V posledních letech prošel svět letectví – včetně komerčních a vojenských letadel, satelitů, kosmických lodí, dronů a bezpilotních vzdušných prostředků (UAV) – některými dramatickými změnami. Do vesmírného závodu se zapojuje stále více společností, z nichž mnohé vyžadují inovativní výrobní technologie.
Naproti tomu dopad omezení cestování na komerční letectví způsobený epidemií nové koruny způsobil pokles výroby civilních letadel o třetinu.
V roce 2019 byla Evropa jedním ze světových lídrů ve výrobě civilních letadel a vrtulníků, včetně různých součástí a leteckých motorů, podporovala přibližně 400000 pracovních míst a generovala tržby ve výši 130 miliard eur. Zatímco průzkum vesmíru a obrana zůstaly pandemií z velké části nedotčeny, výroba civilních letadel se stále zotavuje.
V „Uncertainty in Commercial Aerospace“ (Uncertainty in Commercial Aerospace), publikovaném v únoru 2023, McKinsey, známá konzultační a výzkumná společnost, uvedla, že svět potřebuje strávit konstrukci 9 400 osobních letadel (hlavně úzkotrupých proudových letadel). ) do konce roku 2027. letadla) nevyřízených. Existuje však nejistota ohledně budoucího růstu osobní letecké dopravy, zdraví dodavatelských řetězců a pracovní síly. V důsledku toho musí výrobci zvýšit efektivitu a flexibilitu výroby, aby zvládli nedodělky a reagovali na budoucí změny poptávky.
Schopnost laserového zpracování zvýšit produktivitu a udržet nízké náklady může hrát klíčovou roli při umožnění této reakce leteckého průmyslu. Laserové zpracování – operace ve formě řezání, svařování, hloubení a vrtání – se stalo nedílnou součástí letecké výroby.
Lasery se používají například k výrobě vztlakových klapek pro křídla letadel, upevňovacích prvků křídel, částí proudových motorů a částí sedadel a také se používají k opravám turbín, čištění nebo odstraňování nátěrů z dílů a přípravě dílů k dalšímu zpracování. povrch dílu. V posledních letech roste popularita laserové aditivní výroby (AM) také v kosmických letech. Trh navíc doufá ve zlepšení sledovatelnosti leteckých součástí a zvyšují se také požadavky na laserové značení.
Řezání a svařování laserem
Řezání laserem je rychlý, cenově výhodný a přesný proces používaný ke splnění náročných výrobních požadavků v leteckém průmyslu.
Ve srovnání s tradičním zpracováním má laserové řezání vysokou přesnost, menší odpad materiálu, vysokou rychlost zpracování, nízké náklady a menší údržbu zařízení. Navíc maximalizuje produktivitu, protože veškeré potřebné změny při obrábění provádí rychle a snadno.
Lasery lze použít k výrobě dílů upevňovacích prvků křídel, dílů přípravků, dílů koncových efektorů, dílů nástrojů a dalších. Je stejně vhodný pro malé součásti, jako jsou roubovaná olejová těsnění a titanové odvzdušňovací potrubí, stejně jako pro větší součásti, jako jsou výfukové kužely. Může obrábět širokou škálu leteckých materiálů, včetně hliníku, Hastelloy (nikl, který byl legován prvky, jako je molybden a chrom), Inconel, Nitinol, Nitinol, nerezová ocel, tantal a titan.
Laserové svařování se také používá v letectví jako alternativa k tradičním metodám spojování, jako je lepení a mechanické upevnění. Například použití laserového svařování lehkých hliníkových slitin a polymerů vyztužených uhlíkovými vlákny (CFRP) v konstrukci letadel nabývá na síle a všude, kde je to možné, se používá k nahrazení nýtování. Techniky, jako je svařování laserovým tkaním, byly také úspěšné při spojování palivových nádrží, čímž se zlepšila účinnost a pevnost spojů, omezilo se přepracování a ušetřilo se mnoho peněz. Mezi další úspěchy svařování v letectví patří spojení litého jádra turbínové lopatky s krycí deskou; a vytvoření nového typu lehké vztlakové klapky, která zvyšuje regulaci laminárního proudění, minimalizuje odpor vzduchu a optimalizuje spotřebu paliva.
Laserové svařování má potenciál ušetřit náklady, snížit hmotnost součástí a zlepšit kvalitu svaru ve srovnání s tradičními metodami a několik výrobců v současné době zvažuje laserové svařování pro výrobu dílů draků letadel.
Laser čištění
Výrobci v leteckém průmyslu používají laserové čištění k odstranění vrstev kovových a kompozitních povrchů při přípravě na obrábění, k odstranění povlaků nebo koroze a k odstranění barvy z velkých součástí nebo celých letadel před přelakováním.
