V posledných rokoch prešiel letecký sektor – vrátane komerčných a vojenských lietadiel, satelitov, kozmických lodí, dronov a bezpilotných vzdušných prostriedkov (UAV) – niekoľkými zásadnými zmenami. Rastúci počet spoločností sa zapojil do vesmírnych pretekov, z ktorých mnohé vyžadujú inovatívne výrobné technológie.
Na rozdiel od toho, vplyv cestovných obmedzení spôsobených pandémiou na komerčné letectvo viedol k tretinovému poklesu výroby civilných lietadiel.
V roku 2019 bola Európa jedným z globálnych lídrov vo výrobe civilných lietadiel a vrtuľníkov (vrátane rôznych komponentov a leteckých motorov), pričom poskytovala približne 400{2}} pracovných miest a generovala príjmy vo výške 130 miliárd EUR. Zatiaľ čo prieskum vesmíru a obrana nie sú pandémiou New Crown do značnej miery ovplyvnené, výroba a výroba civilných lietadiel sú stále vo fáze obnovy.
Popredná konzultačná a výskumná firma McKinsey vo svojej publikácii Uncertainty in Commercial Aerospace z februára 2023 uvádza, že svet potrebuje do konca roka 2027 absorbovať nevybavené objednávky na výrobu 9 400 osobných lietadiel (hlavne prúdových lietadiel s úzkym trupom). Existuje však neistota. o budúcom raste leteckej osobnej dopravy, dodávateľskom reťazci a zdravom stave pracovnej sily. V dôsledku toho musia výrobcovia zlepšiť produktivitu a flexibilitu, aby zvládli nahromadené veci a reagovali na budúce zmeny v dopyte.
Schopnosť laserového spracovania zvýšiť produktivitu a udržať nízke náklady môže hrať kľúčovú úlohu pri umožnení tejto reakcie v leteckom priemysle. Laserové spracovanie - vo forme rezania, zvárania, brokovania a vŕtania - sa stalo neoddeliteľnou súčasťou leteckej výroby.
Lasery sa napríklad používajú na výrobu klapiek krídel lietadiel, upevňovacích prvkov krídel, komponentov prúdových motorov a častí sedadiel, ako aj na opravu turbín, čistenie alebo odstraňovanie farby z dielov a prípravu povrchov komponentov na ďalšie spracovanie. V posledných rokoch sa laserová aditívna výroba (AM) stala čoraz populárnejšou aj v sektore letectva. Okrem toho chce trh zlepšiť sledovateľnosť leteckých komponentov a s tým sa zvyšuje dopyt po laserovom značení.
Laserové rezanie a zváranie
Rezanie laserom je rýchly, nákladovo efektívny a presný proces, ktorý možno použiť na splnenie náročných výrobných požiadaviek leteckého a kozmického priemyslu.
V porovnaní s tradičným spracovaním ponúka rezanie laserom vysokú presnosť, menší odpad materiálu, vyššiu rýchlosť spracovania, nižšie náklady a menšiu údržbu zariadenia. Okrem toho je možné maximalizovať produktivitu, pretože umožňuje rýchle a jednoduché vykonanie akýchkoľvek potrebných zmien v procese.
Laser je možné použiť na výrobu dielov na upevňovacie prvky krídel, dielov upínacích prípravkov, dielov koncových efektorov, dielov nástrojov atď. ako výfukové kužele. Dokáže spracovať rôzne letecké materiály vrátane hliníka, Hastelloy (nikel, ktorý bol legovaný prvkami ako molybdén a chróm), Inconel, Nitinol, Nitinol, nehrdzavejúcu 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) pri výrobe lietadiel sa čoraz viac oceňuje a všade, kde je to možné, sa používa na nahradenie nitovaných spojov. Technológie, ako je laserové švihové zváranie, boli úspešné aj pri spojoch palivových nádrží, čím sa zlepšila účinnosť a pevnosť spoja, znížilo sa množstvo prepracovania a zabezpečili sa výrazné úspory nákladov. Medzi ďalšie úspechy zvárania v leteckom a kozmickom priemysle patrí pripojenie liatych jadier turbínových lopatiek na kryty; a vytváranie nových typov odľahčených klapiek krídel, ktoré zvyšujú reguláciu laminárneho prúdenia, minimalizujú odpor vzduchu a optimalizujú spotrebu paliva.
S potenciálom úspory nákladov, znížením hmotnosti komponentov a zlepšenou kvalitou zvaru v porovnaní s tradičnými metódami niekoľko výrobcov na trhu už teraz zvažuje laserové zváranie častí drakov lietadiel.
