Letecký a kozmický sektor – vrátane komerčných a satelitných, kozmických lodí, dronov a bezpilotných vzdušných prostriedkov (UAV) – prešiel v posledných rokoch radikálnymi zmenami. Do vesmírnych pretekov sa zapája čoraz viac spoločností a mnohé z nich potrebujú inovatívne výrobné techniky.
Schopnosť laserového spracovania zvýšiť produktivitu a udržať nízke náklady môže hrať kľúčovú úlohu pri realizácii tejto reakcie leteckého priemyslu. Laserové spracovanie - ktoré realizuje operácie vo forme rezania, zvárania, tryskania a vŕtania - sa stalo neoddeliteľnou súčasťou leteckej výroby.
Napríklad lasery sa používajú na výrobu klapiek, upevňovacích prvkov krídel, súčiastok prúdových motorov a častí sedadiel pre krídla lietadiel, ako aj na opravu turbín, čistenie alebo odstraňovanie farby z častí a prípravu povrchov súčiastok na ďalšie spracovanie. V posledných rokoch si laserová aditívna výroba (AM) získala popularitu aj v sektore vesmírnych letov. Okrem toho sa trh snaží zlepšiť sledovateľnosť leteckých komponentov a s tým sa zvyšuje dopyt po laserovom označovaní.
Laserové rezanie a zváranie
Laserové rezanie je rýchly, nákladovo efektívny a presný proces, ktorý možno použiť na splnenie náročných výrobných požiadaviek leteckého priemyslu.
V porovnaní s konvenčným spracovaním ponúka rezanie laserom vysokú presnosť, menší odpad materiálu, vyššiu rýchlosť spracovania, nižšie náklady a menšiu údržbu zariadenia. Okrem toho maximalizuje produktivitu, pretože je možné rýchlo a jednoducho vykonať potrebné zmeny na obrábaní.
Laser je možné použiť na výrobu dielov upínadiel krídel, dielov upínacích prípravkov, dielov koncových efektorov, dielov nástrojov a ďalších. Je rovnako vhodný pre menšie diely, ako sú vrúbľované olejové tesnenia a titánové rozvodné rúrky, ako aj väčšie diely, ako sú výfukové kužele. Dokáže spracovať 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 a kozmickom 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 sú materiály, ktoré získavajú na dôležitosti a všade, kde je to možné, sa používajú ako náhrada za nitovanie. Techniky, ako je laserové kyvadlové zváranie, boli úspešné aj pri spájaní palivových nádrží, čím sa zlepšila účinnosť a pevnosť spojov, obmedzili sa prerábky a poskytli sa značné 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 dielov a zlepšenou kvalitou zvaru oproti tradičným metódam, niektorí výrobcovia na dnešnom trhu dokonca začínajú uvažovať o laserovom zváraní 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 spracovanie, 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 povrchovými vrstvami kovu, čo vedie k ablácii povrchového materiálu s malým alebo žiadnym účinkom na vnútorné vrstvy a bez vedľajšieho tepelného poškodenia komponentu. Pulzné 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.
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 aby sa vytvoril pevný spoj, oba povrchy musia byť pred nanesením lepidla starostlivo pripravené na opracovanie.
Laserové čistenie je ideálnou voľbou, pretože vytvára veľmi prísne kontrolovanú, replikovateľnú povrchovú úpravu, ktorá je schopná 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 menší dopad na životné prostredie, pretože nie sú potrebné žiadne toxické chemikálie ani tryskacie materiály. Vplyv laserového čistenia na diely je tiež oveľa jemnejší ako tradičné metódy.
Laserové čistenie kovových a kompozitných častí lietadiel je tiež priaznivejšie ako chemické odstraňovanie alebo otryskanie, pokiaľ ide o odstraňovanie náterov. Lietadlo môže byť počas svojej životnosti premaľované 4-5-krát a odstránenie náteru z celého lietadla pomocou tradičných techník môže trvať týždeň alebo viac. Na rozdiel od toho môže čistenie laserom v závislosti od veľkosti lietadla skrátiť tento čas na 3-4 dní a pracovníkom tiež uľahčí prístup k dielom. Okrem toho, ak sa laserové čistenie použije na odstraňovanie náterov namiesto chemického odstraňovania alebo otryskávania, môže viesť k významným úsporám nákladov – tisíce libier na lietadlo – vďaka zníženiu nebezpečného odpadu o približne 90 % alebo viac a zníženým požiadavkám na manipuláciu s materiálom.
Peening laserom/laserovým nárazom
Napätia v kovových komponentoch môžu viesť k únave kovu 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 laserové impulzy nasmerované do oblasti s vysokou koncentráciou napätia a každý impulz zapáli malú plazmovú explóziu medzi povrchom komponentu a vrstvou vody nastriekanej na vrch. Vodná vrstva obmedzuje explóziu, ktorá spôsobí, že rázová vlna prenikne komponentom a vytvorí zvyškové tlakové napätia, keď sa oblasť šírenia zväčší. Tieto napätia zlepšujú pravdepodobnosť praskania a iných foriem odolnosti proti únave kovov. Laserové hĺbenie môže predĺžiť životnosť kovových častí o faktor 10-15 v porovnaní s konvenčnými procesmi.
Laserové otryskávanie 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 lúčov z optických vlákien a prispôsobené nástroje umožňujú systému laserovým lúčom oblasti, ktoré sú pre lietadlá ťažko dosiahnuteľné. Podľa partnerov je systém prelomom v technológii laserového peeningu, ktorý posunie jeho použitie dopredu, okrem iného vrátane predĺženia životnosti lopatiek prúdových motorov.