Během procesu čištění je laser absorbován a odpařován kovovým povrchem, čímž se dosáhne ablace povrchového materiálu, přičemž má malý vliv na materiál vnitřní vrstvy a nezpůsobí náhodné tepelné poškození součástí. Pulzní vláknové lasery v kilowattové třídě jsou zvláště vhodné pro rychlé laserové čištění – umožňují efektivní, vysoce přesné čištění široké škály materiálů včetně keramiky, kompozitů, kovů a plastů.
V posledních letech se používání kompozitních materiálů v letadlech zvýšilo a tím i potřeba spojovat kovy do kompozitních materiálů. V letecké výrobě lze ke spojení těchto dvou odlišných materiálů použít lepidla. Pro vytvoření pevného spojení je třeba oba povrchy před nanesením lepidla pečlivě připravit.
Laserové čištění je ideální, protože vytváří velmi přísně kontrolovanou, reprodukovatelnou povrchovou úpravu, která umožňuje konzistentní a předvídatelné lepení. Tradičně se to provádí pomocí technik destruktivního tryskání nebo aplikací několika chemikálií. Laserové čištění však nyní nabízí jednostupňovou metodu, která je nejen nákladově efektivnější a produktivnější, ale má také nižší dopad na životní prostředí, protože nejsou potřeba žádné toxické chemikálie nebo tryskací materiály. Laserové čištění je také mnohem šetrnější k dílům než tradiční metody.
Laserové čištění kovových a kompozitních částí letadelje také prospěšnější než chemické odstraňování nátěrů nebo tryskání, pokud jde o odstraňování nátěrů. Během své životnosti může být letadlo přelakováno 4-5krát a odstranění nátěru z celého letadla pomocí tradičních technik může trvat týden nebo déle. Naproti tomu laserové čištění může tuto dobu zkrátit na 3-4 dní v závislosti na velikosti letadla a také dělá díly pro pracovníky dostupnější. Kromě toho, pokud je laserové čištění použito spíše k odstraňování nátěrů než k chemickému odstraňování nebo tryskání, nabízí významné úspory nákladů – tisíce liber na letadlo, protože nebezpečný odpad je snížen o přibližně 90 procent nebo více a požadavky na manipulaci s materiálem jsou sníženy.
Laserové peening/laserové šokové peening
Napětí v kovových součástech může vést k únavě kovu v letadlových součástech, jako jsou lopatky ventilátoru v proudových motorech, což může způsobit poškození nebo zranění. To lze zmírnit technikou známou jako laserové peening.
V tomto procesu jsou pulsy laserového světla směrovány do oblasti s vysokou koncentrací napětí a každý puls zažehne malou explozi plazmy mezi povrchem součásti a vrstvou vody rozprášené navrch. Vodní vrstva omezuje explozi, která způsobí, že rázová vlna pronikne komponentou a vytvoří zbytková tlaková napětí, když se její oblast šíření rozšíří. Tato napětí působí proti praskání a dalším formám únavy kovu. Ve srovnání s tradičními procesy může laserové zpevnění prodloužit životnost kovových součástí 10-15krát.
Laserové peening se stále více používá v leteckém průmyslu. Například LSP Technologies a Airbus společně vyvinuly přenosný laserový peening systém, který byl nedávno testován a hodnocen v údržbě a opravách Airbusu ve francouzském Toulouse.
Laserový peening systém Leopard prodlouží únavovou životnost tím, že zabrání iniciaci a šíření trhlin způsobených cyklickým vibračním namáháním. Flexibilita dodávky paprsku z optických vláken a vlastní nástroje umožňují systému laserem osvětlovat oblasti, které jsou pro letadla obtížně dosažitelné. Podle partnerů je systém průlomem v technologii laserového zpevňování, která posune jeho použití, včetně prodloužení životnosti lopatek proudových motorů a dalších.
Středisko připravenosti flotily US Navy East (FRCE) také nedávno dokončilo ověření procesu laserového šokového peeningu, který byl úspěšně použit na letounu F-35B Lightning II. FRCE použila tento proces ke zpevnění rámu F-35B Lightning II bez přidání dalšího materiálu nebo hmotnosti, které by jinak omezovaly jeho schopnosti nést palivo nebo zbraně. To pomáhá prodloužit životnost bojových letounů páté generace, variant s krátkým vzletem a přistáním, které používá americká námořní pěchota.
Laserové vrtání
Moderní letecké motory mají asi 500{1}} otvorů, což je asi 100krát více než motory vyrobené v 80. letech. Výrobci letadel zároveň vyrábějí stále větší množství dalších komponentů, které se vyznačují velkým množstvím vrtaných otvorů pro nýtování a šroubování. V oblasti letectví a kosmonautiky má proto laserové vrtání obrovský tržní potenciál, protože poskytuje přesný, opakovatelný, rychlý a nákladově efektivní proces.
