Sectorul aerospațial - inclusiv comercial și satelit, nave spațiale, drone și vehicule aeriene fără pilot (UAV) - a suferit câteva schimbări radicale în ultimii ani. Tot mai multe companii se alătură cursei spațiale și multe dintre ele au nevoie de tehnici de fabricație inovatoare.
Capacitatea procesării cu laser de a crește productivitatea și de a menține costurile scăzute poate juca un rol cheie în realizarea acestui răspuns din partea industriei aerospațiale. Prelucrarea cu laser - care realizează operațiuni sub formă de tăiere, sudare, sablare și forare - a devenit o parte integrantă a producției aerospațiale.
De exemplu, laserele sunt folosite pentru a fabrica flaps, elemente de fixare a aripilor, componente pentru motoare cu reacție și piese de scaun pentru aripile de avion, 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 câștigat popularitate și în sectorul zborurilor spațiale. În plus, piața caută 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 îndeplini cerințele exigente de producție ale sectorului aerospațial.
În comparație cu prelucrarea convențională, 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, maximizează productivitatea deoarece este rapid și ușor să faci orice modificări necesare la prelucrare.
Laserul poate fi folosit pentru a produce piese de fixare a aripilor, piese de fixare, piese de efect terminal, piese de scule și multe altele. Este la fel de potrivit pentru piese mai mici, cum ar fi garniturile de ulei altoite și colectoarele din titan pentru tub pilot, precum și piese mai mari, cum ar fi conurile de evacuare. Poate procesa 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 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 fabricarea aeronavelor sunt materiale care câștigă în importanță și sunt folosite pentru a înlocui nituirea ori de câte ori este posibil. Tehnici precum sudarea cu pendul cu laser au avut, de asemenea, succes în îmbinarea rezervoarelor de combustibil, îmbunătățind eficiența și rezistența îmbinărilor, reducând reprelucrarea 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.
Având potențialul de economisire a costurilor, reducerea greutății părților și calitatea îmbunătățită a sudurii față de metodele tradiționale, câțiva producători de pe piață încep chiar să ia în considerare 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 din avioane întregi înainte de revopsire.
În timpul procesului de curățare, lumina laser este absorbită și evaporată de straturile de suprafață ale metalului, rezultând ablația materialului de suprafață cu un efect redus sau deloc asupra straturilor interioare și fără daune termice colaterale ale componentei. Laserele cu fibră pulsată din clasa kilowați sunt deosebit de potrivite pentru curățarea rapidă cu laser - permit curățarea eficientă, de înaltă precizie a unei game largi de materiale, inclusiv ceramică, compozite, metale și materiale plastice.
Utilizarea compozitelor în aeronave a crescut în ultimii ani, la fel și nevoia de a atașa metale la compozite. În producția aerospațială, adezivii pot fi folosiți pentru a îmbina aceste două materiale diferite și, pentru a crea o legătură puternică, ambele suprafețe trebuie pregătite cu grijă pentru prelucrare înainte de aplicarea adezivul.
Curățarea cu laser este opțiunea ideală, deoarece creează un finisaj de suprafață foarte bine controlat, replicabil, 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 mai mic asupra mediului, deoarece nu sunt necesare substanțe chimice toxice sau materiale de sablare. Impactul curățării cu laser asupra pieselor este, de asemenea, mult mai blând decât metodele tradiționale.
Curățarea cu laser a pieselor metalice și compozite de aeronave este, de asemenea, mai favorabilă decât tehnicile de decapare chimică sau sablare atunci când vine vorba de decapare. O aeronavă poate fi revopsită de 4-5 ori pe parcursul vieții sale și poate dura o săptămână sau mai mult pentru a îndepărta vopseaua de pe o întreagă aeronavă folosind tehnici tradiționale. În schimb, în funcție de dimensiunea aeronavei, curățarea cu laser poate reduce acest timp la 3-4 zile și, de asemenea, facilitează accesul lucrătorilor la piese. În plus, atunci când este utilizată pentru îndepărtarea vopselei, mai degrabă decât pentru decapare chimică sau sablare, curățarea cu laser poate duce la economii semnificative de costuri - mii de lire sterline per avion - datorită reducerii deșeurilor periculoase de aproximativ 90% sau mai mult și reducerii cerințelor de manipulare a materialelor.
Peening cu laser/Sparare cu laser
Tensiunile din componentele metalice pot duce la defecțiunea prin oboseală metalică a componentelor aeronavei (cum ar fi palele ventilatorului de la motoarele cu reacție), care are potențialul de a provoca daune sau vătămări. Acest lucru poate fi atenuat printr-o tehnică cunoscută sub numele de peening cu laser.
În acest proces, impulsurile 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 creează tensiuni reziduale de compresiune pe măsură ce regiunea sa de propagare se extinde. Aceste tensiuni îmbunătățesc probabilitatea de fisurare și a altor forme de rezistență la oboseală a metalelor. Peeningul cu laser poate prelungi durata de viață a pieselor metalice cu un factor de 10-15 în comparație cu procesele convenționale.
