe statki powietrzne (UAV) – przeszedł w ostatnich latach pewne radykalne zmiany. Do wyścigu kosmicznego przyłącza się coraz więcej firm, a wiele z nich potrzebuje innowacyjnych technik produkcyjnych.
Zdolność obróbki laserowej do zwiększania produktywności i utrzymywania niskich kosztów może odegrać kluczową rolę w realizacji tej reakcji przemysłu lotniczego. Obróbka laserowa, która realizuje operacje w postaci cięcia, spawania, piaskowania i wiercenia, stała się integralną częścią produkcji lotniczej.
Lasery wykorzystuje się na przykład do produkcji klap, elementów mocujących skrzydła, elementów silników odrzutowych i części siedzeń skrzydeł samolotów, a także do naprawy turbin, czyszczenia lub usuwania farby z części oraz przygotowania powierzchni podzespołów do dalszej obróbki. W ostatnich latach laserowa produkcja przyrostowa (AM) zyskała popularność również w sektorze lotów kosmicznych. Ponadto rynek poszukuje możliwości poprawy identyfikowalności komponentów lotniczych, w związku z czym rośnie zapotrzebowanie na znakowanie laserowe.
Cięcie i spawanie laserowe
Cięcie laserowe to szybki, ekonomiczny i precyzyjny proces, który można zastosować, aby spełnić wysokie wymagania produkcyjne sektora lotniczego.
W porównaniu z obróbką konwencjonalną, cięcie laserowe zapewnia wysoką precyzję, mniej odpadów materiałowych, większą prędkość przetwarzania, niższe koszty i mniejszą konserwację sprzętu. Ponadto maksymalizuje produktywność, ponieważ można szybko i łatwo wprowadzić niezbędne zmiany w obróbce.
Lasera można używać do produkcji elementów mocujących skrzydła, elementów osprzętu, części efektorów końcowych, części narzędzi i nie tylko. Nadaje się równie dobrze do mniejszych części, takich jak szczepione uszczelki olejowe i tytanowe kolektory rurek pilotowych, jak i do większych części, takich jak stożki wydechowe. Może przetwarzać szeroką gamę materiałów lotniczych, w tym aluminium, Hastelloy (nikiel stopowy z takimi pierwiastkami, jak molibden i chrom), Inconel, Nitinol, Nitinol, stal nierdzewną, tantal i tytan.
Spawanie laserowe jest również stosowane w przemyśle lotniczym jako alternatywa dla tradycyjnych metod łączenia, takich jak klejenie i mocowanie mechaniczne. Na przykład spawanie laserowe lekkich stopów aluminium i polimerów wzmocnionych włóknem węglowym (CFRP) w produkcji samolotów to materiały zyskujące na znaczeniu i tam, gdzie to możliwe, są stosowane w celu zastąpienia nitowania. Techniki takie jak laserowe spawanie wahadłowe również okazały się skuteczne w łączeniu zbiorników paliwa, poprawiając wydajność i wytrzymałość połączeń, ograniczając liczbę poprawek i zapewniając znaczne oszczędności. Inne sukcesy spawania w przemyśle lotniczym obejmują mocowanie odlewanych rdzeni łopatek turbin do pokryw; oraz tworzenie nowych typów lekkich klap skrzydłowych, które zwiększają kontrolę przepływu laminarnego, minimalizują opór i optymalizują zużycie paliwa.
Mając na uwadze potencjał oszczędności kosztów, redukcję masy części i lepszą jakość spoin w porównaniu z metodami tradycyjnymi, kilku producentów obecnych na rynku zaczyna nawet rozważać spawanie laserowe części płatowca.
Czyszczenie laserowe
Producenci z sektora lotniczego stosują czyszczenie laserowe do usuwania warstw z powierzchni metalowych i kompozytowych w ramach przygotowań do obróbki, usuwania powłok lub korozji oraz usuwania farby z dużych części lub całych samolotów przed ponownym malowaniem.
