În ultimii ani, lumea aerospațială – inclusiv avioane comerciale și militare, sateliți, nave spațiale, drone și vehicule aeriene fără pilot (UAV) – a suferit câteva schimbări dramatice. Din ce în ce mai multe companii se alătură cursei spațiale, dintre care multe necesită tehnologii de producție inovatoare.
În schimb, impactul restricțiilor de călătorie asupra aviației comerciale cauzate de noua epidemie a coroanei a făcut ca rata producției de avioane civile să scadă cu o treime.
În 2019, Europa a fost unul dintre liderii mondiali în producția de avioane civile și elicoptere, inclusiv diverse componente și motoare de aeronave, susținând aproximativ 400 de locuri de muncă000 și generând venituri de 130 de miliarde de euro. În timp ce explorarea și apărarea spațiului au rămas în mare parte neafectate de pandemie, producția de avioane civile este încă în redresare.
În „Uncertainty in Commercial Aerospace” (Uncertainty in Commercial Aerospace), publicat în februarie 2023, McKinsey, o cunoscută companie de consultanță și cercetare, a raportat că lumea trebuie să digere construcția a 9.400 de avioane de pasageri (în principal avioane cu corp îngust). ) până la sfârșitul anului 2027. aeronave) restante. Dar există incertitudine cu privire la creșterea viitoare a traficului aerian de pasageri, sănătatea lanțurilor de aprovizionare și a forței de muncă. Ca rezultat, producătorii trebuie să sporească eficiența producției și flexibilitatea pentru a gestiona restanțe și pentru a răspunde la schimbările viitoare ale cererii.
Capacitatea prelucrării cu laser de a crește productivitatea și de a menține costurile scăzute poate juca un rol cheie în a permite acest răspuns din partea industriei aerospațiale. Prelucrarea cu laser - operațiuni sub formă de tăiere, sudare, șlefuire și găurire - a devenit o parte integrantă a producției aerospațiale.
De exemplu, laserele sunt folosite pentru a face flaps pentru aripile aeronavei, elementele de fixare a aripilor, părțile motoarelor cu reacție și părțile scaunelor și sunt, de asemenea, utilizate pentru repararea turbinelor, curățarea sau îndepărtarea vopselei de pe piese și pregătirea pieselor pentru prelucrare ulterioară. suprafata partiala. În ultimii ani, fabricarea aditivă cu laser (AM) a crescut și în popularitate în zborurile spațiale. În plus, piața speră să îmbunătățească trasabilitatea componentelor aerospațiale, iar cerințele pentru marcarea cu laser sunt, de asemenea, în creștere.
Tăiere și sudare cu laser
Tăierea cu laser este un proces rapid, rentabil și precis, utilizat pentru a îndeplini cerințele exigente de producție ale sectorului aerospațial.
În comparație cu prelucrarea tradițională, tăierea cu laser are o precizie ridicată, mai puține deșeuri de material, viteză de procesare rapidă, costuri reduse și întreținere mai mică a echipamentelor. În plus, maximizează productivitatea, deoarece face orice modificări necesare la prelucrare rapid și ușor.
Laserele pot fi utilizate pentru a produce piese de fixare a aripilor, piese de jig, piese de efect de capăt, piese de scule și multe altele. Este la fel de potrivit pentru componente mici, cum ar fi garniturile de ulei altoite și colectoarele de conducte de evacuare din titan, precum și componente mai mari, cum ar fi conurile de evacuare. Poate prelucra o mare varietate de materiale aerospațiale, inclusiv aluminiu, Hastelloy (nichel care a fost aliat cu elemente precum molibden și crom), Inconel, Nitinol, Nitinol, oțel inoxidabil, tantal și titan.