Laserové vŕtanie
Moderné letecké motory majú asi 500{2}} otvorov, čo je asi 100-krát viac ako motory vyrobené v 80. rokoch. Výrobcovia lietadiel zároveň vyrábajú čoraz viac iných komponentov, ktoré majú vyvŕtané veľké množstvo otvorov pre nitované a skrutkové spoje. V leteckom a kozmickom sektore má preto laserové vŕtanie veľký trhový potenciál, 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, čo znižuje trecí odpor a znižuje spotrebu paliva.
Keďže laserové vŕtanie je bezkontaktné, spracovávaný materiál nie je potrebné fixovať rovnakým spôsobom, ako keby bol spracovávaný bežnými nástrojmi. Ďalšou výhodou bezkontaktnosti je, že nedochádza k opotrebeniu nástroja, čo predstavuje zvláštnu výhodu pri vŕtaní CFRP komponentov. Komponenty CFRP môžu byť vďaka svojej tvrdosti veľmi abrazívne pre bežné nástroje. Laserové vŕtanie je možné vykonávať aj pri veľmi vysokých rýchlostiach, takže nadmerné poškodenie teplom nepoškodí spracovávaný materiál.
Aditívna výroba
Laser Additive Manufacturing (AM) rýchlo rastie aj v leteckom priemysle. Pri tejto technike laser roztaví po sebe nasledujúce vrstvy prášku a vytvorí tvary. Kalifornská raketová spoločnosť si dokonca nedávno objednala dve 12-laserové 3D tlačiarne, aby boli jej vesmírne misie nákladovo efektívnejšie a efektívnejšie vytvorením ľahších, rýchlejších a silnejších vesmírnych komponentov.
Zatiaľ čo mnohé z týchto projektov sú stále vo fáze testovania, výroba laserových aditív už bola úspešne použitá na dvoch misiách na Mars. Rover Curiosity NASA, ktorý pristál v auguste 2012, bol prvou misiou na Mars, ktorá mala niesť 3D tlačené časti. Ide o keramický komponent v rámci nástroja Sample Analysis for Mars (SAM), ktorý je súčasťou prebiehajúceho testovacieho programu na skúmanie spoľahlivosti technológie výroby aditív.
NASA bimetalová spaľovacia komora s tesneniami GRCop-42 L-PBF a opláštením Nasa HR-1 LP-DED
Medzitým rover NASA Perseverance, ktorý pristál na Marse vo februári 2021, obsahuje 11 kovových častí vyrobených laserovou aditívnou výrobou. Päť z týchto častí je v Perseverance's Planetary Instrument for X-ray Petrochemistry (PIXL), ktorý hľadá známky mikrobiálneho fosílneho života na Marse. Tieto diely musia byť také ľahké, aby ich nebolo možné vyrábať pomocou tradičných techník kovania, lisovania a rezania.
NASA tiež experimentuje s využitím laserovej aditívnej výroby 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 za jednu šestinu času potrebného na konvenčné 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 aplikácie aditívnej výroby v letectve sú v súčasnosti v počiatočnom štádiu, očakáva sa, že v priebehu nasledujúcich 20 rokov budú rásť.
Laser Grossing
Laserové hrubovanie je tiež veľmi novou aplikáciou v leteckom priemysle. V tomto procese sa ultrarýchle lasery používajú na vytváranie mikro- a nanoštruktúr na povrchoch lietadiel prostredníctvom techniky známej ako priame laserové interferenčné vzorovanie (DLIP), ktoré sa používa na vytvorenie prirodzeného „lotosového efektu“, ktorý vytvára nanoštruktúry, ktoré pomáhajú predchádzať povrchovej kontaminácii. aj nahromadenie ľadu na lietadle.
Inovatívna optika rozdeľuje výkonný ultrarýchly laserový impulz na niekoľko čiastkových lúčov, ktoré sa potom kombinujú na spracovávanom povrchu. Pri pohľade pod mikroskopom výsledné mikroštruktúry pripomínajú mikroskopické „siene“ „stĺpov“ alebo vlnky. Vzdialenosť medzi „stĺpmi“ je medzi približne 150 nm a 30 μm – táto štruktúra znamená, že kvapôčky vody už nezmáčajú povrch a nelepia sa naň, pretože nemajú dostatočnú priľnavosť k povrchu.
Medzi výhody tohto materiálu pre lietadlá 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 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 a nespôsobujú environmentálne problémy.
Laserová inšpekcia a regulácia stresu
Okrem vyššie uvedených funkcií možno kombináciu lasera a ultrazvuku použiť na kontrolu a reguláciu napätia zložitých kovových konštrukčných komponentov. Využitie vysokoenergetického pulzného laserového pôsobenia na povrch testovaného objektu, povrchová zmena lokálnej teploty, ktorá spôsobí testovaný objekt v povrchovej vrstve tepelnej rozťažnosti, excitácia ultrazvuku, ultrazvuk prenesie povrch materiálu a vnútorné užitočné informácie, ultrazvukové signály s detektorom, ktoré sa majú prijať, spracovanie údajov a analýza objektu, ktorý sa má skúmať, aby sa určila prítomnosť alebo neprítomnosť defektov.
Navyše, vďaka laserovému ultrazvuku má vysoké časové a priestorové rozlíšenie, môže produkovať bohatý tvar vlny, široké pásmo ultrazvuku atď., Po prepnutí a nastavení parametrov laserovej excitácie môže byť laserový ultrazvuk v častiach ktorejkoľvek určenej časti. odstrániť všetko ťahové napätie, v prípade nezničenia celistvosti povrchu, bez zahrievania, vytvorenie určitej hrúbky tlakovo namáhanej zosilnenej vrstvy. Je tiež možné regulovať hodnotu napätia na rozsah konštrukčných požiadaviek, čo môže výrazne optimalizovať odolnosť proti únave a trhlinám v miestnej polohe.