Podczas procesu czyszczenia światło lasera jest pochłaniane i odparowywane przez powierzchniowe warstwy metalu, co powoduje ablację materiału powierzchniowego z niewielkim lub żadnym wpływem na warstwy wewnętrzne i bez dodatkowego uszkodzenia termicznego elementu. Do szybkiego czyszczenia laserowego szczególnie dobrze nadają się impulsowe lasery światłowodowe w klasie kilowatowej – umożliwiają wydajne, bardzo precyzyjne czyszczenie szerokiej gamy materiałów, w tym ceramiki, kompozytów, metali i tworzyw sztucznych.
W ostatnich latach wzrosło zastosowanie kompozytów w samolotach, co pociągnęło za sobą potrzebę dołączania metali do kompozytów. W produkcji lotniczej do połączenia tych dwóch różnych materiałów można zastosować kleje, a aby wytworzyć mocne połączenie, obie powierzchnie muszą zostać starannie przygotowane do obróbki przed nałożeniem kleju.
Czyszczenie laserowe jest idealną opcją, ponieważ pozwala uzyskać bardzo ściśle kontrolowane, powtarzalne wykończenie powierzchni, które pozwala uzyskać spójne, przewidywalne wiązanie. Tradycyjnie można to osiągnąć poprzez niszczące techniki strzałowe lub zastosowanie kilku środków chemicznych. Jednak czyszczenie laserowe oferuje obecnie podejście jednoetapowe, które jest nie tylko bardziej opłacalne i produktywne, ale także ma mniejszy wpływ na środowisko, ponieważ nie są wymagane żadne toksyczne chemikalia ani materiały wybuchowe. Wpływ czyszczenia laserowego na części jest również znacznie delikatniejszy niż metodami tradycyjnymi.
Jeśli chodzi o usuwanie farby, czyszczenie laserowe metalowych i kompozytowych części samolotów jest również korzystniejsze niż chemiczne usuwanie powłok lub techniki strumieniowo-ścierne. Samolot może być przemalowywany 4-5 razy w okresie jego użytkowania, a usunięcie farby z całego samolotu przy użyciu tradycyjnych technik może zająć tydzień lub dłużej. Natomiast w zależności od wielkości samolotu czyszczenie laserowe może skrócić ten czas do 3-4 dni, a także ułatwia pracownikom dostęp do części. Ponadto, jeśli czyszczenie laserowe jest stosowane do usuwania farby, a nie do usuwania chemicznego lub strumieniowo-ściernego, może skutkować znacznymi oszczędnościami – tysiące funtów na samolot – ze względu na zmniejszenie ilości odpadów niebezpiecznych o około 90% lub więcej oraz zmniejszone wymagania dotyczące transportu materiałów.
Śrutowanie laserowe/Śrutowanie laserowe udarowe
Naprężenia w elementach metalowych mogą prowadzić do uszkodzeń zmęczeniowych metalu w elementach samolotów (takich jak łopatki wentylatorów w silnikach odrzutowych), co może spowodować uszkodzenie lub obrażenia. Można to złagodzić za pomocą techniki zwanej śrutowaniem laserowym.
W tym procesie impulsy laserowe są kierowane w obszar o dużej koncentracji naprężeń, a każdy impuls powoduje niewielką eksplozję plazmy pomiędzy powierzchnią elementu a warstwą wody natryskiwaną na wierzch. Warstwa wody ogranicza eksplozję, co powoduje, że fala uderzeniowa przenika do elementu i powoduje powstawanie naprężeń ściskających w miarę rozszerzania się obszaru propagacji. Naprężenia te zwiększają prawdopodobieństwo pękania i innych form odporności zmęczeniowej metali. Śrutowanie laserowe może wydłużyć żywotność części metalowych o współczynnik 10-15 w porównaniu z procesami konwencjonalnymi.
W przemyśle lotniczym coraz częściej stosuje się obróbkę strumieniowo-ścierną laserem. Na przykład firmy LSP Technologies i Airbus wspólnie opracowały przenośny system śrutowania laserowego, który został niedawno przetestowany i oceniony w zakładzie konserwacji i napraw firmy Airbus w Tuluzie we Francji.