Sudarea cu laser este, de asemenea, utilizată în industria aerospațială ca alternativă la metodele tradiționale de îmbinare, cum ar fi lipirea cu adeziv și fixarea mecanică. De exemplu, utilizarea sudării cu laser a aliajelor ușoare de aluminiu și a polimerilor armați cu fibră de carbon (CFRP) în construcția de avioane câștigă acțiune și este folosită pentru a înlocui nituirea ori de câte ori este posibil. Tehnici precum sudarea cu țesut cu laser au avut, de asemenea, succes în îmbinarea rezervoarelor de combustibil, îmbunătățirea eficienței și rezistenței îmbinării, reducerea reprelucrarii și economisirea multor bani. Alte succese de sudare în domeniul aerospațial includ îmbinarea miezului turnat al unei pale de turbină la placa de acoperire; și crearea unui nou tip de clapetă ușoară de aripă care mărește controlul fluxului laminar, minimizează rezistența și optimizează eficiența combustibilului.
Sudarea cu laser are potențialul de a economisi costuri, de a reduce greutatea componentelor și de a îmbunătăți calitatea sudurii în comparație cu metodele tradiționale, iar mai mulți producători iau în considerare în prezent sudarea cu laser pentru producția de piese pentru corpul aeronavei.
Lcurăţare aser
Producătorii din sectorul aerospațial folosesc curățarea cu laser pentru a îndepărta straturile de metal și suprafețele compozite în pregătirea pentru prelucrare, pentru a îndepărta acoperirile sau coroziunea și pentru a îndepărta vopseaua de pe componente mari sau pe întregul avion înainte de revopsire.
În timpul procesului de curățare, laserul este absorbit și evaporat de suprafața metalică, realizând astfel ablația materialului de suprafață, având în același timp un efect redus asupra materialului stratului interior și nu va provoca daune termice accidentale componentelor. Laserele cu fibră pulsată din clasa kilowați sunt deosebit de potrivite pentru curățarea rapidă cu laser - ele permit curățarea eficientă și de înaltă precizie a unei game largi de materiale, inclusiv ceramică, compozite, metale și materiale plastice.
În ultimii ani, utilizarea materialelor compozite în aeronave a crescut, la fel și nevoia de a îmbina metalele cu materialele compozite. În producția aerospațială, adezivii pot fi utilizați pentru a îmbina aceste două materiale diferite. Pentru a crea o legătură puternică, cele două suprafețe trebuie pregătite cu grijă înainte de aplicarea adezivul.
Curățarea cu laser este ideală deoarece creează un finisaj de suprafață foarte bine controlat, reproductibil, care permite o lipire consistentă și previzibilă. În mod tradițional, acest lucru se face prin tehnici distructive de sablare sau prin aplicarea mai multor substanțe chimice. Cu toate acestea, curățarea cu laser oferă acum o metodă într-un singur pas care nu este doar mai rentabilă și mai productivă, dar are și un impact mai mic asupra mediului, deoarece nu sunt necesare substanțe chimice toxice sau materiale de sablare. Curățarea cu laser este, de asemenea, mult mai blândă cu piesele decât metodele tradiționale.
Curățarea cu laser a pieselor de aeronave metalice și compoziteeste, de asemenea, mai benefică decât tehnicile de decapare chimică sau sablare atunci când vine vorba de decaparea vopselei. Pe parcursul duratei sale de viață utilă, o aeronavă poate fi revopsită de 4-5 ori și poate dura o săptămână sau mai mult pentru a îndepărta vopseaua de pe întreaga aeronava folosind tehnici tradiționale. În schimb, curățarea cu laser poate reduce acest timp la 3-4 zile, în funcție de dimensiunea aeronavei și, de asemenea, face piesele mai accesibile lucrătorilor. În plus, atunci când este folosită pentru îndepărtarea vopselei, mai degrabă decât pentru decapare chimică sau sablare, curățarea cu laser oferă economii semnificative de costuri – mii de lire sterline per avion, deoarece deșeurile periculoase sunt reduse cu aproximativ 90% sau mai mult și cerințele de manipulare a materialelor sunt reduse.
