Vazdušni sektor – uključujući komercijalne i satelitske, svemirske letelice, bespilotne letelice i bespilotne letelice (UAV) – prošao je kroz neke radikalne promene poslednjih godina. Sve više kompanija se pridružuje svemirskoj trci, a mnogima od njih su potrebne inovativne proizvodne tehnike.
Sposobnost laserske obrade da poveća produktivnost i zadrži niske troškove može igrati ključnu ulogu u realizaciji ovog odgovora avio-industrije. Laserska obrada – kojom se realizuju operacije u vidu rezanja, zavarivanja, miniranja i bušenja – postala je sastavni deo vazduhoplovne proizvodnje.
Na primjer, laseri se koriste za proizvodnju zakrilaca, zatvarača krila, komponenti mlaznog motora i dijelova sjedišta za krila aviona, kao i za popravku turbina, čišćenje ili uklanjanje boje s dijelova i pripremu površina komponenti za dalju obradu. Poslednjih godina, proizvodnja laserskih aditiva (AM) takođe je stekla popularnost u sektoru svemirskih letova. Osim toga, tržište nastoji poboljšati sljedivost zrakoplovnih komponenti, a time se povećava 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 avio sektoru.
U poređenju sa konvencionalnom obradom, lasersko rezanje nudi visoku preciznost, manje otpada materijala, veće brzine obrade, niže troškove i manje održavanja opreme. Osim toga, maksimizira produktivnost jer je brzo i lako izvršiti sve potrebne promjene u obradi.
Laser se može koristiti za proizvodnju dijelova za pričvršćivanje krila, dijelova učvršćenja, dijelova krajnjeg efekta, dijelova alata i još mnogo toga. Jednako je pogodan za manje dijelove, kao što su kalemljene uljne brtve i titanijumske pilot cijevi, kao i za veće dijelove, kao što su izduvni konusi. Može da obrađuje širok spektar vazduhoplovnih materijala, uključujući aluminijum, Hastelloy (nikl koji je legiran sa elementima kao što su molibden i hrom), Inconel, Nitinol, Nitinol, nerđajući čelik, tantal i titanijum.
Lasersko zavarivanje se takođe koristi u vazduhoplovstvu kao alternativa tradicionalnim metodama spajanja kao što su lepljenje i mehaničko pričvršćivanje. Na primjer, upotreba laserskog zavarivanja lakih aluminijskih legura i polimera ojačanih karbonskim vlaknima (CFRP) u proizvodnji aviona su materijali koji dobijaju na značaju i koriste se za zamjenu zakivanja gdje god je to moguće. Tehnike kao što je lasersko zavarivanje klatna su također bile uspješne u spajanju rezervoara za gorivo, poboljšanju efikasnosti i čvrstoće spojeva, smanjenju prerade i pružanju značajnih ušteda. Drugi uspjesi zavarivanja u aeronautičkom svijetu uključuju pričvršćivanje livenih jezgara turbinskih lopatica na poklopce; i stvaranje novih tipova laganih zakrilaca koji povećavaju kontrolu laminarnog toka, minimiziraju otpor i optimiziraju potrošnju goriva.
Uz potencijal za uštedu troškova, smanjenje težine dijelova i poboljšani kvalitet zavarivanja u odnosu na tradicionalne metode, nekoliko proizvođača na tržištu danas čak počinje razmatrati lasersko zavarivanje dijelova avionske konstrukcije.
Lasersko čišćenje
Proizvođači u svemirskom sektoru koriste lasersko čišćenje za uklanjanje slojeva sa metalnih i kompozitnih površina u pripremi za obradu, za uklanjanje premaza ili korozije i za uklanjanje boje sa velikih dijelova ili cijelih aviona prije ponovnog farbanja.
Tokom procesa čišćenja, lasersko svjetlo se apsorbira i isparava od strane površinskih slojeva metala, što rezultira ablacijom površinskog materijala sa malim ili bez efekta na unutrašnje slojeve i bez kolateralnog termičkog oštećenja komponente. Pulsni vlaknasti laseri u klasi kilovata posebno su pogodni za brzo lasersko čišćenje - omogućavaju efikasno, visoko precizno čišćenje širokog spektra materijala, uključujući keramiku, kompozite, metale i plastiku.
Upotreba kompozita u avionima se povećala u posljednjih nekoliko godina, kao 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 strogo kontrolisanu, repliciranu završnu obradu površine koja je sposobna da postigne konzistentnu, predvidljivu vezu. Tradicionalno, ovo bi se postiglo kroz tehnike destruktivnog miniranja ili primjenom nekoliko kemikalija. Međutim, lasersko čišćenje sada nudi pristup u jednom koraku koji je ne samo isplativiji i produktivniji, već ima i manji utjecaj na okoliš jer nisu potrebne toksične kemikalije ili materijali za pjeskarenje. Utjecaj laserskog čišćenja na dijelove je također mnogo blaži od tradicionalnih metoda.
