În ultimii ani, sectorul aerospațial - inclusiv avioane comerciale și militare, sateliți, nave spațiale, drone și vehicule aeriene fără pilot (UAV) - a suferit câteva schimbări radicale. Un număr tot mai mare de companii s-au alăturat cursei spațiale, dintre care multe necesită tehnologii de producție inovatoare.
În schimb, impactul restricțiilor de călătorie cauzate de pandemie asupra aviației comerciale a condus la o scădere cu o treime a ratelor de producție a aeronavelor civile.
În 2019, Europa a fost unul dintre liderii mondiali în producția de avioane civile și elicoptere (inclusiv diverse componente și motoare de aeronave), oferind aproximativ 400 de locuri de muncă000 și generând venituri de 130 de miliarde EUR. În timp ce explorarea și apărarea spațiului nu sunt în mare parte afectate de pandemia New Crown, producția și producția de avioane civile sunt încă în faza de redresare.
În publicația sa din februarie 2023, Uncertainty in Commercial Aerospace, firma lider de consultanță și cercetare McKinsey raportează că lumea trebuie să absoarbă un stoc de comenzi pentru a construi 9.400 de avioane de pasageri (în principal avioane cu fuste înguste) până la sfârșitul anului 2027. Dar există incertitudine. despre creșterea viitoare a transportului aerian de pasageri, a lanțului de aprovizionare și a solidității forței de muncă. Ca rezultat, producătorii trebuie să îmbunătățească productivitatea și flexibilitatea pentru a gestiona restanța și 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 în industria aerospațială. Prelucrarea cu laser - sub forma operațiunilor de tăiere, sudare, șlefuire și găurire - a devenit o parte integrantă a producției aerospațiale.
De exemplu, laserele sunt utilizate pentru fabricarea flaps-urilor de aripi ale aeronavei, elementele de fixare a aripilor, componentele motoarelor cu reacție și părțile scaunelor, precum și pentru repararea turbinelor, curățarea sau îndepărtarea vopselei de pe piese și pregătirea suprafețelor componentelor pentru prelucrare ulterioară. În ultimii ani, fabricarea aditivă cu laser (AM) a devenit tot mai populară în sectorul zborului aerospațial. În plus, piața dorește să îmbunătățească trasabilitatea componentelor aerospațiale și, odată cu aceasta, cererea de marcare cu laser crește.
Tăiere și sudare cu laser
Tăierea cu laser este un proces rapid, rentabil și precis, care poate fi utilizat pentru a satisface cerințele exigente de producție ale sectorului aerospațial.
În comparație cu prelucrarea tradițională, tăierea cu laser oferă o precizie ridicată, mai puțină risipă de material, viteze mai rapide de procesare, costuri mai mici și mai puțină întreținere a echipamentelor. În plus, productivitatea poate fi maximizată deoarece permite ca orice modificări necesare procesului să fie făcute rapid și ușor.
Laserul poate fi utilizat pentru a produce piese de fixare a aripilor, piese de fixare, piese de efect terminal, piese de scule, etc. Este la fel de potrivit pentru piese mici, cum ar fi garniturile de ulei de grefă și colectoarele de tub pilot din titan, precum și piese mai mari, cum ar fi ca conuri de evacuare. Poate procesa o 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 folosită și 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 producția de avioane sunt din ce în ce mai apreciate și sunt folosite ori de câte ori este posibil pentru a înlocui îmbinările nituite. Tehnologii precum sudarea cu laser swing au avut, de asemenea, succes în conexiunile rezervoarelor de combustibil, îmbunătățind eficiența și rezistența conexiunii, reducând repetarea și oferind economii semnificative de costuri. Alte succese de sudare în domeniul aerospațial includ atașarea miezurilor turnate ale palelor turbinei pe capace; și crearea de noi tipuri de flapsuri ușoare ale aripilor care măresc controlul fluxului laminar, reduc la minimum rezistența și optimizează eficiența combustibilului.
Cu potențialul de economisire a costurilor, reducerea greutății componentelor și calitatea îmbunătățită a sudurii în comparație cu metodele tradiționale, câțiva producători de pe piață iau în considerare și acum sudarea cu laser pentru piesele corpului aeronavei.
Curățare cu laser
Producătorii din sectorul aerospațial folosesc curățarea cu laser pentru a îndepărta straturile de pe suprafețele metalice și compozite în pregătirea pentru prelucrare, pentru a îndepărta acoperirile sau coroziunea și pentru a îndepărta vopseaua de pe părți mari sau pe întregul avion înainte de revopsire.
