В последние годы аэрокосмический сектор, включая коммерческие и военные самолеты, спутники, космические аппараты, дроны и беспилотные летательные аппараты (БПЛА), претерпел радикальные изменения. К космической гонке присоединилось все больше компаний, многие из которых требуют инновационных производственных технологий.
Напротив, влияние ограничений на поездки, вызванных пандемией, на коммерческую авиацию привело к снижению темпов производства гражданских самолетов на одну треть.
В 2019 году Европа была одним из мировых лидеров в производстве гражданских самолетов и вертолетов (включая различные компоненты и авиационные двигатели), создав около 400000 рабочих мест и получив доход в размере 130 миллиардов евро. В то время как исследование космоса и оборона в значительной степени не затронуты пандемией New Crown, производство гражданских самолетов все еще находится в стадии восстановления.
В своей публикации Uncertainty in Commercial Aerospace за февраль 2023 года ведущая консалтинговая и исследовательская фирма McKinsey сообщает, что к концу 2027 года миру необходимо справиться с невыполненными заказами на строительство 9400 пассажирских самолетов (в основном узкофюзеляжных). о будущем росте пассажирских авиаперевозок, цепочке поставок и надежности рабочей силы. В результате производителям необходимо повысить производительность и гибкость, чтобы справиться с отставанием и реагировать на будущие изменения спроса.
Способность лазерной обработки повысить производительность и снизить затраты может сыграть ключевую роль в обеспечении такого ответа в аэрокосмической отрасли. Лазерная обработка в виде операций резки, сварки, дробеструйной обработки и сверления стала неотъемлемой частью аэрокосмического производства.
Например, лазеры используются для изготовления подкрылков самолетов, креплений крыла, компонентов реактивных двигателей и деталей сидений, а также для ремонта турбин, очистки или удаления краски с деталей и подготовки поверхностей деталей к дальнейшей обработке. В последние годы лазерное аддитивное производство (AM) также становится все более популярным в секторе аэрокосмических полетов. Кроме того, рынок хочет улучшить отслеживаемость компонентов аэрокосмической отрасли, и вместе с этим растет спрос на лазерную маркировку.
Лазерная резка и сварка
Лазерная резка — это быстрый, экономичный и точный процесс, который можно использовать для удовлетворения жестких производственных требований аэрокосмической отрасли.
По сравнению с традиционной обработкой лазерная резка обеспечивает более высокую точность, меньше отходов материала, более высокую скорость обработки, более низкие затраты и меньшее обслуживание оборудования. Кроме того, можно максимизировать производительность, поскольку это позволяет быстро и легко вносить любые необходимые изменения в процесс.
Лазер можно использовать для изготовления деталей крепежных деталей крыла, деталей приспособлений, деталей концевого рабочего органа, деталей инструментов и т. д. Он одинаково подходит для мелких деталей, таких как прокладки для графтового масла и титановые направляющие трубки, а также для более крупных деталей, таких как как выхлопные конусы. Он может обрабатывать различные аэрокосмические материалы, включая алюминий, хастеллой (никель, легированный такими элементами, как молибден и хром), инконель, нитинол, нитинол, нержавеющую сталь, тантал и титан.
Лазерная сварка также используется в аэрокосмической отрасли в качестве альтернативы традиционным методам соединения, таким как склеивание и механическое крепление. Например, использование лазерной сварки легких алюминиевых сплавов и полимеров, армированных углеродным волокном (CFRP), в авиастроении становится все более ценным и используется везде, где это возможно, для замены заклепочных соединений. Такие технологии, как лазерная поворотная сварка, также оказались успешными в соединениях топливных баков, повысив эффективность и прочность соединения, сократив количество переделок и обеспечив значительную экономию средств. Другие успехи сварки в аэрокосмической отрасли включают присоединение литых сердечников лопаток турбин к крышкам; и создание новых типов легких закрылков, которые улучшают управление ламинарным потоком, минимизируют сопротивление и оптимизируют топливную экономичность.
Имея потенциал для экономии средств, снижения веса компонентов и улучшения качества сварки по сравнению с традиционными методами, несколько производителей на рынке даже сейчас рассматривают возможность лазерной сварки деталей планера.
Лазерная чистка
Производители в аэрокосмической отрасли используют лазерную очистку для удаления слоев с металлических и композитных поверхностей при подготовке к механической обработке, для удаления покрытий или коррозии, а также для удаления краски с крупных деталей или всего самолета перед перекраской.