Laserové čistenie
Výrobcovia v leteckom a kozmickom sektore používajú laserové čistenie na odstraňovanie vrstiev z kovových a kompozitných povrchov pri príprave na obrábanie, na odstraňovanie náterov alebo korózie a na odstraňovanie náterov z veľkých častí alebo celých lietadiel pred prelakovaním.
Počas procesu čistenia je laserové svetlo absorbované a odparované povrchovou vrstvou kovu, čo vedie k ablácii povrchového materiálu s malým alebo žiadnym účinkom na vnútornú vrstvu a bez vedľajšieho tepelného poškodenia komponentu. Pulzné vláknové lasery triedy kilowatt sú obzvlášť vhodné na rýchle čistenie laserom – dokážu vyčistiť širokú škálu materiálov vrátane keramiky, kompozitov, kovov a plastov s vysokou účinnosťou a presnosťou.
Použitie kompozitov v lietadlách v posledných rokoch vzrástlo a s tým súvisí aj potreba spájať kovy do kompozitov. V leteckom priemysle sa na spojenie týchto dvoch rôznych materiálov môžu použiť lepidlá a na vytvorenie pevného spojenia musia byť dva povrchy pred nanesením lepidla starostlivo pripravené na spracovanie.
Laserové čistenie je ideálnou voľbou, pretože vytvára veľmi prísne kontrolovaný, reprodukovateľný povrchový efekt, ktorý je schopný dosiahnuť konzistentnú, predvídateľnú väzbu. Tradične by sa to uskutočňovalo pomocou techník deštruktívneho otryskávania alebo použitím niekoľkých chemikálií. Laserové čistenie však teraz ponúka jednostupňový prístup, ktorý je nielen nákladovo efektívnejší a produktívnejší, ale má aj oveľa menší 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 komponentov lietadiel je pri odstraňovaní náterov tiež výhodnejšie ako chemické odstraňovanie alebo otryskávanie. Počas svojej životnosti môže byť lietadlo premaľované 4-5-krát a odstránenie náteru z celého lietadla pomocou tradičných techník môže trvať týždeň alebo viac. Naproti tomu laserové čistenie môže tento čas skrátiť na 3-4 dní v závislosti od veľkosti lietadla a pracovníkom tiež umožňuje ľahší prístup k dielom. Okrem toho, ak sa laserové čistenie použije na odstraňovanie náterov namiesto chemického odstraňovania alebo otryskávania, môže viesť k významným úsporám nákladov – tisícky libier na lietadlo – pretože nebezpečný odpad sa zníži o približne 90 percent alebo viac a znížia sa požiadavky na manipuláciu s materiálom.
Laserové otryskávanie/Laserové nárazové peening
Napätia v kovových komponentoch môžu viesť k zlyhaniu kovovej únavy v komponentoch lietadla, ako sú lopatky ventilátora v prúdových motoroch, čo môže potenciálne spôsobiť poškodenie alebo zranenie. To možno zmierniť technikou známou ako laserové peening.
V tomto procese sú laserové impulzy nasmerované do oblasti s vysokou koncentráciou napätia a každý impulz zapáli malý plazmový výboj medzi povrchom komponentu a vrstvou vody nastriekanej na vrch. Vrstva vody obmedzuje výbuch, ktorý spôsobí, že rázová vlna prenikne komponentom a vytvorí zvyškové tlakové napätie, keď sa oblasť šírenia zväčší. Tieto napätia pôsobia proti praskaniu a iným formám únavy kovu. Laserové hĺbenie môže predĺžiť životnosť kovových častí 10-15-krát v porovnaní s konvenčnými procesmi.
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 zabráni vzniku a expanzii trhlín spôsobených cyklickým vibračným namáhaním. Flexibilita dodávania lúča z optických vlákien a vlastné nástroje umožňujú systému laserovať ťažko dostupné oblasti lietadla. Podľa partnerov je systém prelomom v technológii laserového peeningu a posunie jeho využitie, okrem iného vrátane predĺženia životnosti lopatiek prúdových motorov.
Centrum pripravenosti flotily amerického námorníctva East (FRCE) tiež nedávno dokončilo overenie procesu zosilňovania laserovým nárazom, 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 palivovú alebo zbraňovú schopnosť. To pomáha predĺžiť životnosť stíhačky piatej generácie, verzie s krátkym vzletom a pristátím, ktorú používa americká námorná pechota.
Laserové vŕtanie
Moderné letecké motory majú asi 500{1}} otvorov, čo je asi 100-krát viac ako počet motorov vyrobených v 80. rokoch. Výrobcovia lietadiel zároveň vyrábajú čoraz viac ďalších komponentov, ktoré majú veľké množstvo vyvŕtaných otvorov pre nitované a skrutkové spoje. Laserové vŕtanie má preto obrovský trhový potenciál v leteckom a kozmickom sektore, pretože ponúka presný, opakovateľný, rýchly a nákladovo efektívny proces.
