Zrakoplovni sektor - uključujući komercijalne i satelite, svemirske letjelice, dronove i bespilotne letjelice (UAV) - doživio je radikalne promjene posljednjih godina. Sve više tvrtki uključuje se u svemirsku utrku, a mnoge od njih trebaju inovativne proizvodne tehnike.
Sposobnost laserske obrade da poveća produktivnost i održi niske troškove mogla bi igrati ključnu ulogu u realizaciji ovog odgovora zrakoplovne industrije. Laserska obrada - koja ostvaruje operacije u obliku rezanja, zavarivanja, miniranja i bušenja - postala je sastavni dio zrakoplovne proizvodnje.
Na primjer, laseri se koriste za proizvodnju flapsova, spojnica krila, komponenti mlaznih motora i dijelova sjedala za krila aviona, kao i za popravak turbina, čišćenje ili uklanjanje boje s dijelova i pripremu površina komponenti za daljnju obradu. Posljednjih godina laserska aditivna proizvodnja (AM) također je stekla popularnost u sektoru svemirskih letova. Osim toga, tržište želi poboljšati sljedivost zrakoplovnih komponenti, a samim time raste i potražnja za laserskim označavanjem.
Lasersko rezanje i zavarivanje
Lasersko rezanje je brz, isplativ i precizan proces koji se može koristiti za ispunjavanje zahtjevnih proizvodnih zahtjeva u zrakoplovnom sektoru.
U usporedbi s konvencionalnom obradom, lasersko rezanje nudi visoku preciznost, manji gubitak materijala, veće brzine obrade, niže troškove i manje održavanja opreme. Osim toga, maksimizira produktivnost jer je brzo i jednostavno izvršiti sve potrebne promjene na strojnoj obradi.
Laser se može koristiti za proizvodnju dijelova za pričvršćivanje krila, dijelova za učvršćenje, dijelova za krajnje efektore, dijelova alata i više. Jednako je prikladan za manje dijelove, kao što su cijepljene uljne brtve i razvodnici pilot cijevi od titana, kao i za veće dijelove, kao što su ispušni konusi. Može obraditi široku paletu zrakoplovnih materijala, uključujući aluminij, Hastelloy (nikal koji je legiran elementima kao što su molibden i krom), Inconel, Nitinol, Nitinol, nehrđajući čelik, tantal i titan.
Lasersko zavarivanje također se koristi u zrakoplovstvu kao alternativa tradicionalnim metodama spajanja kao što su lijepljenje i mehaničko pričvršćivanje. Na primjer, upotreba laserskog zavarivanja lakih aluminijskih legura i polimera ojačanih ugljičnim vlaknima (CFRP) u proizvodnji zrakoplova materijali su koji dobivaju na važnosti i koriste se kao zamjena zakivanja gdje god je to moguće. Tehnike kao što je zavarivanje s klatnom lasera također su bile uspješne u spajanju spremnika za gorivo, poboljšavajući učinkovitost i čvrstoću spojeva, smanjujući preradu i osiguravajući značajne uštede troškova. Ostali uspjesi zavarivanja u zrakoplovstvu uključuju pričvršćivanje lijevanih jezgri turbinskih lopatica na poklopce; i stvaranje novih tipova laganih zakrilaca koji povećavaju kontrolu laminarnog protoka, minimiziraju otpor i optimiziraju učinkovitost goriva.
Uz potencijal za uštedu troškova, smanjenje težine dijelova i poboljšanu kvalitetu zavarivanja u odnosu na tradicionalne metode, nekoliko proizvođača na današnjem tržištu čak počinje razmatrati lasersko zavarivanje za dijelove okvira zrakoplova.
Lasersko čišćenje
Proizvođači u zrakoplovnom sektoru koriste lasersko čišćenje za uklanjanje slojeva s metalnih i kompozitnih površina u pripremi za obradu, za uklanjanje premaza ili korozije te za uklanjanje boje s velikih komponenti ili cijelog zrakoplova prije ponovnog bojanja.