В процессе очистки лазерный свет поглощается и испаряется поверхностным слоем металла, что приводит к абляции поверхностного материала практически без воздействия на внутренний слой и без сопутствующего термического повреждения компонента. Импульсные волоконные лазеры киловаттного класса особенно хорошо подходят для быстрой лазерной очистки — они могут очищать широкий спектр материалов, включая керамику, композиты, металлы и пластмассы, с высокой эффективностью и точностью.
Использование композитов в самолетах в последние годы увеличилось, как и потребность в соединении металлов с композитами. В аэрокосмическом производстве для соединения этих двух различных материалов могут использоваться клеи, и для создания прочного соединения обе поверхности должны быть тщательно подготовлены к обработке перед нанесением клея.
Лазерная очистка является идеальным вариантом, поскольку она создает очень точно контролируемый воспроизводимый поверхностный эффект, способный обеспечить стабильное и предсказуемое соединение. Традиционно это достигается с помощью разрушительных взрывных работ или применения нескольких химикатов. Тем не менее, лазерная очистка теперь предлагает одноэтапный подход, который не только более экономичен и производительен, но и оказывает гораздо меньшее воздействие на окружающую среду, поскольку не требуются токсичные химикаты или взрывчатые материалы. Лазерная очистка также намного бережнее относится к деталям, чем традиционные методы.
Лазерная очистка металлических и композитных компонентов самолета также более выгодна, чем химическая или пескоструйная очистка, когда речь идет об удалении краски. В течение срока службы самолет можно перекрашивать 4-5 раз, а удаление краски со всего самолета с использованием традиционных методов может занять неделю или больше. Напротив, лазерная очистка может сократить это время до 3-4 дней, в зависимости от размера самолета, а также облегчает доступ рабочих к деталям. Кроме того, лазерная очистка, используемая для удаления краски вместо химической зачистки или пескоструйной обработки, может привести к значительной экономии средств — тысячи фунтов стерлингов на самолет — поскольку количество опасных отходов сокращается примерно на 90 и более процентов, а требования к обработке материалов снижаются.
Лазерная струйная обработка/лазерная ударная обработка
Напряжения в металлических компонентах могут привести к усталостному разрушению металла в компонентах самолета, таких как лопасти вентилятора в реактивных двигателях, что потенциально может привести к повреждению или травме. Это можно смягчить с помощью метода, известного как лазерная наплавка.
В этом процессе лазерные импульсы направляются в область с высокой концентрацией напряжений, и каждый импульс зажигает крошечный плазменный взрыв между поверхностью компонента и слоем воды, распыляемым сверху. Слой воды удерживает взрывную волну, в результате чего ударная волна проникает в деталь и создает сжимающие остаточные напряжения по мере расширения области ее распространения. Эти напряжения противодействуют растрескиванию и другим формам усталости металла. Лазерное упрочнение может увеличить срок службы металлических деталей в 10-15 раз по сравнению с обычными процессами.
Лазерное упрочнение все чаще используется в аэрокосмической промышленности. Например, компании LSP Technologies и Airbus совместно разработали портативную систему лазерной обработки, которая недавно была протестирована и оценена на предприятии по техническому обслуживанию и ремонту Airbus в Тулузе, Франция.
Система лазерной упрочняющей обработки Leopard продлевает усталостную долговечность, препятствуя возникновению и расширению трещин, вызванных циклическими вибрационными нагрузками. Гибкость доставки волоконно-оптического луча и специальные инструменты позволяют системе лазерировать труднодоступные области самолета. По словам партнеров, эта система является прорывом в технологии лазерной обработки и будет способствовать ее использованию, в том числе, среди прочего, для продления срока службы лопаток реактивных двигателей.
Восточный центр готовности флота ВМС США (FRCE) также недавно завершил проверку процесса усиления лазерного удара, который был успешно использован на самолете F-35B Lightning II. Компания FRCE использовала этот процесс для усиления рамы F-35B Lightning II без добавления каких-либо дополнительных материалов или веса, которые в противном случае ограничивали бы его топливную или оружейную способность. Это помогает продлить срок службы истребителя пятого поколения, версии с укороченным взлетом и посадкой, используемой Корпусом морской пехоты США.
Лазерное сверление
В современных авиационных двигателях около 500 000 отверстий, что примерно в 100 раз превышает количество двигателей, выпущенных в 1980-х годах. В то же время авиастроители выпускают все больше других компонентов, имеющих большое количество просверленных отверстий под заклепочные и резьбовые соединения. Таким образом, лазерное сверление имеет огромный рыночный потенциал в аэрокосмическом секторе, поскольку оно предлагает точный, воспроизводимый, быстрый и экономичный процесс.
