Последњих година, свет ваздухопловства – укључујући комерцијалне и војне авионе, сателите, свемирске летелице, дронове и беспилотне летелице (УАВ) – претрпео је неке драматичне промене. Све више компанија се придружује свемирској трци, од којих многе захтевају иновативне производне технологије.
Насупрот томе, утицај ограничења путовања на комерцијалну авијацију узрокованих новом епидемијом круне довео је до пада стопе производње цивилних авиона за трећину.
Европа је 2019. године била један од светских лидера у производњи цивилних авиона и хеликоптера, укључујући различите компоненте и авионске моторе, подржавајући око 400,000 радних места и остваривши приход од 130 милијарди евра. Док су истраживање свемира и одбрана остали углавном непромијењени пандемијом, производња цивилних авиона се и даље опоравља.
У „Неизвесности у комерцијалном ваздухопловству“ (Унцертаинти ин Цоммерциал Аероспаце), објављеном у фебруару 2023. године, МцКинсеи, позната консултантска и истраживачка компанија, известила је да свет треба да превари изградњу 9.400 путничких авиона (углавном ускотрупних млазњака ) до краја 2027. авиона) заостатак. Али постоји неизвесност у погледу будућег раста ваздушног путничког саобраћаја, здравља ланаца снабдевања и радне снаге. Као резултат тога, произвођачи треба да повећају ефикасност и флексибилност производње како би се носили са заосталим радовима и одговорили на будуће промене у потражњи.
Способност ласерске обраде да повећа продуктивност и задржи ниске трошкове може играти кључну улогу у омогућавању оваквог одговора ваздухопловне индустрије. Ласерска обрада - операције у виду сечења, заваривања, глачања и бушења - постала је саставни део производње ваздухопловства.
На пример, ласери се користе за прављење преклопа за крила авиона, причвршћивача за крила, делова млазног мотора и делова седишта, а користе се и за поправку турбина, чишћење или уклањање боје са делова и припрему делова за даљу обраду. површина дела. Последњих година, производња ласерских адитива (АМ) такође је порасла у популарности у свемирским летовима. Поред тога, тржиште се нада да ће побољшати следљивост ваздухопловних компоненти, а захтеви за ласерско обележавање се такође повећавају.
Ласерско сечење и заваривање
Ласерско сечење је брз, исплатив и прецизан процес који се користи за испуњавање захтевних производних захтева у ваздухопловном сектору.
У поређењу са традиционалном обрадом, ласерско сечење има високу прецизност, мање отпада материјала, велику брзину обраде, ниску цену и мање одржавања опреме. Поред тога, максимизира продуктивност јер све неопходне промене у машинској обради прави брзо и лако.
Ласери се могу користити за производњу делова за причвршћивање крила, делова убода, делова крајњег ефектора, делова алата и још много тога. Подједнако је погодан за мале компоненте као што су калемљене уљне заптивке и титанијумске одводне цеви, као и за веће компоненте као што су издувни конуси. Може да обрађује широк спектар ваздухопловних материјала, укључујући алуминијум, Хастеллои (никл који је легиран са елементима као што су молибден и хром), Инцонел, Нитинол, Нитинол, нерђајући челик, тантал и титанијум.
Ласерско заваривање се такође користи у ваздухопловству као алтернатива традиционалним методама спајања као што су лепљење и механичко причвршћивање. На пример, употреба ласерског заваривања лаких алуминијумских легура и полимера ојачаних угљеничним влакнима (ЦФРП) у конструкцији авиона постаје све популарнија и користи се за замену закивања где год је то могуће. Технике као што је заваривање ласерским ткањем такође су биле успешне у спајању резервоара за гориво, побољшању ефикасности и снаге зглобова, смањењу прераде и уштеди много новца. Други успеси заваривања у ваздухопловству укључују спајање ливеног језгра лопатице турбине са поклопцем; и стварање новог типа лаганог закрилца који повећава контролу ламинарног тока, минимизира отпор и оптимизује потрошњу горива.
Ласерско заваривање има потенцијал да уштеди трошкове, смањи тежину компоненти и побољша квалитет заваривања у поређењу са традиционалним методама, а неколико произвођача тренутно разматра ласерско заваривање за производњу делова авиона.
Lасер цлеанинг
Произвођачи у сектору ваздухопловства користе ласерско чишћење за уклањање слојева металних и композитних површина у припреми за машинску обраду, за уклањање премаза или корозије и за уклањање боје са великих компоненти или читавих авиона пре поновног фарбања.