Tijekom procesa čišćenja, površinski slojevi metala apsorbiraju i isparavaju lasersko svjetlo, što rezultira ablacijom površinskog materijala s malim ili nikakvim učinkom na unutarnje slojeve i bez kolateralnog toplinskog oštećenja komponente. Pulsni laseri s vlaknima u kilovatnoj klasi posebno su pogodni za brzo lasersko čišćenje - omogućuju učinkovito, visoko precizno čišćenje širokog spektra materijala, uključujući keramiku, kompozite, metale i plastiku.
Upotreba kompozita u zrakoplovima porasla je posljednjih godina, a tako i potreba za pričvršćivanjem metala na kompozite. U zrakoplovnoj proizvodnji, ljepila se mogu koristiti za spajanje ova dva različita materijala, a kako bi se stvorila jaka veza, obje površine moraju biti pažljivo pripremljene za strojnu obradu prije nanošenja ljepila.
Lasersko čišćenje je idealna opcija jer stvara vrlo čvrsto kontroliranu površinsku obradu koja se može ponoviti i koja je sposobna postići dosljednu, predvidljivu vezu. Tradicionalno, to bi se postiglo destruktivnim tehnikama miniranja ili primjenom nekoliko kemikalija. Međutim, lasersko čišćenje sada nudi pristup u jednom koraku koji nije samo isplativiji i produktivniji, već ima i manji utjecaj na okoliš jer nisu potrebne otrovne kemikalije ili materijali za pjeskarenje. Utjecaj laserskog čišćenja na dijelove također je mnogo nježniji od tradicionalnih metoda.
Lasersko čišćenje metalnih i kompozitnih dijelova zrakoplova također je povoljnije od tehnika kemijskog skidanja ili pjeskarenja kada je u pitanju skidanje boje. Zrakoplov se može prefarbati 4-5 puta tijekom životnog vijeka, a uklanjanje boje s cijelog zrakoplova tradicionalnim tehnikama može potrajati tjedan dana ili više. Nasuprot tome, ovisno o veličini zrakoplova, lasersko čišćenje može smanjiti ovo vrijeme na 3-4 dana, a također olakšava radnicima pristup dijelovima. Osim toga, kada se koristi za uklanjanje boje umjesto kemijskog skidanja ili pjeskarenja, lasersko čišćenje može rezultirati značajnim uštedama - tisuće funti po zrakoplovu - zbog smanjenja opasnog otpada od oko 90 posto ili više i smanjenih zahtjeva za rukovanje materijalom.
Lasersko bušenje/lasersko bušenje
Naprezanja unutar metalnih komponenti mogu dovesti do kvara uslijed zamora metala u komponentama zrakoplova (kao što su lopatice ventilatora u mlaznim motorima), što može uzrokovati štetu ili ozljedu. To se može ublažiti tehnikom poznatom kao lasersko peening.
U ovom procesu, laserski impulsi se usmjeravaju u područje visoke koncentracije naprezanja, a svaki impuls pokreće sićušnu eksploziju plazme između površine komponente i sloja vode raspršenog na vrhu. Sloj vode ograničava eksploziju, što uzrokuje da udarni val prodre u komponentu i stvara zaostala tlačna naprezanja kako se područje njegovog širenja širi. Ova naprezanja povećavaju vjerojatnost pucanja i drugih oblika otpornosti na zamor metala. Lasersko glačanje može produžiti radni vijek metalnih dijelova za 10-15 faktor u usporedbi s konvencionalnim postupcima.
Lasersko pjeskarenje se sve više koristi u zrakoplovnoj industriji. Na primjer, LSP Technologies i Airbus zajednički su razvili prijenosni sustav laserskog pilinga koji je nedavno testiran i ocijenjen u Airbusovom postrojenju za održavanje i popravak u Toulouseu, Francuska.
