Аэрокосмический сектор, включая коммерческие и спутниковые, космические аппараты, дроны и беспилотные летательные аппараты (БПЛА), за последние годы претерпел некоторые радикальные изменения. Все больше и больше компаний присоединяются к космической гонке, и многие из них нуждаются в инновационных технологиях производства.
Способность лазерной обработки повысить производительность и снизить затраты может сыграть ключевую роль в реализации этой реакции со стороны аэрокосмической промышленности. Лазерная обработка, реализующая операции в виде резки, сварки, струйной обработки и сверления, стала неотъемлемой частью аэрокосмического производства.
Например, лазеры используются для изготовления закрылков, креплений крыльев, деталей реактивных двигателей и деталей сидений крыльев самолетов, а также для ремонта турбин, очистки или удаления краски с деталей, подготовки поверхностей деталей к дальнейшей обработке. В последние годы лазерное аддитивное производство (АП) также приобрело популярность в секторе космических полетов. Кроме того, рынок стремится 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 строгих производственных требований аэрокосмического сектора.
По сравнению с традиционной обработкой лазерная резка обеспечивает высокую точность, меньше отходов материала, более высокую скорость обработки, более низкие затраты и меньшее обслуживание оборудования. Кроме того, это максимизирует производительность, поскольку позволяет быстро и легко вносить любые необходимые изменения в обработку.
Лазер можно использовать для изготовления деталей крепежа крыльев, крепежных деталей, деталей рабочих органов, деталей инструментов и многого другого. Он в равной степени подходит для небольших деталей, таких как привитые масляные прокладки и титановые коллекторы пилотных трубок, а также для более крупных деталей, таких как выхлопные конусы. Он может обрабатывать широкий спектр аэрокосмических материалов, 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 промышленности в качестве альтернативы традиционным методам соединения, таким как клеевое соединение и механическое крепление. Например, использование лазерной сварки легких алюминиевых сплавов и полимеров, армированных углеродным волокном (CFRP), в авиастроении — это материалы, которые приобретают все большее значение и используются для замены клепки там, где это возможно. Такие методы, как лазерная маятниковая сварка, также оказались успешными при соединении топливных баков, повышая эффективность и прочность соединений, сокращая количество доработок и обеспечивая значительную экономию средств. Другие успехи сварки в аэрокосмической отрасли включают крепление литых сердечников турбинных лопаток к крышкам; и создание новых типов легких закрылков, которые улучшают управление ламинарным потоком, минимизируют сопротивление и оптимизируют топливную экономичность.
Имея потенциал экономии затрат, снижения веса деталей и улучшения качества сварки по сравнению с традиционными методами, некоторые производители на рынке сегодня даже начинают рассматривать возможность лазерной сварки деталей планера.
Лазерная чистка
Производители аэрокосмической отрасли используют лазерную очистку для удаления слоев с металлических и композитных поверхностей при подготовке к обработке, для удаления покрытий или коррозии, а также для удаления краски с крупных компонентов или всего самолета перед перекраской.
В процессе очистки лазерный свет поглощается и испаряется поверхностными слоями металла, что приводит к абляции поверхностного материала с незначительным воздействием или вообще без воздействия на внутренние слои и без побочного термического повреждения компонента. Импульсные волоконные лазеры киловаттного класса особенно хорошо подходят для быстрой лазерной очистки — они позволяют эффективно и высокоточно очищать широкий спектр материалов, включая керамику, композиты, металлы и пластмассы.
В последние годы использование композитов в самолетах возросло, равно как и потребность в соединении металлов с композитами. В аэрокосмической промышленности для соединения этих двух разных материалов можно использовать клеи, и для создания прочного соединения обе поверхности должны быть тщательно подготовлены к механической обработке перед нанесением клея.
Лазерная очистка является идеальным вариантом, поскольку она создает очень тщательно контролируемую, воспроизводимую поверхность, способную обеспечить стабильное и предсказуемое соединение. Традиционно это достигается с помощью взрывных работ или применения нескольких химикатов. Однако теперь лазерная очистка представляет собой одноэтапный подход, который не только более экономичен и продуктивен, но и оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, поскольку не требуется никаких токсичных химикатов или абразивных материалов. Воздействие лазерной очистки на детали также гораздо мягче, чем традиционные методы.
