Posljednjih godina, svijet zrakoplovstva – uključujući komercijalne i vojne zrakoplove, satelite, svemirske letjelice, dronove i bespilotne letjelice (UAV) – doživio je dramatične promjene. Sve više i više tvrtki uključuje se u svemirsku utrku, od kojih mnoge zahtijevaju inovativne proizvodne tehnologije.
Nasuprot tome, utjecaj restrikcija putovanja na komercijalni zrakoplov uzrokovan novom korona epidemijom uzrokovao je pad proizvodnje civilnih zrakoplova za trećinu.
U 2019. Europa je bila jedan od svjetskih lidera u proizvodnji civilnih zrakoplova i helikoptera, uključujući razne komponente i zrakoplovne motore, podržavajući oko 400000 radnih mjesta i generirajući prihode od 130 milijardi eura. Iako su istraživanje svemira i obrana ostali uglavnom nepromijenjeni zbog pandemije, proizvodnja civilnih zrakoplova još uvijek se oporavlja.
U "Neizvjesnosti u komercijalnom zrakoplovstvu" (Uncerttainty in Commercial Aerospace), objavljenom u veljači 2023., McKinsey, poznata konzultantska i istraživačka tvrtka, izvijestila je da svijet treba probaviti izgradnju 9400 putničkih zrakoplova (uglavnom uskotrupnih mlaznjaka ) do kraja 2027. zrakoplov) zaostatak. Ali postoji neizvjesnost u pogledu budućeg rasta zračnog putničkog prometa, zdravlja opskrbnih lanaca i radne snage. Kao rezultat toga, proizvođači moraju povećati učinkovitost proizvodnje i fleksibilnost kako bi riješili zaostatke i odgovorili na buduće promjene potražnje.
Sposobnost laserske obrade da poveća produktivnost i održi niske troškove može igrati ključnu ulogu u omogućavanju ovakvog odgovora zrakoplovne industrije. Laserska obrada - operacije u obliku rezanja, zavarivanja, glačanja i bušenja - postale su sastavni dio zrakoplovne proizvodnje.
Na primjer, laseri se koriste za izradu zakrilca za krila zrakoplova, pričvršćivača krila, dijelova mlaznih motora i dijelova sjedala, a također se koriste za popravak turbina, čišćenje ili uklanjanje boje s dijelova i pripremu dijelova za daljnju obradu. površina dijela. Posljednjih godina, laserska aditivna proizvodnja (AM) također je postala popularnija u svemirskim letovima. Osim toga, tržište se nada da će poboljšati sljedivost zrakoplovnih komponenti, a zahtjevi za laserskim označavanjem također rastu.
Lasersko rezanje i zavarivanje
Lasersko rezanje je brz, ekonomičan i precizan proces koji se koristi za ispunjavanje zahtjevnih proizvodnih zahtjeva u zrakoplovnom sektoru.
U usporedbi s tradicionalnom obradom, lasersko rezanje ima visoku preciznost, manje otpada od materijala, veliku brzinu obrade, nisku cijenu i manje održavanja opreme. Osim toga, maksimizira produktivnost jer sve potrebne promjene u obradi čini brzim i lakim.
Laseri se mogu koristiti za proizvodnju dijelova za pričvršćivanje krila, dijelova šablone, dijelova krajnjeg efektora, dijelova alata i više. Jednako je prikladan za male komponente kao što su cijepljene uljne brtve i razvodnici odvodnih kanala od titana, kao i za veće komponente kao što su ispušni konusi. Može obrađivati širok izbor zrakoplovnih materijala, uključujući aluminij, Hastelloy (nikal koji je legiran elementima poput molibdena i kroma), Inconel, Nitinol, Nitinol, nehrđajući čelik, tantal i titan.