Laser peening/laser shock peening
Tensiunile din componentele metalice pot duce la defecțiunea prin oboseală a metalului în componentele aeronavei, cum ar fi palele ventilatoarelor din motoarele cu reacție, ceea ce are potențialul de a provoca daune sau răniri. Acest lucru poate fi atenuat cu o tehnică cunoscută sub numele de peening cu laser.
În acest proces, impulsurile de lumină laser sunt direcționate într-o zonă cu concentrație mare de stres și fiecare impuls aprinde o explozie minusculă de plasmă între suprafața componentei și un strat de apă pulverizat deasupra. Stratul de apă limitează explozia, ceea ce face ca unda de șoc să pătrundă în componentă și să genereze tensiuni reziduale de compresiune pe măsură ce aria sa de propagare se extinde. Aceste tensiuni contracarează fisurarea și alte forme de oboseală metalică. În comparație cu procesele tradiționale, întărirea cu laser poate prelungi durata de viață a pieselor metalice de 10-15 ori.
Peeningul cu laser este din ce în ce mai utilizat în industria aerospațială. De exemplu, LSP Technologies și Airbus au dezvoltat împreună un sistem portabil de peening cu laser, care a fost recent testat și evaluat la unitatea de întreținere și reparații a Airbus din Toulouse, Franța.
Sistemul de peening cu laser Leopard va prelungi durata de viață la oboseală prin inhibarea inițierii și propagării fisurilor cauzate de stresul de vibrație ciclică. Flexibilitatea furnizării fasciculului de fibră optică și instrumentele personalizate permit sistemului să ilumineze cu laser zonele care sunt greu de atins de către aeronave. Potrivit partenerilor, sistemul este o descoperire în tehnologia de întărire cu laser, care va avansa în utilizarea acestuia, inclusiv prelungirea duratei de viață a palelor motoarelor cu reacție și nu numai.
Fleet Readiness Center East (FRCE) al Marinei SUA a finalizat recent validarea unui proces de șoc cu laser care a fost utilizat cu succes pe aeronava F-35B Lightning II. FRCE a folosit procesul pentru a consolida cadrul F-35B Lightning II fără a adăuga niciun material sau greutate suplimentară care, altfel, i-ar limita capacitățile de transport de combustibil sau de arme. Acest lucru ajută la extinderea speranței de viață a avioanelor de vânătoare din generația a cincea, variantele cu decolare și aterizare scurte utilizate de Corpul Marin al SUA.
Lforaj aser
Motoarele aerodinamice moderne au aproximativ 500 de000 găuri, de aproximativ 100 de ori mai multe decât motoarele construite în anii 1980. În același timp, producătorii de avioane produc un număr tot mai mare de alte componente care prezintă un număr mare de găuri pentru nituire și înșurubare. Prin urmare, în domeniul aerospațial, forarea cu laser are un potențial uriaș de piață, deoarece oferă un proces precis, repetabil, rapid și rentabil.
De exemplu, noi sisteme laser femtosecunde de mare putere sunt dezvoltate pentru microforarea eficientă și precisă a panourilor mari HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) din titan care urmează să fie montate pe aripi sau stabilizatori de înălțime. Aceste panouri atrag aer prin orificii mici, ceea ce reduce rezistența la frecare și reduce consumul de combustibil.
Deoarece găurirea cu laser este fără contact, materialul prelucrat nu trebuie să fie fixat în același mod ca și cu uneltele convenționale. Un alt avantaj de a fi fără contact este absența uzurii sculelor, ceea ce reprezintă un avantaj deosebit în operațiunile de găurire pentru componente CFRP. Datorită durității sale, componentele CFRP pot fi foarte abrazive pentru uneltele convenționale. Găurirea cu laser poate fi efectuată și la viteze foarte mari, astfel încât deteriorarea excesivă cauzată de căldură să nu dăuneze materialului prelucrat.