Током процеса чишћења, ласер се апсорбује и испарава од стране металне површине, чиме се постиже аблација површинског материјала, док има мали утицај на материјал унутрашњег слоја и неће изазвати случајна топлотна оштећења компоненти. Ласери са импулсним влакнима у класи киловата су посебно погодни за брзо ласерско чишћење – омогућавају ефикасно, високо прецизно чишћење широког спектра материјала укључујући керамику, композите, метале и пластику.
Последњих година се повећала употреба композитних материјала у авионима, а самим тим и потреба за спајањем метала са композитним материјалима. У ваздухопловној производњи, лепкови се могу користити за спајање ова два различита материјала. Да би се створила јака веза, две површине морају бити пажљиво припремљене пре наношења лепка.
Ласерско чишћење је идеално јер ствара веома строго контролисану, поновљиву завршну обраду површине која омогућава доследно, предвидљиво лепљење. Традиционално, то би се радило кроз технике деструктивног минирања или применом неколико хемикалија. Међутим, ласерско чишћење сада нуди методу у једном кораку која није само исплативија и продуктивнија, већ има и мањи утицај на животну средину јер нису потребне токсичне хемикалије или материјали за минирање. Ласерско чишћење је такође много нежније за делове од традиционалних метода.
Ласерско чишћење металних и композитних делова авионаје такође кориснији од хемијских техника скидања или пескарења када је у питању скидање боје. Током свог корисног века, авион може бити префарбан 4-5 пута, а може бити потребно недељу дана или више да се уклони боја са целог авиона коришћењем традиционалних техника. Насупрот томе, ласерско чишћење може да скрати ово време на 3-4 дана, у зависности од величине авиона, а такође чини делове доступнијим радницима. Штавише, када се користи за уклањање боје уместо хемијског уклањања или пескарења, ласерско чишћење нуди значајне уштеде – хиљаде фунти по авиону, пошто се опасан отпад смањује за око 90 процената или више, а захтеви за руковање материјалом су смањени.
Ласерско пеенинг/ласерско шок пеенинг
Напони унутар металних компоненти могу довести до квара на замору метала у компонентама авиона, као што су лопатице вентилатора у млазним моторима, што има потенцијал да изазове оштећења или повреде. Ово се може ублажити техником познатом као ласерско пеенинг.
У овом процесу, импулси ласерске светлости се усмеравају у област високе концентрације напрезања, а сваки импулс запаљује сићушну експлозију плазме између површине компоненте и слоја воде прсканог на врху. Слој воде ограничава експлозију, што узрокује да ударни талас продре у компоненту и генерише заостала тлачна напрезања како се подручје ширења шири. Ова напрезања спречавају пуцање и друге облике замора метала. У поређењу са традиционалним процесима, ласерско ојачавање може да продужи век трајања металних делова за 10-15 пута.
Ласерско пеенирање се све више користи у ваздухопловној индустрији. На пример, ЛСП Тецхнологиес и Аирбус су заједно развили преносни ласерски систем за пеенинг који је недавно тестиран и процењен у Аирбусовом постројењу за одржавање и поправку у Тулузу, Француска.
Леопард ласерски систем за пилинг ће продужити животни век од замора тако што инхибира настанак и ширење пукотина узрокованих цикличним вибрацијским стресом. Флексибилност испоруке снопа оптичких влакана и прилагођени алати омогућавају систему да ласером осветли подручја до којих је авионима тешко доћи. Према речима партнера, систем је пробој у технологији ласерског ојачавања који ће унапредити његову употребу, укључујући продужење века лопатица млазног мотора и још много тога.
Центар за спремност флоте америчке морнарице Исток (ФРЦЕ) такође је недавно завршио валидацију процеса ласерског ударања који је успешно коришћен на авиону Ф-35Б Лигхтнинг ИИ. ФРЦЕ је користио процес да ојача оквир Ф-35Б Лигхтнинг ИИ без додавања додатног материјала или тежине који би иначе ограничили његове могућности ношења горива или оружја. Ово помаже да се продужи животни век борбених авиона пете генерације, варијанти кратког полетања и слетања које користе амерички маринци.
Lасер бушење
Модерни авио-мотори имају око 500,000 рупа, око 100 пута више од мотора направљених 1980-их. Истовремено, произвођачи авиона производе све већи број других компоненти које имају велики број избушених рупа за закивање и завртање. Стога, у области ваздухопловства, ласерско бушење има огроман тржишни потенцијал, јер обезбеђује прецизан, поновљив, брз и исплатив процес.