În timpul procesului de curățare, lumina laser este absorbită și evaporată de stratul de suprafață de metal, rezultând ablația materialului de suprafață cu un efect redus sau deloc asupra stratului interior și nicio deteriorare termică colaterală a componentei. Laserele cu fibră pulsată de clasa kilowați sunt deosebit de potrivite pentru curățarea rapidă cu laser - pot curăța o gamă largă de materiale, inclusiv ceramică, compozite, metale și materiale plastice, cu eficiență și precizie ridicate.
Utilizarea compozitelor în aeronave a crescut în ultimii ani, la fel și nevoia de a îmbina metalele cu compozite. În producția aerospațială, adezivii pot fi folosiți pentru a îmbina aceste două materiale diferite și, pentru a crea o legătură puternică, cele două suprafețe trebuie pregătite cu grijă pentru prelucrare înainte de aplicarea adezivul.
Curățarea cu laser este opțiunea ideală, deoarece creează un efect de suprafață foarte bine controlat, reproductibil, care este capabil să obțină o legătură consistentă și previzibilă. În mod tradițional, acest lucru ar fi realizat prin tehnici distructive de sablare sau prin aplicarea mai multor substanțe chimice. Cu toate acestea, curățarea cu laser oferă acum o abordare într-un singur pas care nu este doar mai rentabilă și productivă, dar are și un impact mult mai scăzut 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 componentelor metalice și compozite ale aeronavei este, de asemenea, mai benefică decât tehnicile de decapare chimică sau de sablare atunci când vine vorba de decaparea vopselei. Pe durata de viață, o aeronavă poate fi revopsită de 4-5 ori și poate dura o săptămână sau mai mult pentru a îndepărta vopseaua de pe o aeronava întreagă folosind tehnici tradiționale. În schimb, curățarea cu laser poate reduce acest timp la 3-4 zile, în funcție de dimensiunea aeronavei și, de asemenea, oferă lucrătorilor un acces mai ușor la piese. În plus, atunci când este utilizată pentru îndepărtarea vopselei, mai degrabă decât pentru decaparea chimică sau sablare, curățarea cu laser poate duce la economii semnificative de costuri - mii de lire sterline per avion - deoarece deșeurile periculoase sunt reduse cu aproximativ 90 la sută sau mai mult și cerințele de manipulare a materialelor sunt reduse.
Sablare cu laser/Glefuire cu laser
Tensiunile din componentele metalice pot duce la defecțiunea prin oboseală a metalului în componentele aeronavei, cum ar fi palele ventilatoarelor din motoarele cu reacție, care pot provoca daune sau răniri. Acest lucru poate fi atenuat printr-o tehnică cunoscută sub numele de peening cu laser.
În acest proces, impulsurile laser sunt direcționate către o zonă cu o concentrație mare de stres și fiecare impuls aprinde o mică explozie de plasmă între suprafața componentei și un strat de apă pulverizat deasupra. Stratul de apă limitează suflarea, 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. Peeningul cu laser poate prelungi durata de viață a pieselor metalice de 10-15 ori în comparație cu procesele convenționale.
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 apariției și expansiunii fisurilor cauzate de solicitările de vibrații ciclice. Flexibilitatea furnizării fasciculului de fibră optică și a instrumentelor personalizate permite sistemului să lasereze zonele greu accesibile ale aeronavei. Potrivit partenerilor, sistemul este o descoperire în tehnologia de peening cu laser și va avansa în utilizarea acestuia, inclusiv extinderea duratei de viață a palelor motoarelor cu reacție, printre altele.
Centrul de pregătire est al flotei marinei americane (FRCE) a finalizat recent validarea unui proces de întărire a impactului cu laser care a fost folosit cu succes pe aeronava F-35B Lightning II. FRCE a folosit procesul pentru a întări cadrul lui F-35B Lightning II fără a adăuga niciun material sau greutate suplimentară care, altfel, i-ar limita capacitatea de transportare a combustibilului sau a armelor. Acest lucru ajută la extinderea speranței de viață a avionului de vânătoare din generația a cincea, versiunea scurtă de decolare și aterizare utilizată de Corpul Marin al SUA.
Foraj cu laser
Motoarele aerodinamice moderne au aproximativ 500 de000 găuri, de aproximativ 100 de ori numărul de motoare construite în anii 1980. În același timp, producătorii de avioane produc din ce în ce mai multe alte componente care au un număr mare de găuri pentru îmbinări nituite și înșurubate. Forarea cu laser are așadar un potențial uriaș de piață în sectorul aerospațial 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 vor fi montate pe aripi sau stabilizatori de coadă. Aceste panouri atrag aer prin orificii mici, reducând astfel rezistența la frecare și scăzând consumul de combustibil.