Lasersko čišćenje metalnih i kompozitnih delova aviona je takođe povoljnije od hemijskih tehnika skidanja ili peskarenja kada je u pitanju skidanje boje. Zrakoplov može biti prefarban 4-5 puta tokom svog životnog vijeka, a može potrajati sedmica ili više da se ukloni boja sa cijelog aviona koristeći tradicionalne tehnike. Nasuprot tome, u zavisnosti od veličine aviona, lasersko čišćenje može smanjiti ovo vrijeme na 3-4 dana, a radnicima također olakšava pristup dijelovima. Osim toga, kada se koristi za uklanjanje boje, a ne za hemijsko skidanje ili pjeskarenje, lasersko čišćenje može rezultirati značajnim uštedama - hiljade funti po avionu - zbog smanjenja opasnog otpada od oko 90% ili više i smanjenih zahtjeva za rukovanje materijalom.
Lasersko udarno peeniranje/lasersko udarno peeniranje
Naprezanja unutar metalnih komponenti mogu dovesti do kvara na zamoru metala u komponentama aviona (kao što su lopatice ventilatora u mlaznim motorima), što može uzrokovati oštećenja ili ozljede. Ovo se može ublažiti tehnikom poznatom kao lasersko peening.
U ovom procesu, laserski impulsi se usmjeravaju u područje visoke koncentracije naprezanja, a svaki impuls zapaljuje sićušnu eksploziju plazme između površine komponente i sloja vode prskanog na vrhu. Vodeni sloj ograničava eksploziju, što uzrokuje da udarni val prodre u komponentu i stvara tlačna zaostala naprezanja kako se širi područje širenja. Ova naprezanja povećavaju vjerovatnoću pucanja i drugih oblika otpornosti na zamor metala. Lasersko oštrenje može produžiti vijek trajanja metalnih dijelova za faktor od 10-15 u poređenju sa konvencionalnim procesima.
Lasersko pjeskarenje se sve više koristi u zrakoplovnoj industriji. Na primjer, LSP Technologies i Airbus su zajedno razvili prijenosni laserski sistem za peening koji je nedavno testiran i ocijenjen u Airbusovom pogonu za održavanje i popravku u Toulouseu, Francuska.
Leopard laserski sistem za peening produžit će vijek trajanja tako što će spriječiti nastanak i širenje pukotina uzrokovanih cikličnim vibracijskim stresom. Fleksibilnost isporuke snopa optičkih vlakana i prilagođeni alati omogućavaju sistemu da laserski zrače područja do kojih je avionima teško doći. Prema riječima partnera, sistem je proboj u tehnologiji laserskog peeninga koji će unaprijediti njegovu upotrebu, uključujući, između ostalog, produženje vijeka lopatica mlaznog motora.
Lasersko bušenje
Moderni avio-motori imaju oko 500,000 rupa, oko 100 puta više od motora proizvedenih 1980-ih. Istovremeno, proizvođači aviona proizvode sve veći broj drugih komponenti koje imaju veliki broj izbušenih rupa za zakovne i vijčane spojeve. Stoga, u sektoru vazduhoplovstva, lasersko bušenje ima veliki tržišni potencijal jer nudi precizan, ponovljiv, brz i isplativ proces.
Na primjer, razvijaju se novi femtosekundni laserski sistemi velike snage za efikasno i precizno mikro-bušenje velikih titanijumskih HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) panela koji će biti montirani na stabilizatore krila ili repa. Ovi paneli uvlače zrak kroz male rupe, što smanjuje otpor trenja i smanjuje potrošnju goriva.
Budući da je lasersko bušenje beskontaktno, materijal koji se obrađuje ne mora biti fiksiran na isti način kao da je obrađen konvencionalnim alatima. Još jedna prednost beskontaktnosti je da ne dolazi do habanja alata, što predstavlja posebnu prednost u radu komponenti od CFRP bušenja. Zbog svoje tvrdoće, CFRP komponente mogu biti vrlo abrazivne za konvencionalne alate. Lasersko bušenje se može izvoditi i pri vrlo velikim brzinama, tako da prekomjerna oštećenja od topline ne štete materijalu koji se obrađuje.