System śrutowania laserowego Leopard wydłuży trwałość zmęczeniową poprzez hamowanie powstawania i rozszerzania się pęknięć spowodowanych cyklicznymi naprężeniami wibracyjnymi. Elastyczność dostarczania wiązki światłowodowej i dostosowane do indywidualnych potrzeb oprzyrządowanie umożliwiają systemowi oświetlanie obszarów trudno dostępnych dla samolotów. Zdaniem partnerów system stanowi przełom w technologii śrutowania laserowego, który przyspieszy jego zastosowanie, w tym między innymi wydłuży żywotność łopatek silników odrzutowych.
Wiercenie laserowe
Nowoczesne silniki lotnicze mają około 500000 otworów, czyli około 100 razy więcej niż silniki zbudowane w latach 80. XX wieku. Jednocześnie producenci samolotów produkują coraz większą liczbę innych komponentów, które posiadają dużą liczbę otworów wywierconych pod połączenia nitowe i śrubowe. Dlatego w sektorze lotniczym wiercenie laserowe ma ogromny potencjał rynkowy, ponieważ oferuje precyzyjny, powtarzalny, szybki i opłacalny proces.
Na przykład opracowywane są nowe systemy lasera femtosekundowego o dużej mocy do wydajnego i precyzyjnego mikrowiercenia dużych tytanowych paneli HLFC (Hybrid Laminar Flow Control), które zostaną zamontowane na stabilizatorach skrzydeł lub ogonów. Panele te pobierają powietrze przez małe otwory, co zmniejsza opór tarcia i zmniejsza zużycie paliwa.
Ponieważ wiercenie laserowe jest bezdotykowe, obrabiany materiał nie wymaga mocowania w taki sam sposób, jak przy obróbce konwencjonalnymi narzędziami. Kolejną zaletą bezdotykowego działania jest brak zużycia narzędzia, co stanowi szczególną zaletę podczas wiercenia elementów CFRP. Ze względu na swoją twardość elementy CFRP mogą być bardzo ścierne w porównaniu z konwencjonalnymi narzędziami. Wiercenie laserowe można również wykonywać przy bardzo dużych prędkościach, dzięki czemu nadmierne uszkodzenia spowodowane ciepłem nie szkodzą obrabianemu materiałowi.
Produkcja dodatkowa
Laserowe wytwarzanie przyrostowe (AM) szybko rozwija się również w przemyśle lotniczym. W tej technice laser topi kolejne warstwy proszku, tworząc kształty. Kalifornijska firma zajmująca się rakietami zamówiła niedawno dwie 12-drukarki 3D wykorzystujące wiązkę lasera, aby zwiększyć opłacalność i wydajność swoich misji kosmicznych poprzez tworzenie lżejszych, szybszych i mocniejszych komponentów kosmicznych.
Chociaż wiele z tych projektów znajduje się wciąż w fazie testów, laserowe wytwarzanie przyrostowe zostało już z powodzeniem zastosowane podczas dwóch misji na Marsa. Łazik Curiosity, który wylądował w sierpniu 2012 r., był pierwszą misją na Marsa, podczas której przewieziono części wydrukowane w 3D. Jest to element ceramiczny instrumentu Sample Analysis for Mars (SAM) stanowiący część trwającego programu testowego mającego na celu zbadanie niezawodności technologii wytwarzania przyrostowego.
Bimetaliczna komora spalania zbudowana przez NASA z uszczelkami GRCop-42 L-PBF i osłoną NASA HR-1 LP-DED
Tymczasem łazik NASA Perseverance, który wylądował na Marsie w lutym 2021 r., zawiera 11 metalowych części wykonanych w procesie wytwarzania przyrostowego laserem. Pięć z tych części znajduje się w należącym do Perseverance Planetary Instrument for X-ray Petrochemistry (PIXL), który poszukuje śladów skamieniałego życia drobnoustrojów na Marsie. Części te muszą być na tyle lekkie, aby nie można ich było wyprodukować przy użyciu tradycyjnych technik kucia, formowania i cięcia.