Leopardov sustav za lasersko bušenje produžit će vijek trajanja od zamora inhibirajući pojavu i širenje pukotina uzrokovanih cikličkim vibracijskim stresom. Fleksibilnost isporuke zrake od optičkih vlakana i prilagođeni alati omogućuju sustavu lasersku zraku u područjima koja su teško dostupna zrakoplovu. Prema partnerima, sustav je otkriće u tehnologiji laserskog peeniranja koje će unaprijediti njegovu upotrebu, uključujući produljenje vijeka trajanja lopatica mlaznih motora, između ostalog.
Lasersko bušenje
Moderni zrakoplovni motori imaju oko 500000 rupa, oko 100 puta više od motora proizvedenih 1980-ih. Istodobno, proizvođači zrakoplova proizvode sve veći broj drugih komponenti koje imaju veliki broj izbušenih rupa za zakivne i vijčane spojeve. U zrakoplovnom sektoru, stoga, lasersko bušenje ima veliki tržišni potencijal jer nudi precizan, ponovljiv, brz i isplativ proces.
Na primjer, razvijaju se novi femtosekundni laserski sustavi velike snage za učinkovito i precizno mikrobušenje velikih titanskih HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) panela koji će biti postavljeni na stabilizatore krila ili repa. Ove ploče uvlače zrak kroz male rupe, što smanjuje otpor trenja i smanjuje potrošnju goriva.
Slika.
Laseri se sve više koriste za bušenje rupa u CFRP komponentama zrakoplova (autor slike: Hanover Laser Center)
Budući da je lasersko bušenje beskontaktno, materijal koji se obrađuje nije potrebno fiksirati na isti način kao da se obrađuje konvencionalnim alatima. Još jedna prednost beskontaktnosti je da ne dolazi do trošenja alata, što predstavlja posebnu prednost u radu CFRP komponenti za bušenje. Zbog svoje tvrdoće, CFRP komponente mogu biti vrlo abrazivne za konvencionalne alate. Lasersko bušenje također se može izvoditi pri vrlo velikim brzinama, tako da pretjerana oštećenja od topline ne oštećuju materijal koji se obrađuje.
Aditivna proizvodnja
Laserska aditivna proizvodnja (AM) također brzo raste u zrakoplovnoj industriji. U ovoj tehnici, laser topi uzastopne slojeve praha za stvaranje oblika. Raketna tvrtka sa sjedištem u Kaliforniji čak je nedavno naručila dva 12-3D pisača s laserskom zrakom kako bi svoje svemirske misije učinila isplativijima i učinkovitijima stvaranjem lakših, bržih i jačih svemirskih komponenti.
Iako su mnogi od tih projekata još uvijek u fazi testiranja, laserska aditivna proizvodnja već je uspješno korištena u dvije misije na Mars. NASA-in rover Curiosity, koji je sletio u kolovozu 2012., bio je prva misija na Mars koja je nosila 3D printane dijelove. Ovo je keramička komponenta unutar instrumenta Analiza uzorka za Mars (SAM), dio tekućeg programa testiranja za ispitivanje pouzdanosti tehnologije aditivne proizvodnje.
Slika.
Bimetalna komora za izgaranje koju je izradila NASA s GRCop-42 L-PBF brtvama i Nasa HR-1 LP-DED omotačem (autor slike: NASA)
U međuvremenu, NASA-in rover Perseverance, koji je sletio na Mars u veljači 2021., sadrži 11 metalnih dijelova izrađenih laserskom aditivnom proizvodnjom. Pet od ovih dijelova nalazi se u Perseveranceovom Planetarnom instrumentu za rendgensku petrokemiju (PIXL), koji traži znakove mikrobnog fosilnog života na Marsu. Ti dijelovi moraju biti toliko lagani da se ne mogu proizvesti tradicionalnim tehnikama kovanja, kalupljenja i rezanja.