Vyvíjajú sa napríklad nové vysokovýkonné femtosekundové laserové systémy na efektívne a presné mikrovŕtanie veľkých titánových HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) panelov, ktoré budú namontované na krídlových alebo chvostových stabilizátoroch. Tieto panely nasávajú vzduch cez malé otvory, čím znižujú trecí odpor a znižujú spotrebu paliva.
Image Lasery sa čoraz častejšie používajú na vŕtanie komponentov lietadiel CFRP
(Obrazový kredit: Laser Center Hannover)
Keďže laserové vŕtanie je bezkontaktné, spracovávaný materiál nie je potrebné držať rovnakým spôsobom, ako keby sa spracovával bežnými nástrojmi. Ďalšou výhodou bezkontaktnosti je, že nedochádza k opotrebovaniu nástroja, čo predstavuje zvláštnu výhodu pri prevádzke vŕtania CFRP komponentov. Vďaka svojej tvrdosti môžu komponenty CFRP spôsobiť veľmi vysoké opotrebovanie bežných nástrojov. Laserové vŕtanie je možné vykonávať aj pri veľmi vysokých rýchlostiach, takže nadmerné poškodenie teplom nepoškodí spracovávaný materiál.
Aditívna výroba
Laserová aditívna výroba (AM) naberá rýchly rozmach aj v leteckom priemysle. Pri tejto technike laser roztaví súvislé vrstvy prášku a vytvorí tvary. Kalifornská raketová spoločnosť si dokonca nedávno 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, výroba laserových aditív bola úspešne použitá na dvoch misiách na Mars. Rover Curiosity agentúry NASA, ktorý pristál v auguste 2012, bol prvou misiou na prepravu 3D tlačených dielov na Mars. Ide o keramický komponent v nástroji Sample Analysis on Mars (SAM), ktorý je súčasťou prebiehajúceho testovacieho programu na skúmanie spoľahlivosti technológie výroby aditív.
Medzitým rover Trailblazer NASA, ktorý pristane na Marse vo februári 2021, obsahuje 11 kovových dielov vyrobených laserom. Päť častí je v Trailovom planetárnom prístroji pre röntgenovú litochémiu (PIXL), ktorý hľadá známky mikrobiálneho fosílneho života na Marse. Tieto diely musia byť také ľahké, aby ich nebolo možné vyrábať tradičnými technikami kovania, lisovania a rezania.
NASA tiež experimentuje s laserovou aditívnou výrobou komponentov rakiet. V jednej štúdii bola spaľovacia komora raketového motora vyrobená zo zliatiny medi. Tento pokračujúci vývoj laserovej aditívnej výroby vyústil do súčiastky, ktorú možno vyrobiť za približne polovičné náklady a šestinu času potrebného na tradičné obrábanie, spájanie a montáž. Pretože použité zliatiny medi vysoko odrážajú 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 hrubovanie
Laserové hrubovanie je tiež veľmi novou aplikáciou v leteckom priemysle. V tomto procese sa ultrarýchle lasery používajú na vytváranie mikronanoštruktúr na povrchoch lietadiel prostredníctvom techniky známej ako priame laserové interferometrické vzorovanie (DLIP), ktoré sa používa na vytvorenie prirodzeného „lotosového efektu“, pričom sa vytvárajú nanoštruktúry, ktoré pomáhajú predchádzať povrchovej kontaminácii a ľadu. nahromadenie na lietadle.
Inovatívna optika rozdeľuje výkonný ultrarýchly laserový impulz na niekoľko čiastkových lúčov, ktoré sa potom kombinujú na spracovávanom povrchu. Pri pohľade pod mikroskopom výsledná mikroštruktúra pripomína mikroskopickú „sieň“ „stĺpov“ alebo vlniek. Vzdialenosť medzi "stĺpmi" je medzi približne 150 nm a 30 µm - štruktúra, ktorá znamená, že kvapôčky vody už nezmáčajú povrch a nelepia sa naň, pretože nemajú dostatočnú priľnavosť k povrchu.
Medzi výhody tohto materiálu pre lietadlo patrí zvýšená odpudivosť vody, 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 zníži potrebu toxických chemických úprav, ktoré sa v súčasnosti používajú na povrchy lietadiel, aby sa predišlo námraze. Je známe, že sa časom zhoršuje a je náchylný na poškodenie. Navyše laserové štruktúry vyrobené metódou DLIP môžu vydržať niekoľko rokov a nespôsobujú environmentálne problémy.