Lasersko zavarivanje također se koristi u zrakoplovstvu kao alternativa tradicionalnim metodama spajanja kao što su lijepljenje i mehaničko pričvršćivanje. Na primjer, korištenje laserskog zavarivanja lakih aluminijskih legura i polimera ojačanih ugljičnim vlaknima (CFRP) u konstrukciji zrakoplova postaje sve popularnije i koristi se za zamjenu zakivanja gdje god je to moguće. Tehnike poput laserskog zavarivanja također su bile uspješne u spajanju spremnika za gorivo, poboljšanju učinkovitosti i čvrstoće spojeva, smanjenju naknadnih radova i uštedi mnogo novca. Drugi uspjesi zavarivanja u zrakoplovstvu uključuju spajanje lijevane jezgre turbinske lopatice na pokrovnu ploču; i stvaranje novog tipa laganog zakrilca krila koje povećava kontrolu laminarnog protoka, minimizira otpor i optimizira učinkovitost goriva.
Lasersko zavarivanje ima potencijal za uštedu troškova, smanjenje težine komponenti i poboljšanje kvalitete zavarivanja u usporedbi s tradicionalnim metodama, a nekoliko proizvođača trenutno razmatra lasersko zavarivanje za proizvodnju dijelova okvira zrakoplova.
Laser čišćenje
Proizvođači u zrakoplovnom sektoru koriste lasersko čišćenje za uklanjanje slojeva metala i kompozitnih površina u pripremi za strojnu obradu, za uklanjanje premaza ili korozije te za uklanjanje boje s velikih komponenti ili cijelog zrakoplova prije ponovnog bojanja.
Tijekom procesa čišćenja, metalna površina apsorbira i isparava laser, čime se postiže ablacija površinskog materijala, dok ima mali učinak na materijal unutarnjeg sloja i neće uzrokovati slučajno toplinsko oštećenje komponenti. Pulsirajući vlaknasti laseri u kilovatnoj klasi posebno su pogodni za brzo lasersko čišćenje - omogućuju učinkovito, visoko precizno čišćenje širokog spektra materijala uključujući keramiku, kompozite, metale i plastiku.
Posljednjih godina povećana je uporaba kompozitnih materijala u zrakoplovima, a time i potreba za spajanjem metala s kompozitnim materijalima. U proizvodnji zrakoplova, ljepila se mogu koristiti za spajanje ova dva različita materijala. Kako bi se stvorila jaka veza, dvije površine moraju biti pažljivo pripremljene prije nanošenja ljepila.
Lasersko čišćenje je idealno jer stvara vrlo čvrsto kontroliranu, ponovljivu završnu obradu koja omogućuje dosljedno, predvidljivo lijepljenje. Tradicionalno, to bi se činilo destruktivnim tehnikama miniranja ili primjenom nekoliko kemikalija. Međutim, lasersko čišćenje sada nudi metodu u jednom koraku koja nije samo isplativija i produktivnija, već ima i manji utjecaj na okoliš jer nisu potrebne otrovne kemikalije ili materijali za pjeskarenje. Lasersko čišćenje također je mnogo nježnije za dijelove od tradicionalnih metoda.
Lasersko čišćenje metalnih i kompozitnih dijelova zrakoplovatakođer je korisnija od tehnika kemijskog skidanja ili pjeskarenja kada se radi o skidanju boje. Tijekom svog životnog vijeka, zrakoplov se može ponovno bojati 4-5 puta, a može biti potrebno tjedan dana ili više da se ukloni boja s cijelog zrakoplova tradicionalnim tehnikama. Nasuprot tome, lasersko čišćenje može smanjiti ovo vrijeme na 3-4 dana, ovisno o veličini zrakoplova, a također čini dijelove dostupnijima radnicima. Nadalje, kada se koristi za uklanjanje boje, a ne za kemijsko skidanje ili pjeskarenje, lasersko čišćenje nudi značajne uštede – tisuće funti po zrakoplovu, jer se opasan otpad smanjuje za oko 90 posto ili više, a zahtjevi za rukovanje materijalom su smanjeni.