Например, разрабатываются новые мощные фемтосекундные лазерные системы для эффективного и точного микросверления больших титановых панелей HLFC (Hybrid Laminar Flow Control), которые будут установлены на стабилизаторах крыла или хвостового оперения. Эти панели пропускают воздух через небольшие отверстия, тем самым уменьшая сопротивление трения и снижая расход топлива.
Image Лазеры все чаще используются для сверления деталей самолетов из углепластика.
(Изображение предоставлено: Laser Center Hannover)
Поскольку лазерное сверление является бесконтактным, обрабатываемый материал не нужно удерживать так же, как если бы он обрабатывался обычными инструментами. Еще одним преимуществом бесконтактности является то, что не происходит износа инструмента, что представляет особое преимущество при сверлении деталей из углепластика. Из-за своей твердости компоненты из углепластика могут вызывать очень высокий износ обычных инструментов. Лазерное сверление также может выполняться на очень высоких скоростях, чтобы чрезмерное тепловое воздействие не наносило вреда обрабатываемому материалу.
Производство добавок
Лазерное аддитивное производство (AM) также набирает обороты в аэрокосмической промышленности. В этой технике лазер плавит непрерывные слои порошка для создания форм. Калифорнийская ракетная компания даже недавно заказала два 12-лазерных 3D-принтера, чтобы сделать свои космические миссии более экономичными и эффективными за счет создания более легких, быстрых и прочных космических компонентов.
Хотя многие проекты все еще находятся на стадии испытаний, лазерное аддитивное производство успешно использовалось в двух марсианских миссиях. Марсоход НАСА Curiosity, приземлившийся в августе 2012 года, стал первой миссией, которая доставила на Марс 3D-печатные детали. Это керамический компонент внутри прибора для анализа образцов на Марсе (SAM), часть текущей программы испытаний для изучения надежности технологии аддитивного производства.
Между тем, марсоход НАСА Trailblazer, который приземлится на Марсе в феврале 2021 года, содержит 11 металлических деталей, изготовленных с помощью лазерных добавок. Пять частей находятся в Планетарном приборе Trail для рентгеновской литохимии (PIXL), который ищет признаки микробной ископаемой жизни на Марсе. Эти детали должны быть настолько легкими, чтобы их нельзя было изготовить традиционными методами ковки, литья и резки.
НАСА также экспериментирует с лазерным аддитивным производством компонентов ракет. В одном исследовании камера сгорания ракетного двигателя была изготовлена из медного сплава. Это продолжающееся развитие лазерного аддитивного производства привело к созданию компонента, который можно изготовить примерно вдвое дешевле и в шесть раз быстрее, чем при традиционной механической обработке, соединении и сборке. Поскольку используемые медные сплавы хорошо отражают инфракрасные лазеры, НАСА в настоящее время исследует, как зеленые или синие лазеры могут повысить эффективность и производительность.
Хотя использование аддитивного производства в аэрокосмической отрасли все еще находится на начальной стадии, ожидается, что в ближайшие 20 лет оно будет расти.
Лазерный кассовый сбор
Лазерный валовой сбор также является очень новым приложением в аэрокосмической промышленности. В этом процессе сверхбыстрые лазеры используются для создания микронаноструктур на поверхности самолета с помощью метода, известного как прямое лазерное интерферометрическое моделирование (DLIP), который используется для создания естественного «эффекта лотоса», создавая наноструктуры, которые помогают предотвратить загрязнение поверхности и образование льда. накопление на самолете.
Инновационная оптика разделяет мощный сверхбыстрый лазерный импульс на несколько парциальных лучей, которые затем объединяются на обрабатываемой поверхности. При рассмотрении под микроскопом полученная микроструктура напоминает микроскопический «зал» из «столбов» или ряби. Расстояние между «столбами» составляет от 150 нм до 30 мкм — структура, которая означает, что капли воды больше не смачивают поверхность и не прилипают к ней, потому что они не имеют достаточного сцепления с поверхностью.
Преимущества этого материала для самолетов включают повышенное отталкивание воды, льда и насекомых. Они могут прилипать к поверхности самолета и повышать сопротивляемость самолета ветру, что увеличивает расход топлива. Применение этой лазерной текстуры уменьшит потребность в токсичной химической обработке, применяемой в настоящее время к поверхностям самолетов, чтобы избежать обледенения. Известно, что со временем он портится и подвержен повреждениям. Кроме того, лазерные конструкции, изготовленные методом DLIP, могут служить несколько лет и не вызывают экологических проблем.