NASA eksperymentowała także z wykorzystaniem laserowego wytwarzania przyrostowego w elementach rakiet. W jednym z badań komora spalania silnika rakietowego została wykonana ze stopu miedzi. Ciągły rozwój laserowego wytwarzania przyrostowego zaowocował komponentem, który można wyprodukować mniej więcej o połowę taniej i w czasie o jedną szóstą krótszym niż w przypadku konwencjonalnej obróbki, łączenia i montażu. Ponieważ użyte stopy miedzi silnie odbijają lasery podczerwone, NASA bada obecnie, w jaki sposób lasery zielone i niebieskie mogą poprawić wydajność i produktywność.
Chociaż zastosowania wytwarzania przyrostowego w lotnictwie i kosmonautyce są obecnie w początkowej fazie, oczekuje się, że będą one rozwijać się w ciągu najbliższych 20 lat.
Gromadzenie laserowe
Grotowanie laserowe to także bardzo nowe zastosowanie w przemyśle lotniczym. W procesie tym ultraszybkie lasery są wykorzystywane do tworzenia mikro- i nanostruktur na powierzchniach samolotów za pomocą techniki zwanej bezpośrednim wzorowaniem interferencji lasera (DLIP), która służy do tworzenia naturalnego „efektu lotosu”, który tworzy nanostruktury, które pomagają zapobiegać zanieczyszczeniu powierzchni a także oblodzenie samolotu.
Innowacyjna optyka rozdziela potężny, ultraszybki impuls laserowy na kilka częściowych wiązek, które następnie są łączone na obrabianej powierzchni. Oglądane pod mikroskopem powstałe mikrostruktury przypominają mikroskopijne „hale” złożone z „filarów” lub zmarszczek. Odległość pomiędzy „filarami” wynosi od około 150 nm do 30 µm – taka struktura sprawia, że kropelki wody nie zwilżają już powierzchni i nie przylegają do niej, bo nie mają wystarczającej przyczepności do powierzchni.
Zalety tego materiału dla samolotów obejmują zwiększone odpychanie wody, lodu i owadów. Mogą one przyklejać się do powierzchni samolotu i zwiększać opór powietrza samolotu, zwiększając w ten sposób zużycie paliwa. Zastosowanie tej tekstury laserowej zmniejszyłoby potrzebę stosowania toksycznych zabiegów chemicznych stosowanych obecnie na powierzchniach samolotów w celu uniknięcia oblodzenia. Wiadomo, że z czasem się starzeje i jest podatny na uszkodzenia. Co więcej, struktury laserowe wytwarzane metodą DLIP mogą służyć latami i nie powodują problemów środowiskowych.
Kontrola laserowa i regulacja naprężeń
Oprócz powyższych funkcji, połączenie lasera i ultradźwięków może być stosowane do kontroli i regulacji naprężeń w złożonych metalowych elementach konstrukcyjnych. Zastosowanie wysokoenergetycznego impulsowego działania lasera na powierzchnię badanego obiektu powoduje lokalne zmiany temperatury na powierzchni, co powoduje, że obiekt jest badany w powierzchniowej warstwie rozszerzalności cieplnej, wzbudzenie ultradźwięków, ultradźwięki będą przenoszone powierzchni materiału i wewnętrznych informacji użytecznych, sygnałów ultradźwiękowych do odbioru przez detektor, przetwarzania danych i analizy badanego obiektu w celu ustalenia obecności lub braku wad.
Ponadto, ponieważ ultradźwięki laserowe mają wysoką rozdzielczość czasową i przestrzenną, mogą generować bogaty przebieg, szerokie pasmo ultradźwięków itp., Po przełączeniu i dostosowaniu parametrów wzbudzenia lasera ultradźwięki laserowe mogą znajdować się w częściach dowolnej wyznaczonej części w celu usunięcia wszystkich naprężeń rozciągających, w przypadku nie zniszczenia integralności powierzchni, bez ogrzewania, utworzenie się warstwy wzmocnionej naprężeniami ściskającymi o określonej grubości. Możliwe jest również dostosowanie wartości naprężenia do zakresu wymagań projektowych, co może znacznie zoptymalizować odporność zmęczeniową i pękanie lokalnego położenia.