Sablarea cu laser este din ce în ce mai utilizată 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 stresul de vibrație ciclică. Flexibilitatea furnizării fasciculului cu fibră optică și a instrumentelor personalizate permit sistemului să transmită zonele cu fascicul laser greu de atins de către aeronave. Potrivit partenerilor, sistemul este o descoperire în tehnologia de peening cu laser, care va avansa în utilizarea acestuia, inclusiv prelungirea duratei de viață a palelor motoarelor cu reacție, printre altele.
Foraj cu laser
Motoarele aeriene 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 au un număr mare de găuri forate pentru îmbinări nituite și înșurubate. În sectorul aerospațial, așadar, forarea cu laser are un potențial mare 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 vor fi montate pe aripi sau stabilizatori de coadă. Aceste panouri atrag aer prin orificii mici, ceea ce reduce rezistența la frecare și scade consumul de combustibil.
Deoarece găurirea cu laser este fără contact, materialul care este prelucrat nu trebuie să fie fixat în același mod ca și când ar fi prelucrat cu unelte convenționale. Un alt avantaj de a fi fără 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 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 care este prelucrat.
Fabricare aditivă
Producția de aditivi cu laser (AM) este, de asemenea, în creștere rapidă în industria aerospațială. În această tehnică, un laser topește straturi succesive 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 face misiunile sale spațiale mai rentabile și mai eficiente prin crearea de componente spațiale mai ușoare, mai rapide și mai puternice.
Deși multe dintre aceste 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 pe Marte care a transportat piese imprimate 3D. Aceasta este o componentă ceramică din cadrul instrumentului Sample Analysis for Mars (SAM), parte a unui program de testare în curs pentru a investiga fiabilitatea tehnologiei de fabricație aditivă.
Cameră de ardere bimetală construită de NASA cu garnituri GRCop-42 L-PBF și înveliș Nasa HR-1 LP-DED
Între timp, roverul Perseverance al NASA, care a aterizat pe Marte în februarie 2021, conține 11 piese metalice fabricate cu aditivi laser. Cinci dintre aceste părți se află în Instrumentul planetar pentru petrochimie cu raze X (PIXL) al lui Perseverance, care caută semne de viață fosilă microbiană pe Marte. Aceste piese trebuie să fie atât de ușoare încât să nu poată fi produse folosind tehnici tradiționale de forjare, turnare și tăiere.
NASA a experimentat, de asemenea, utilizarea producției aditive cu laser pentru componentele 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 într-o șesime din timpul necesar pentru prelucrarea, îmbinarea și asamblarea convenționale. 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 aplicațiile de fabricație aditivă în domeniul aerospațial sunt în prezent în stadii incipiente, se așteaptă ca acestea să crească în următorii 20 de ani.
Laser Grossing
Încasarea cu laser este, de asemenea, o aplicație foarte nouă în industria aerospațială. În acest proces, laserele ultrarapide sunt utilizate pentru a crea micro- și nanostructuri pe suprafețele aeronavei printr-o tehnică cunoscută sub numele de modelare directă a interferenței cu laser (DLIP), care este utilizată pentru a crea un „efect de lotus” natural care creează nanostructuri care ajută la prevenirea contaminării suprafeței, ca precum și acumularea de gheață pe aeronavă.
Optica inovatoare împarte un puternic impuls laser ultrarapid în mai multe fascicule parțiale, care sunt apoi combinate pe suprafața procesată. Când sunt privite la microscop, microstructurile rezultate seamănă cu „holuri” microscopice de „stâlpi” sau ondulații. Distanța dintre „stâlpi” este între aproximativ 150 nm și 30 μm – această structură înseamnă că picăturile de apă nu mai udă suprafața și se lipesc de ea pentru că nu au suficientă aderență pe suprafață.
Beneficiile acestui material pentru aeronave includ respingerea crescută a apei, gheții și 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 în timp și este susceptibilă la deteriorare. Mai mult, structurile laser produse prin metoda DLIP pot dura ani de zile și nu cauzează probleme de mediu.
Inspecția cu laser și reglarea stresului
Pe lângă funcțiile de mai sus, combinația de laser și ultrasunete poate fi utilizată pentru inspecția și reglarea tensiunilor componentelor structurale metalice complexe. Utilizarea acțiunii laser pulsate de înaltă energie pe suprafața obiectului care urmează să fie testat, suprafața temperaturii locale se modifică, ceea ce face ca obiectul să fie testat în stratul de suprafață de expansiune termică, excitarea ultrasunetelor, ultrasunetele vor transporta suprafata materialului si informatiile interne utile, semnalele ultrasunete cu detector de primit, prelucrarea datelor si analiza obiectului de examinat pentru a determina prezenta sau absenta defectelor.
În plus, datorită ultrasunetelor laser au o rezoluție temporală și spațială ridicată, poate produce o formă de undă bogată, lățime de bandă largă a ultrasunetelor etc., după comutare și ajustarea parametrilor de excitare laser, ultrasunetele laser poate fi în părțile oricărei părți desemnate pentru a elimina toate tensiunile de tracțiune, în cazul nedistrugerii integrității suprafeței, fără încălzire, formarea unei anumite grosimi a stratului armat la efort de compresiune. De asemenea, este posibilă reglarea valorii tensiunii la intervalul de cerințe de proiectare, ceea ce poate optimiza în mod semnificativ rezistența la oboseală și la fisurare a poziției locale.