Například jsou vyvíjeny nové vysoce výkonné femtosekundové laserové systémy pro účinné a přesné mikrovrtání velkých titanových panelů HLFC (Hybrid Laminar Flow Control), které mají být namontovány na stabilizátory křídel nebo ocasních ploch. Tyto panely nasávají vzduch malými otvory, což snižuje třecí odpor a snižuje spotřebu paliva.
Vzhledem k tomu, že laserové vrtání je bezkontaktní, není nutné obráběný materiál fixovat stejným způsobem jako u běžných nástrojů. Další výhodou bezkontaktnosti je absence opotřebení nástroje, což představuje zvláštní výhodu při vrtání součástí z CFRP. Díky své tvrdosti mohou být součásti z CFRP pro běžné nástroje velmi abrazivní. Laserové vrtání lze provádět i při velmi vysokých rychlostech, aby nadměrné poškození teplem nepoškodilo zpracovávaný materiál.
Additivní výroba
Laserová aditivní výroba (AM) se také rychle rozvinula v leteckém průmyslu. Při této technice lasery roztaví postupné vrstvy prášku a vytvoří tvary. Kalifornská raketová společnost si nedávno dokonce objednala dvě 12-laserové 3D tiskárny, aby její vesmírné mise byly hospodárnější a efektivnější tím, že vytvářejí lehčí, rychlejší a pevnější vesmírné komponenty.
Zatímco mnoho projektů je stále ve fázi testování, laserová aditivní výroba již byla úspěšně použita na dvou misích na Mars. Rover Curiosity NASA, který přistál v srpnu 2012, byl první misí, která přinesla 3D vytištěné díly na Mars. Jedná se o keramickou součást uvnitř nástroje Sample Analysis at Mars (SAM), který je součástí probíhajícího testovacího programu pro zkoumání spolehlivosti aditivních výrobních technik.
Mezitím vozítko NASA Perseverance, které přistálo na Marsu v únoru 2021, obsahuje 11 kovových částí, které byly aditivně vyrobeny pomocí laserů. Pět z těchto součástí je v planetárním přístroji Perseverance pro rentgenovou lithochemii (PIXL), který hledá známky fosilního mikrobiálního života na Marsu. Tyto díly musí být tak lehké, aby je tradiční techniky jako kování, lisování a řezání nemohly vyrobit.
NASA také experimentuje s laserovou aditivní výrobou součástí raket. V jedné studii byla spalovací komora raketového motoru vyrobena ze slitiny mědi. Pokračující vývoj této laserové aditivní výroby vedl k tomu, že součástka byla vyrobena za zhruba poloviční náklady a za jednu šestinu času potřebného pro tradiční obrábění, spojování a montáž. Vzhledem k tomu, že použitá slitina mědi je vysoce odrazivá pro infračervené lasery, NASA nyní zkoumá, jak mohou zelené nebo modré lasery zlepšit účinnost a produktivitu.
I když je použití aditivní výroby v letectví stále v rané fázi, očekává se, že během příštích 20 let poroste.
Laserové texturování
Laserové texturování je také velmi novou aplikací v leteckém průmyslu. V tomto procesu se používají ultrarychlé lasery k vytvoření mikronanostruktur na povrchu letadla pomocí techniky zvané přímé laserové interferenční vzorování (DLIP), která se používá k vytvoření přirozeného „lotosového efektu“, který vytváří nanostruktury, které pomáhají bránit povrchům. kontaminaci a zabránit hromadění ledu na letadlech.
Inovativní optika rozděluje výkonný ultrarychlý laserový puls do několika dílčích paprsků, které se pak spojují na zpracovávaném povrchu. Při pohledu pod mikroskopem výsledná mikrostruktura připomíná mikroskopické „síně“ vytvořené z „sloupků“ nebo zvlnění. Vzdálenost mezi „sloupy“ je asi 150nm až 30μm – tato struktura znamená, že kapky vody již nemohou smáčet povrch a ulpívat na něm, protože nemají dostatečnou přilnavost k povrchu.
Mezi výhody materiálu pro letadla patří zvýšená odolnost vůči vodě, ledu a hmyzu. Ty se mohou přilepit na povrch letadla a zvýšit odolnost letadla proti větru, a tím zvýšit spotřebu paliva. Použití tohoto laserového texturování by snížilo potřebu toxických chemických úprav, které se v současnosti používají na povrchy letadel, aby se zabránilo námraze. Je známo, že stárne a časem se stává náchylným k poškození. Kromě toho mohou laserové struktury vyrobené metodou DLIP trvat roky, aniž by způsobovaly obavy o životní prostředí.