Image Laserele sunt din ce în ce mai folosite pentru forarea componentelor aeronavelor CFRP
(Credit imagine: Laser Center Hannover)
Deoarece găurirea cu laser este fără contact, materialul prelucrat nu trebuie să fie ținut în același mod ca și când ar fi prelucrat cu unelte convenționale. Un alt avantaj al lipsei de contact este că nu are loc uzura sculei, ceea ce reprezintă un avantaj deosebit în operațiunea de găurire a componentelor CFRP. Datorită durității lor, componentele CFRP pot provoca o uzură foarte mare la uneltele convenționale. Găurirea cu laser poate fi efectuată și la viteze foarte mari, astfel încât deteriorarea excesivă de la căldură să nu dăuneze materialului care este prelucrat.
Fabricare aditivă
Fabricarea aditivă cu laser (AM) câștigă, de asemenea, un impuls rapid în industria aerospațială. În această tehnică, un laser topește straturi continue de pulbere pentru a construi forme. O companie de rachete din California a comandat chiar recent două 12-imprimante 3D cu fascicul laser pentru a-și face misiunile spațiale mai economice și mai eficiente prin crearea unor componente spațiale mai ușoare, mai rapide și mai puternice.
Deși multe proiecte sunt încă în faza de testare, fabricarea aditivă cu laser a fost folosită cu succes în două misiuni pe Marte. Roverul Curiosity al NASA, care a aterizat în august 2012, a fost prima misiune care a transportat piese imprimate 3D pe Marte. Aceasta este o componentă ceramică din interiorul instrumentului Sample Analysis on Mars (SAM), parte a unui program de testare în curs de desfășurare pentru a investiga fiabilitatea tehnologiei de fabricație aditivă.
Între timp, roverul Trailblazer al NASA, care aterizează pe Marte în februarie 2021, conține 11 piese metalice fabricate cu aditivi laser. Cinci dintre părți se află în Instrumentul planetar pentru litochimie cu raze X (PIXL) al Trail, care caută semne de viață fosilă microbiană pe Marte. Aceste piese trebuie să fie atât de ușoare încât să nu poată fi produse prin tehnici tradiționale de forjare, turnare și tăiere.
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 realizată dintr-un aliaj de cupru. Această dezvoltare continuă a producției aditive cu laser a dus la o componentă care poate fi fabricată la aproximativ jumătate din cost și cu o șesime din timpul necesar pentru prelucrarea, îmbinarea și asamblarea tradiționale. Deoarece aliajele de cupru folosite reflectă foarte mult laserele cu infraroșu, 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, se așteaptă ca aceasta să crească în următorii 20 de ani.
Încasări cu laser
Încasarea cu laser este, de asemenea, o aplicație foarte nouă în industria aerospațială. În acest proces, laserele ultrarapide sunt utilizate pentru a crea micro-nanostructuri pe suprafețele aeronavelor printr-o tehnică cunoscută sub numele de modelare interferometrică cu laser direct (DLIP), care este folosită pentru a crea un „efect de lotus” natural, creând nanostructuri care ajută la prevenirea contaminării suprafeței și a gheții. acumulare pe aeronavă.
Optica inovatoare împarte un puternic impuls laser ultrarapid în mai multe fascicule parțiale, care sunt apoi combinate pe suprafața procesată. Când este privită la microscop, microstructura rezultată seamănă cu o „sală” microscopică de „stâlpi” sau ondulații. Distanța dintre „stâlpi” este între aproximativ 150nm și 30µm - o structură care înseamnă că picăturile de apă nu mai udă suprafața și se lipesc de ea deoarece nu au suficientă aderență pe suprafață.
Beneficiile acestui material pentru aeronave includ respingerea sporită a apei, gheții și insectelor. Acestea se pot lipi de suprafața aeronavei și pot crește rezistența aeronavei la vânt, crescând astfel consumul de combustibil. Aplicarea acestei texturi laser va reduce nevoia de tratamente chimice toxice aplicate în prezent pe suprafețele aeronavelor pentru a evita înghețarea. Se știe că se deteriorează în timp și este predispus la deteriorare. În plus, structurile laser produse prin metoda DLIP pot dura câțiva ani și nu provoacă probleme de mediu.