Afabricaţie ditivă
Producția aditivă cu laser (AM) a fost dezvoltată rapid și în industria aerospațială. În această tehnică, laserele topesc straturi succesive de pulbere pentru a construi forme. O companie de rachete din California a comandat chiar și două 12-imprimante 3D cu fascicul laser pentru a-și face misiunile spațiale mai economice și mai eficiente prin crearea de componente spațiale mai ușoare, mai rapide și mai puternice.
Deși multe proiecte sunt încă în faza de testare, fabricarea aditivă cu laser a fost deja folosită cu succes în două misiuni pe Marte. Roverul Curiosity al NASA, care a aterizat în august 2012, a fost prima misiune care a adus piese imprimate 3D pe Marte. Aceasta este o componentă ceramică din interiorul instrumentului Sample Analysis at Mars (SAM), parte a unui program de testare în curs pentru a investiga fiabilitatea tehnicilor de fabricație aditivă.
Între timp, roverul Perseverance al NASA, care a aterizat pe Marte în februarie 2021, conține 11 piese metalice care au fost fabricate adițional cu lasere. Cinci dintre aceste componente se află în Instrumentul planetar pentru litochimie cu raze X (PIXL) al Perseverance, care caută semne ale vieții microbiene fosile pe Marte. Aceste piese trebuie să fie atât de ușoare încât tehnicile tradiționale precum forjarea, turnarea și tăierea nu le pot produce.
NASA a experimentat, de asemenea, fabricarea aditivă cu laser a componentelor rachetelor. Într-un studiu, camera de ardere a unui motor de rachetă a fost fabricată dintr-un aliaj de cupru. Dezvoltarea continuă a acestei producții aditive cu laser a dus la fabricarea piesei la aproximativ jumătate din cost și într-o șesime din timpul necesar pentru prelucrarea, îmbinarea și asamblarea tradiționale. Deoarece aliajul de cupru folosit este foarte reflectorizant pentru laserele infraroșii, NASA investighează acum modul în care laserele verzi sau albastre pot îmbunătăți eficiența și productivitatea.
În timp ce utilizarea producției aditive în industria aerospațială este încă în fazele sale incipiente, este de așteptat să crească în următorii 20 de ani.
Texturare cu laser
Texturarea cu laser este, de asemenea, o aplicație foarte nouă în industria aerospațială. În acest proces, laserele ultrarapide sunt folosite pentru a crea micro-nanostructuri pe suprafața aeronavei printr-o tehnică numită modelare directă a interferenței cu laser (DLIP), care este folosită pentru a crea un „efect de lotus” natural, care creează nanostructuri care ajută la prevenirea suprafeței. contaminarea și prevenirea formării de gheață pe aeronave.
Optica inovatoare împarte un impuls laser ultrarapid puternic în mai multe fascicule parțiale, care sunt apoi combinate pe suprafața pentru a fi procesate. Când este privită la microscop, microstructura rezultată seamănă cu „holuri” microscopice făcute din „stâlpi” sau ondulate. Distanța dintre „stâlpi” este de aproximativ 150nm până la 30μm - această structură înseamnă că picăturile de apă nu mai pot umezi suprafața și nu mai pot să se lipească de ea deoarece nu au suficientă aderență pe suprafață.
Beneficiile materialului pentru aeronave includ o rezistență sporită a apei, a gheții și a insectelor. Acestea se pot lipi de suprafața aeronavei și pot crește rezistența la vânt a aeronavei, crescând astfel consumul de combustibil. Aplicarea acestei texturi laser ar reduce nevoia de tratamente chimice toxice aplicate în prezent pe suprafețele aeronavelor pentru a evita înghețarea. Se știe că îmbătrânește și devine predispus la deteriorare în timp. În plus, structurile laser produse cu metoda DLIP pot dura ani de zile fără a cauza probleme de mediu.
