Останніми роками аерокосмічний світ, включаючи комерційну та військову авіацію, супутники, космічні апарати, дрони та безпілотні літальні апарати (БПЛА), зазнав серйозних змін. Все більше і більше компаній долучаються до космічної гонки, багатьом з яких потрібні інноваційні технології виробництва.
Навпаки, вплив обмежень на подорожі для комерційної авіації, викликаний новою епідемією коронавируса, спричинив зниження темпів виробництва цивільних літаків на третину.
У 2019 році Європа була одним із світових лідерів у виробництві цивільних літаків і гелікоптерів, включаючи різні компоненти та авіаційні двигуни, забезпечуючи близько 400 робочих місць000 і одержуючи дохід у 130 мільярдів євро. Незважаючи на те, що пандемія практично не вплинула на дослідження космосу та захист, виробництво цивільних літаків все ще відновлюється.
У «Невизначеності в комерційному аерокосмічному просторі» (Uncertainty in Commercial Aerospace), опублікованому в лютому 2023 року, відома консалтингова та дослідницька компанія McKinsey повідомила, що світові необхідно переварити будівництво 9400 пасажирських літаків (переважно вузькофюзеляжних). ) до кінця 2027 р. літак) відставання. Але існує невизначеність щодо майбутнього зростання авіапасажиропотоку, здоров’я ланцюгів постачання та робочої сили. У результаті виробникам необхідно підвищити ефективність виробництва та гнучкість, щоб справлятися з відставаннями та реагувати на майбутні зміни попиту.
Здатність лазерної обробки підвищувати продуктивність і підтримувати низькі витрати може зіграти ключову роль у сприянні такій реакції аерокосмічної промисловості. Лазерна обробка – операції у формі різання, зварювання, оброблення та свердління – стали невід’ємною частиною аерокосмічного виробництва.
Наприклад, лазери використовуються для виготовлення закрилків для крил літаків, кріплень крил, деталей реактивних двигунів і деталей сидінь, а також використовуються для ремонту турбін, очищення або видалення фарби з деталей і підготовки деталей до подальшої обробки. поверхня частини. В останні роки лазерне адитивне виробництво (AM) також стало популярним у космічних польотах. Крім того, ринок сподівається покращити відстеження аерокосмічних компонентів, а також зростають вимоги до лазерного маркування.
Лазерне різання та зварювання
Лазерне різання — це швидкий, економічно ефективний і точний процес, який використовується для задоволення високих виробничих вимог аерокосмічної галузі.
У порівнянні з традиційною обробкою лазерне різання має високу точність, менше відходів матеріалу, високу швидкість обробки, низьку вартість і менше обслуговування обладнання. Крім того, він максимізує продуктивність, оскільки робить будь-які необхідні зміни в обробці швидкими та легкими.
Лазери можна використовувати для виготовлення деталей кріплення крил, деталей джига, деталей кінцевих ефекторів, деталей інструментів тощо. Він однаково підходить для невеликих компонентів, таких як щеплені масляні прокладки та колектори випускних каналів з титану, а також для більших компонентів, таких як вихлопні конуси. Він може обробляти широкий спектр аерокосмічних матеріалів, включаючи алюміній, хастеллой (нікель, легований такими елементами, як молібден і хром), інконель, нітинол, нітинол, нержавіючу сталь, тантал і титан.
Лазерне зварювання також використовується в аерокосмічній галузі як альтернатива традиційним методам з’єднання, таким як клейове склеювання та механічне кріплення. Наприклад, використання лазерного зварювання легких алюмінієвих сплавів і полімерів, армованих вуглецевим волокном (CFRP) в авіабудуванні набирає популярності та використовується для заміни клепок, де це можливо. Такі методи, як лазерне плетене зварювання, також успішно з’єднують паливні баки, підвищують ефективність і міцність з’єднань, зменшують кількість повторних робіт і економлять багато грошей. Інші успіхи зварювання в аерокосмічній галузі включають з’єднання литого сердечника лопатки турбіни з кришкою; і створення нового типу легких закрилків, які покращують контроль ламінарного потоку, мінімізують опір і оптимізують економію палива.
Лазерне зварювання має потенціал для економії витрат, зменшення ваги компонентів і покращення якості зварювання порівняно з традиційними методами, і кілька виробників наразі розглядають можливість лазерного зварювання для виробництва деталей планера.
Lочищення aser
Виробники в аерокосмічному секторі використовують лазерне очищення для видалення шарів металевих і композитних поверхонь під час підготовки до механічної обробки, для видалення покриттів або корозії, а також для видалення фарби з великих компонентів або всього літака перед повторним фарбуванням.