Lasersko peening/lasershock peening
Naprezanja unutar metalnih komponenti mogu dovesti do kvara uslijed zamora metala u komponentama zrakoplova kao što su lopatice ventilatora u mlaznim motorima, što može uzrokovati štetu ili ozljedu. To se može ublažiti tehnikom poznatom kao laserski peening.
U ovom procesu, impulsi laserskog svjetla usmjeravaju se u područje visoke koncentracije naprezanja, a svaki impuls zapali sićušnu eksploziju plazme između površine komponente i sloja vode raspršenog na vrhu. Sloj vode ograničava eksploziju, što uzrokuje da udarni val prodre u komponentu i generira zaostala tlačna naprezanja kako se njegovo područje širenja širi. Ova naprezanja sprječavaju pucanje i druge oblike zamora metala. U usporedbi s tradicionalnim postupcima, lasersko ojačavanje može produžiti vijek trajanja metalnih dijelova za 10-15 puta.
Lasersko peening se sve više koristi u zrakoplovnoj industriji. Na primjer, LSP Technologies i Airbus zajednički su razvili prijenosni sustav laserskog pilinga koji je nedavno testiran i ocijenjen u Airbusovom postrojenju za održavanje i popravak u Toulouseu, Francuska.
Leopardov sustav za lasersko bušenje produžit će vijek trajanja od zamora inhibiranjem početka i širenja pukotina uzrokovanih cikličkim vibracijskim stresom. Fleksibilnost isporuke svjetlovodnog snopa i prilagođeni alati omogućuju sustavu lasersko osvjetljavanje područja koja su teško dostupna zrakoplovu. Prema partnerima, sustav je otkriće u tehnologiji laserskog ojačavanja koje će unaprijediti njegovu upotrebu, uključujući produljenje vijeka trajanja lopatica mlaznog motora i više.
Središte za spremnost flote američke mornarice Istok (FRCE) također je nedavno dovršilo validaciju procesa laserskog udara koji je uspješno korišten na zrakoplovu F-35B Lightning II. FRCE je koristio postupak za ojačavanje okvira F-35B Lightning II bez dodavanja ikakvog dodatnog materijala ili težine koji bi inače ograničili njegovu sposobnost nošenja goriva ili oružja. To pomaže produžiti životni vijek borbenih zrakoplova pete generacije, varijanti kratkog uzlijetanja i slijetanja koje koristi Korpus marinaca SAD-a.
Laser bušenje
Moderni zrakoplovni motori imaju oko 500000 rupa, oko 100 puta više od motora proizvedenih 1980-ih. Istodobno, proizvođači zrakoplova proizvode sve veći broj drugih komponenti koje imaju veliki broj izbušenih rupa za zakivanje i zavrtanje. Stoga, u području zrakoplovstva, lasersko bušenje ima ogroman tržišni potencijal, jer pruža precizan, ponovljiv, brz i isplativ proces.
Na primjer, razvijaju se novi femtosekundni laserski sustavi velike snage za učinkovito i precizno mikro bušenje velikih titanskih HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) ploča koje se montiraju na stabilizatore krila ili pera. Ovi paneli uvlače zrak kroz male rupe, što smanjuje otpor trenja i smanjuje potrošnju goriva.
Budući da je lasersko bušenje beskontaktno, materijal koji se obrađuje ne treba fiksirati na isti način kao što je to slučaj s konvencionalnim alatima. Još jedna prednost beskontaktnosti je odsustvo trošenja alata, što predstavlja posebnu prednost u operacijama bušenja za CFRP komponente. Zbog svoje tvrdoće, CFRP komponente mogu biti vrlo abrazivne za konvencionalne alate. Lasersko bušenje također se može izvoditi pri vrlo velikim brzinama tako da pretjerano oštećenje od topline ne ošteti materijal koji se obrađuje.