На пример, развијају се нови фемтосекундни ласерски системи велике снаге за ефикасно и прецизно микро бушење великих титанијумских ХЛФЦ (Хибрид Ламинар Флов Цонтрол) панела који се монтирају на стабилизаторе крила или пера. Ови панели увлаче ваздух кроз мале рупе, што смањује отпор трења и смањује потрошњу горива.
Пошто је ласерско бушење бесконтактно, материјал који се обрађује не мора да се фиксира на исти начин као код конвенционалних алата. Још једна предност бесконтактности је одсуство хабања алата, што представља посебну предност у операцијама бушења за ЦФРП компоненте. Због своје тврдоће, ЦФРП компоненте могу бити веома абразивне за конвенционалне алате. Ласерско бушење се такође може изводити при веома великим брзинама тако да прекомерна оштећења од топлоте не штете материјалу који се обрађује.
Aддитивна производња
Ласерска адитивна производња (АМ) је такође брзо развијена у ваздухопловној индустрији. У овој техници, ласери топе узастопне слојеве праха да би направили облике. Једна ракетна компанија из Калифорније недавно је чак наручила два 12-3Д штампача са ласерским снопом како би своје свемирске мисије учиниле економичнијим и ефикаснијим стварањем лакших, бржих и јачих свемирских компоненти.
Док су многи пројекти још увек у фази тестирања, производња ласерских адитива је већ успешно коришћена у две мисије на Марс. НАСА-ин ровер Цуриосити, који је слетео у августу 2012, био је прва мисија која је донела 3Д штампане делове на Марс. Ово је керамичка компонента унутар инструмента за анализу узорака на Марсу (САМ), део текућег програма тестирања за испитивање поузданости техника адитивне производње.
У међувремену, НАСА-ин ровер Персеверанце, који је слетео на Марс у фебруару 2021. године, садржи 11 металних делова који су адитивно произведени ласерима. Пет од ових компоненти налази се у Планетарном инструменту Персеверанце за рендгенску литохемију (ПИКСЛ), који тражи знакове живота фосилних микроба на Марсу. Ови делови морају бити толико лагани да их традиционалне технике као што су ковање, обликовање и сечење не могу произвести.
НАСА је такође експериментисала са ласерским адитивом за производњу компоненти ракета. У једној студији, комора за сагоревање ракетног мотора је направљена од легуре бакра. Континуирани развој ове производње ласерских адитива резултирао је производњом дела са отприлике упола нижом ценом и за једну шестину времена потребног за традиционалну машинску обраду, спајање и монтажу. Пошто коришћена легура бакра веома рефлектује инфрацрвене ласере, НАСА сада истражује како зелени или плави ласери могу да побољшају ефикасност и продуктивност.
Док је употреба адитивне производње у ваздухопловству још увек у раној фази, очекује се да ће расти у наредних 20 година.
Ласерско текстурирање
Ласерско текстурирање је такође веома нова примена у ваздухопловној индустрији. У овом процесу, ултрабрзи ласери се користе за креирање микро-наноструктура на површини авиона кроз технику која се зове директно ласерско интерференцијално обликовање (ДЛИП), која се користи за стварање природног „лотосовог ефекта“, који ствара наноструктуре које помажу у спречавању површинских контаминације и спречити накупљање леда на авионима.
Иновативна оптика дели моћни ултрабрзи ласерски пулс у неколико делимичних зрака, који се затим комбинују на површини која се обрађује. Када се посматра под микроскопом, резултујућа микроструктура подсећа на микроскопске „хале“ направљене од „стубова“ или набора. Растојање између „стубова“ је око 150нм до 30μм – ова структура значи да капљице воде више не могу да навлаже површину и да се залепе за њу јер немају довољно пријањања за површину.
Предности материјала за авионе укључују повећану отпорност на воду, лед и инсекте. Они се могу залепити за површину авиона и повећати отпор авиона на ветар, чиме се повећава потрошња горива. Примена овог ласерског текстурирања смањила би потребу за токсичним хемијским третманима који се тренутно примењују на површине авиона како би се избегло залеђивање. Познато је да стари и временом постаје склон оштећењу. Штавише, ласерске структуре произведене ДЛИП методом могу трајати годинама без изазивања забринутости за животну средину.