Під час процесу очищення лазер поглинається та випаровується металевою поверхнею, таким чином досягаючи абляції матеріалу поверхні, мало впливаючи на матеріал внутрішнього шару та не спричиняючи випадкового термічного пошкодження компонентів. Імпульсні волоконні лазери в кіловатному класі особливо добре підходять для швидкого лазерного очищення - вони забезпечують ефективне, високоточне очищення широкого спектру матеріалів, включаючи кераміку, композити, метали та пластик.
В останні роки використання композиційних матеріалів у літаках зросло, а також потреба з’єднувати метали з композиційними матеріалами. В аерокосмічному виробництві для з’єднання цих двох різнорідних матеріалів можна використовувати клеї. Для створення міцного з’єднання необхідно ретельно підготувати дві поверхні перед нанесенням клею.
Лазерне очищення є ідеальним, оскільки воно створює дуже чітко контрольовану, відтворювану обробку поверхні, яка забезпечує послідовне, передбачуване склеювання. Традиційно це робилося за допомогою руйнівних вибухових робіт або застосування кількох хімічних речовин. Однак тепер лазерне очищення пропонує одноетапний метод, який є не тільки більш економічно ефективним і продуктивним, але також має менший вплив на навколишнє середовище, оскільки не потрібні токсичні хімікати чи вибухові матеріали. Лазерне очищення також набагато дбайливіше до деталей, ніж традиційні методи.
Лазерна чистка металевих та композитних деталей літакатакож є більш корисним, ніж хімічне зняття чи вибухові методи, коли мова йде про зняття фарби. Протягом терміну експлуатації літак можна перефарбовувати 4-5 разів, і для видалення фарби з усього літака традиційними методами може знадобитися тиждень або більше. Натомість лазерне очищення може скоротити цей час до 3-4 днів залежно від розміру літака, а також робить деталі більш доступними для працівників. Крім того, якщо лазерне очищення використовується для видалення фарби, а не для хімічного зняття чи вибухової обробки, це забезпечує значну економію коштів – тисячі фунтів стерлінгів на літак, оскільки небезпечні відходи зменшуються приблизно на 90 відсотків або більше, а також зменшуються вимоги до транспортування матеріалів.
Лазерний пілінг/лазерний ударний пілінг
Напруги в металевих компонентах можуть призвести до втомного руйнування металу в таких компонентах літака, як лопаті вентилятора в реактивних двигунах, що може призвести до пошкодження або травми. Це можна пом’якшити за допомогою техніки, відомої як лазерний пілінг.
У цьому процесі імпульси лазерного світла спрямовуються в зону високої концентрації напруги, і кожен імпульс запалює крихітний вибух плазми між поверхнею компонента та шаром води, розпорошеної зверху. Шар води обмежує вибух, що змушує ударну хвилю проникати в компонент і створювати залишкові напруги стиску в міру розширення області її поширення. Ці напруги протидіють розтріскуванням та іншим формам втоми металу. У порівнянні з традиційними процесами лазерне зміцнення може подовжити термін служби металевих деталей у 10-15 разів.
Лазерне пілінг все частіше використовується в аерокосмічній промисловості. Наприклад, LSP Technologies і Airbus спільно розробили портативну систему лазерного пілінгу, яку нещодавно протестували та оцінили на заводі з технічного обслуговування та ремонту Airbus у Тулузі, Франція.
Система лазерної обробки Leopard подовжить втомний термін служби, перешкоджаючи виникненню та поширенню тріщин, спричинених циклічними вібраційними навантаженнями. Гнучкість доставки оптоволоконного променя та спеціальні інструменти дозволяють системі освітлювати лазером зони, важкодоступні для літака. За словами партнерів, система є проривом у технології лазерного зміцнення, яка покращить її використання, зокрема подовжить термін служби лопатей реактивних двигунів тощо.
Східний центр готовності флоту ВМС США (FRCE) також нещодавно завершив валідацію процесу лазерної ударної обробки, який успішно застосовувався на літаках F-35B Lightning II. FRCE використала цей процес для зміцнення рами F-35B Lightning II без додавання будь-яких додаткових матеріалів або ваги, які інакше обмежували б його паливо чи можливості транспортування зброї. Це допомагає продовжити термін служби винищувачів п’ятого покоління, варіантів короткого зльоту та посадки, які використовуються Корпусом морської піхоти США.
Laser буріння
Сучасні авіаційні двигуни мають близько 500000 отворів, приблизно в 100 разів більше, ніж у двигунах, виготовлених у 1980-х роках. У той же час виробники літаків виробляють все більше інших компонентів, які мають велику кількість просвердлених отворів для заклепок і заклепок. Тому в аерокосмічній галузі лазерне свердління має величезний ринковий потенціал, оскільки забезпечує точний, повторюваний, швидкий і економічно ефективний процес.