Additivna proizvodnja
Laserska aditivna proizvodnja (AM) također se brzo razvila u zrakoplovnoj industriji. U ovoj tehnici, laseri tope uzastopne slojeve praha za stvaranje oblika. Raketna tvrtka sa sjedištem u Kaliforniji nedavno je čak naručila dva 12-3D pisača s laserskom zrakom kako bi svoje svemirske misije učinila ekonomičnijima i učinkovitijima stvaranjem lakših, bržih i jačih svemirskih komponenti.
Iako su mnogi projekti još uvijek u fazi testiranja, laserska aditivna proizvodnja već je uspješno korištena u dvije misije na Mars. NASA-in rover Curiosity, koji je sletio u kolovozu 2012., bio je prva misija koja je na Mars donijela 3D printane dijelove. Ovo je keramička komponenta unutar instrumenta Analiza uzoraka na Marsu (SAM), dio tekućeg programa testiranja za ispitivanje pouzdanosti aditivnih proizvodnih tehnika.
U međuvremenu, NASA-in rover Perseverance, koji je sletio na Mars u veljači 2021., sadrži 11 metalnih dijelova koji su aditivno proizvedeni laserima. Pet od ovih komponenti nalazi se u Perseveranceovom Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL), koji traži znakove fosilnog mikrobnog života na Marsu. Ti dijelovi moraju biti toliko lagani da ih tradicionalne tehnike poput kovanja, kalupljenja i rezanja ne mogu proizvesti.
NASA je također eksperimentirala s laserskom aditivnom proizvodnjom komponenti rakete. U jednoj studiji, komora za izgaranje raketnog motora izrađena je od legure bakra. Kontinuirani razvoj ove laserske aditivne proizvodnje rezultirao je proizvodnjom dijela uz otprilike upola manju cijenu i jednu šestinu vremena potrebnog za tradicionalnu strojnu obradu, spajanje i sastavljanje. Budući da je korištena legura bakra vrlo reflektirajuća za infracrvene lasere, NASA sada istražuje kako zeleni ili plavi laseri mogu poboljšati učinkovitost i produktivnost.
Dok je upotreba aditivne proizvodnje u zrakoplovstvu još uvijek u ranoj fazi, očekuje se da će rasti tijekom sljedećih 20 godina.
Lasersko teksturiranje
Lasersko teksturiranje također je vrlo nova primjena u zrakoplovnoj industriji. U ovom procesu, ultrabrzi laseri se koriste za stvaranje mikro-nanostruktura na površini zrakoplova kroz tehniku koja se zove izravna laserska interferencija uzorka (DLIP), koja se koristi za stvaranje prirodnog "efekta lotosa", koji stvara nanostrukture koje pomažu spriječiti površinske kontaminaciju i spriječiti nakupljanje leda na zrakoplovu.
Inovativna optika dijeli snažan ultrabrzi laserski puls u nekoliko parcijalnih zraka, koje se zatim kombiniraju na površini koja se obrađuje. Kada se promatra pod mikroskopom, dobivena mikrostruktura nalikuje mikroskopskim "dvoranama" načinjenim od "stupova" ili nabora. Razmak između "stupova" je oko 150 nm do 30 μm - ova struktura znači da kapljice vode više ne mogu smočiti površinu i zalijepiti se za nju jer nemaju dovoljno prianjanja na površinu.
Prednosti materijala za zrakoplove uključuju povećanu otpornost na vodu, led i insekte. Oni se mogu zalijepiti za površinu zrakoplova i povećati otpor vjetra zrakoplova, čime se povećava potrošnja goriva. Primjenom ovog laserskog teksturiranja smanjila bi se potreba za toksičnim kemijskim tretmanima koji se trenutno primjenjuju na površine zrakoplova kako bi se izbjeglo zaleđivanje. Poznato je da s vremenom stari i postaje sklon oštećenjima. Nadalje, laserske strukture proizvedene DLIP metodom mogu trajati godinama bez izazivanja zabrinutosti za okoliš.