Лазерная очистка металлических и композитных деталей самолетов также более выгодна, чем химическая очистка или пескоструйная очистка, когда дело касается удаления краски. Самолет можно перекрашивать 4-5 раз в течение срока его службы, а удаление краски со всего самолета традиционными методами может занять неделю или больше. Напротив, в зависимости от размера самолета лазерная очистка может сократить это время до 3-4 дней, а также облегчает доступ рабочих к деталям. Кроме того, при использовании для удаления краски, а не химической очистки или струйной очистки, лазерная очистка может привести к значительной экономии средств - тысячи фунтов на самолет - благодаря сокращению количества опасных отходов примерно на 90 процентов или более и снижению требований к погрузочно-разгрузочным работам.
Лазерная дробеструйная обработка/лазерная ударная обработка
Напряжения в металлических компонентах могут привести к усталостному разрушению металла в компонентах самолета (например, лопастях вентилятора в реактивных двигателях), что может привести к повреждению или травме. Это можно смягчить с помощью метода, известного как лазерная закалка.
В этом процессе лазерные импульсы направляются в область высокой концентрации напряжений, и каждый импульс вызывает крошечный плазменный взрыв между поверхностью детали и слоем распыленной сверху воды. Слой воды ограничивает взрыв, что приводит к проникновению ударной волны в деталь и созданию сжимающих остаточных напряжений по мере расширения области ее распространения. Эти напряжения повышают вероятность растрескивания и других форм усталостной стойкости металлов. Лазерная упрочнение может продлить срок службы металлических деталей в 10-15 раз по сравнению с традиционными процессами.
Лазерная очистка все чаще используется в аэрокосмической промышленности. Например, LSP Technologies и Airbus совместно разработали портативную систему лазерной накалки, которая недавно прошла испытания и оценку на предприятии по техническому обслуживанию и ремонту Airbus в Тулузе, Франция.
Система лазерной накалки Leopard продлит усталостный срок службы, предотвращая появление и расширение трещин, вызванных циклическими вибрационными нагрузками. Гибкость подачи оптоволоконного луча и специальные инструменты позволяют системе облучать лазером области, труднодоступные для самолетов. По словам партнеров, система является прорывом в технологии лазерной упрочнки, которая позволит улучшить ее использование, в том числе продлить срок службы лопаток реактивных двигателей.
Лазерное сверление
Современные авиационные двигатели имеют около 500000 отверстий, что примерно в 100 раз больше, чем в двигателях, построенных в 1980-х годах. В то же время авиастроители выпускают все большее количество других компонентов, имеющих большое количество отверстий для заклепочных и резьбовых соединений. Таким образом, в аэрокосмическом секторе лазерное бурение имеет большой рыночный потенциал, поскольку оно предлагает точный, воспроизводимый, быстрый и экономически эффективный 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 хвоста. Эти панели втягивают воздух через небольшие отверстия, что уменьшает сопротивление трения и снижает расход топлива.
Картина.
Лазеры все чаще используются для сверления отверстий в компонентах самолетов из углепластика (изображение предоставлено Ганноверским лазерным центром)
Поскольку лазерное сверление бесконтактное, обрабатываемый материал не нужно фиксировать так же, как если бы он обрабатывался обычными инструментами. Еще одним преимуществом бесконтактной обработки является отсутствие износа инструмента, что представляет собой особое преимущество при сверлении деталей из углепластика. Из-за своей твердости компоненты из углепластика могут быть очень абразивными для обычных инструментов. Лазерное сверление также можно выполнять на очень высоких скоростях, чтобы чрезмерное повреждение от тепла не нанесло вреда обрабатываемому материалу.
Производство добавок
Лазерное аддитивное производство (АМ) также быстро развивается в аэрокосмической отрасли. В этом методе лазер плавит последовательные 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 из этих проектов все еще находятся на стадии испытаний, лазерное аддитивное производство уже успешно использовалось в двух миссиях на Марс. Марсоход НАСА Curiosity, приземлившийся в августе 2012 года, стал первой миссией на Марс, доставившей детали, напечатанные на 3D-принтере. Это керамический компонент прибора Sample Analysis for Mars (SAM), являющегося частью продолжающейся программы испытаний по исследованию надежности технологии аддитивного производства.