Наприклад, розробляються нові високопотужні фемтосекундні лазерні системи для ефективного та точного мікросвердління великих титанових панелей HLFC (Hybrid Laminar Flow Control), які монтуються на стабілізаторах крила або оперення. Ці панелі втягують повітря через маленькі отвори, що зменшує опір тертя та споживання палива.
Оскільки лазерне свердління є безконтактним, матеріал, що обробляється, не потребує фіксації таким же чином, як це відбувається за допомогою звичайних інструментів. Ще однією перевагою безконтактності є відсутність зносу інструменту, що є особливою перевагою при свердлінні компонентів CFRP. Завдяки своїй твердості компоненти CFRP можуть бути дуже абразивними для звичайних інструментів. Лазерне свердління також можна виконувати на дуже високих швидкостях, щоб надмірні пошкодження від тепла не зашкодили матеріалу, що обробляється.
Aдитивне виробництво
Лазерне адитивне виробництво (AM) також швидко розвивається в аерокосмічній промисловості. У цій техніці лазери розплавляють послідовні шари порошку для створення форм. Каліфорнійська ракетна компанія нещодавно навіть замовила два 12-лазерні 3D-принтери, щоб зробити свої космічні місії більш економними та ефективними, створюючи легші, швидші та міцніші космічні компоненти.
Хоча багато проектів все ще знаходяться на стадії випробувань, лазерне адитивне виробництво вже успішно використовувалося в двох місіях на Марс. Марсохід NASA Curiosity, який приземлився в серпні 2012 року, став першою місією, яка доставила на Марс надруковані на 3D-принтері деталі. Це керамічний компонент всередині приладу Sample Analysis at Mars (SAM), який є частиною поточної програми тестування для дослідження надійності методів адитивного виробництва.
Тим часом марсохід NASA Perseverance, який приземлився на Марс у лютому 2021 року, містить 11 металевих частин, які були додатково виготовлені за допомогою лазерів. П'ять із цих компонентів знаходяться в Планетному інструменті для рентгенівської літохімії Perseverance (PIXL), який шукає ознаки викопного мікробного життя на Марсі. Ці деталі мають бути настільки легкими, щоб традиційні методи, такі як кування, формування та різання, не могли їх виготовити.
NASA також експериментує з лазерним адитивним виробництвом компонентів ракет. В одному дослідженні камера згоряння ракетного двигуна була виготовлена з мідного сплаву. Постійний розвиток цього лазерного адитивного виробництва призвів до того, що деталь виготовляється приблизно вдвічі дешевше та в одну шосту часу, необхідного для традиційної обробки, з’єднання та складання. Оскільки використовуваний мідний сплав має високу відбивну здатність для інфрачервоних лазерів, NASA зараз досліджує, як зелений або синій лазери можуть підвищити ефективність і продуктивність.
Хоча використання адитивного виробництва в аерокосмічній галузі все ще знаходиться на ранніх стадіях, очікується, що воно буде зростати протягом наступних 20 років.
Лазерне текстурування
Лазерне текстурування також є дуже новим застосуванням в аерокосмічній промисловості. У цьому процесі надшвидкісні лазери використовуються для створення мікронаноструктур на поверхні літака за допомогою техніки, що називається моделювання прямої лазерної інтерференції (DLIP), яка використовується для створення природного «ефекту лотоса», який створює наноструктури, які допомагають запобігти поверхні забруднення та запобігання утворенню льоду на літаках.
Інноваційна оптика розділяє потужний надшвидкий лазерний імпульс на кілька часткових променів, які потім об’єднуються на поверхні, що підлягає обробці. При розгляді під мікроскопом отримана мікроструктура нагадує мікроскопічні «зали», складені зі «стовпів» або гофр. Відстань між «стовпами» становить приблизно від 150 нм до 30 мкм — така структура означає, що краплі води більше не можуть змочувати поверхню та прилипати до неї, оскільки вони не мають достатнього зчеплення з поверхнею.
Переваги матеріалу для літаків включають підвищений захист від води, льоду та комах. Вони можуть прилипати до поверхні літака та збільшувати опір літака вітру, тим самим збільшуючи споживання палива. Застосування цього лазерного текстурування зменшить потребу в обробці токсичними хімікатами, які зараз застосовуються до поверхонь літаків, щоб уникнути обледеніння. Відомо, що з часом він старіє та стає схильним до пошкоджень. Крім того, лазерні конструкції, виготовлені за допомогою методу DLIP, можуть служити роками, не завдаючи шкоди навколишньому середовищу.