NASA je također eksperimentirala s upotrebom laserske aditivne proizvodnje za komponente rakete. U jednoj studiji, komora za izgaranje raketnog motora izrađena je od legure bakra. Ovaj kontinuirani razvoj laserske aditivne proizvodnje rezultirao je komponentom koja se može proizvesti po otprilike upola manjoj cijeni i za jednu šestinu vremena potrebnog za konvencionalnu strojnu obradu, spajanje i sastavljanje. Budući da korištene bakrene legure imaju visoku refleksiju infracrvenih lasera, NASA sada istražuje kako zeleni ili plavi laseri mogu poboljšati učinkovitost i produktivnost.
Iako je upotreba aditivne proizvodnje u zrakoplovstvu trenutno u ranoj fazi, očekuje se da će rasti tijekom sljedećih 20 godina.
Laser bruto
Lasersko prikupljanje je također vrlo nova primjena u zrakoplovnoj industriji. U ovom procesu, ultrabrzi laseri se koriste za stvaranje mikro- i nanostruktura na površinama zrakoplova kroz tehniku poznatu kao izravna laserska interferencija uzorka (DLIP), koja se koristi za stvaranje prirodnog "efekta lotosa" koji stvara nanostrukture koje pomažu spriječiti površinsku kontaminaciju kao kao i nakupljanje leda na zrakoplovu.
Inovativna optika dijeli snažan ultrabrzi laserski puls u nekoliko parcijalnih zraka, koje se zatim kombiniraju na površini koja se obrađuje. Kada se promatraju pod mikroskopom, dobivene mikrostrukture nalikuju mikroskopskim "dvoranama" "stupova" ili valovima. Razmak između "stupova" je između oko 150 nm i 30 μm - ova struktura znači da kapljice vode više ne vlaže površinu i ne lijepe se za nju jer nemaju dovoljno prianjanja na površinu.
Prednosti ovog materijala za zrakoplove uključuju povećanu odbojnost vode, leda i insekata. Oni se mogu zalijepiti za površinu zrakoplova i povećati otpor vjetra zrakoplova, čime se povećava potrošnja goriva. Primjena ove laserske teksture smanjila bi potrebu za toksičnim kemijskim tretmanima koji se trenutno primjenjuju na površine zrakoplova kako bi se izbjeglo zaleđivanje. Poznato je da s vremenom stari i podložan je oštećenjima. Nadalje, laserske strukture proizvedene DLIP metodom mogu trajati godinama i ne uzrokuju probleme okolišu.
Laserska inspekcija i regulacija naprezanja
Uz gore navedene funkcije, kombinacija lasera i ultrazvuka može se koristiti za pregled i regulaciju naprezanja složenih metalnih konstrukcijskih komponenti. Korištenje visokoenergetskog pulsirajućeg laserskog djelovanja na površini predmeta koji se ispituje, površinske promjene lokalne temperature, što uzrokuje da se objekt koji se ispituje u površinskom sloju toplinskog širenja, pobuđivanje ultrazvuka, ultrazvuk će nositi površina materijala i unutarnje korisne informacije, ultrazvučni signali s detektorom za primanje, obrada podataka i analiza predmeta koji se ispituje kako bi se utvrdila prisutnost ili odsutnost nedostataka.
Osim toga, budući da laserski ultrazvuk ima visoku vremensku i prostornu rezoluciju, može proizvesti bogat valni oblik, široku propusnost ultrazvuka itd., nakon prebacivanja i podešavanja parametara laserske pobude, laserski ultrazvuk može biti u dijelovima bilo kojeg određenog dijela za uklanjanje svih vlačnih naprezanja, u slučaju ne uništavanja cjelovitosti površine, bez zagrijavanja, formiranje određene debljine tlačnog naprezanja ojačanog sloja. Također je moguće regulirati vrijednost naprezanja prema rasponu projektnih zahtjeva, što može značajno optimizirati otpornost na zamor i pucanje lokalnog položaja. Prevedeno s www.DeepL.com/Translator (besplatna verzija)