Изображение.
Биметаллическая камера сгорания, изготовленная НАСА, с прокладками GRCop-42 L-PBF и оболочкой Nasa HR-1 LP-DED (Изображение предоставлено НАСА)
Между тем, марсоход НАСА Perseverance, который приземлился на Марсе в феврале 2021 года, содержит 11 металлических деталей, изготовленных с помощью лазерного аддитивного производства. Пять из этих частей находятся в планетарном приборе для рентгеновской нефтехимии Perseverance (PIXL), который ищет признаки микробной ископаемой жизни на Марсе. Эти детали должны быть настолько легкими, чтобы их нельзя было производить с использованием традиционных методов ковки, формования и резки.
НАСА также экспериментирует с использованием лазерного аддитивного производства для компонентов ракет. В одном исследовании камера сгорания ракетного двигателя была изготовлена из медного сплава. Постоянное развитие лазерного аддитивного производства привело к созданию компонента, который можно изготовить примерно за половину стоимости и в шесть раз быстрее, чем традиционная механическая обработка, соединение и сборка. Поскольку используемые медные сплавы хорошо отражают инфракрасные лазеры, НАСА сейчас исследует, как зеленые или синие лазеры могут повысить эффективность и производительность.
Хотя использование аддитивного производства в аэрокосмической отрасли в настоящее время находится на ранней стадии, ожидается, что в течение следующих 20 лет оно будет расти.
Лазерный гроссинг
Лазерная сборка также является совершенно новым применением в аэрокосмической отрасли. В этом процессе сверхбыстрые лазеры используются для создания микро- и наноструктур на поверхностях самолетов с помощью метода, известного как создание рисунка прямой лазерной интерференции (DLIP), который используется для создания естественного «эффекта лотоса», который создает наноструктуры, которые помогают предотвратить загрязнение поверхности, когда а также обледенение самолета.
Инновационная оптика разделяет мощный сверхбыстрый лазерный импульс на несколько частичных лучей, которые затем объединяются на обрабатываемой поверхности. При рассмотрении под микроскопом образующиеся микроструктуры напоминают микроскопические «залы» из «столбов» или ряби. Расстояние между «столбами» составляет примерно от 150 нм до 30 мкм — такая структура означает, что капли воды больше не смачивают поверхность и не прилипают к ней, потому что у них недостаточно сцепления с поверхностью.
Преимущества этого материала для самолетов включают повышенное отталкивание воды, льда и насекомых. Они могут прилипать к поверхности самолета и увеличивать сопротивление самолета, тем самым увеличивая расход топлива. Применение этой лазерной текстуры уменьшит необходимость в токсичных химических обработках, которые в настоящее время применяются к поверхностям самолетов во избежание обледенения. Известно, что со временем он стареет и подвержен повреждениям. Кроме того, лазерные конструкции, изготовленные методом DLIP, могут служить годами и не причинять вреда окружающей среде.
Лазерный контроль и регулирование напряжения
В дополнение к вышеперечисленным функциям сочетание лазера и ультразвука можно использовать для контроля и регулирования напряжений сложных металлических конструктивных элементов. Использование высокоэнергетического импульсного лазерного воздействия на поверхность испытуемого объекта, изменение локальной температуры поверхности, что приводит к тепловому расширению испытуемого объекта в приповерхностном слое, возбуждению ультразвука, ультразвук будет нести поверхность материала и внутренняя полезная информация, ультразвуковые сигналы с детектором для приема, обработка данных и анализ объекта обследования с целью определения наличия или отсутствия дефектов.
Кроме того, поскольку лазерный ультразвук имеет высокое временное и пространственное разрешение, может создавать богатую форму волны, широкую полосу пропускания ультразвука и т. д., после переключения и настройки параметров лазерного возбуждения лазерный ультразвук может находиться в любой назначенной части. снять все растягивающие напряжения, в случае не разрушения целостности поверхности, без нагрева, образования определенной толщины сжимающего армированного слоя. Также возможно регулировать значение напряжения в пределах диапазона проектных требований, что позволяет значительно оптимизировать усталостную устойчивость и сопротивление трещинообразованию в местном положении. Переведено с помощью www.DeepL.com/Translator (бесплатная версия)