Additive Manufacturing
Laser Additive Manufacturing (AM) takođe brzo raste u vazduhoplovnoj industriji. U ovoj tehnici, laser topi uzastopne slojeve praha kako bi izgradio oblike. Raketna kompanija sa sjedištem u Kaliforniji čak je nedavno naručila dva 12-laserska 3D štampača kako bi svoje svemirske misije učinile isplativijim i efikasnijim stvaranjem lakših, bržih i jačih svemirskih komponenti.
Iako su mnogi od ovih projekata još u fazi testiranja, proizvodnja laserskih aditiva već je uspješno korištena u dvije misije na Mars. NASA-in rover Curiosity, koji je sleteo u avgustu 2012. godine, bio je prva misija na Mars koja je nosila 3D štampane delove. Ovo je keramička komponenta unutar instrumenta za analizu uzoraka za Mars (SAM), dio tekućeg programa testiranja za ispitivanje pouzdanosti tehnologije aditivne proizvodnje.
NASA-ina bimetalna komora za sagorijevanje sa GRCop-42 L-PBF brtvama i NASA HR-1 LP-DED omotačem
U međuvremenu, NASA-in rover Perseverance, koji je sletio na Mars u februaru 2021. godine, sadrži 11 metalnih dijelova napravljenih laserskom aditivnom proizvodnjom. Pet od ovih dijelova nalazi se u Planetary Instrument for X-ray Petrochemistry (PIXL) Perseverancea, koji traži znakove mikrobnog fosilnog života na Marsu. Ovi dijelovi moraju biti toliko lagani da se ne mogu proizvesti tradicionalnim tehnikama kovanja, oblikovanja i rezanja.
NASA je takođe eksperimentisala sa upotrebom laserskih aditiva za proizvodnju komponenti raketa. U jednoj studiji, komora za sagorevanje raketnog motora napravljena je od legure bakra. Ovaj kontinuirani razvoj proizvodnje laserskih aditiva rezultirao je komponentom koja se može proizvesti po oko pola cijene i za jednu šestinu vremena potrebnog za konvencionalnu strojnu obradu, spajanje i montažu. Budući da korišćene legure bakra veoma reflektuju infracrvene lasere, NASA sada istražuje kako zeleni ili plavi laseri mogu poboljšati efikasnost i produktivnost.
Dok su primjene aditivne proizvodnje u zrakoplovstvu trenutno u ranoj fazi, očekuje se da će rasti u sljedećih 20 godina.
Laser Grossing
Lasersko prikupljanje je također vrlo nova primjena u avio industriji. U ovom procesu, ultrabrzi laseri se koriste za kreiranje mikro- i nanostruktura na površinama aviona kroz tehniku poznatu kao direktna laserska interferencija (DLIP), koja se koristi za stvaranje prirodnog "lotosovog efekta" koji stvara nanostrukture koje pomažu u sprečavanju površinske kontaminacije kao što je kao i nagomilavanje leda na avionu.
Inovativna optika dijeli moćni ultrabrzi laserski puls u nekoliko parcijalnih snopova, koji se zatim kombinuju na površini koja se obrađuje. Kada se posmatraju pod mikroskopom, rezultirajuće mikrostrukture nalikuju mikroskopskim "dvoranama" "stupova" ili mreškanja. Udaljenost između "stubova" je između oko 150 nm i 30 μm - ova struktura znači da kapljice vode više ne vlaže površinu i lijepe se za nju jer nemaju dovoljno prianjanja na površini.
Prednosti ovog materijala za avione uključuju povećano odbijanje vode, leda i insekata. Oni se mogu zalijepiti za površinu aviona i povećati otpor zrakoplova na vjetar, čime se povećava potrošnja goriva. Primena ove laserske teksture smanjila bi potrebu za toksičnim hemijskim tretmanima koji se trenutno primenjuju na površinama aviona kako bi se izbeglo zaleđivanje. Poznato je da vremenom stari i podložan je oštećenjima. Štaviše, laserske strukture proizvedene DLIP metodom mogu trajati godinama i ne izazivaju ekološke probleme.
Laserska inspekcija i regulacija naprezanja
Pored gore navedenih funkcija, kombinacija lasera i ultrazvuka može se koristiti za inspekciju i regulaciju naprezanja složenih metalnih konstrukcijskih komponenti. Korištenje visokoenergetskog pulsnog laserskog djelovanja na površinu objekta koji se ispituje, površina se mijenja lokalne temperature, što uzrokuje da se predmet testira u površinskom sloju toplinskog širenja, pobuđivanje ultrazvuka, ultrazvuk će nositi površina materijala i interne korisne informacije, ultrazvučni signali sa detektorom za prijem, obrada podataka i analiza predmeta koji se ispituje kako bi se utvrdilo prisustvo ili odsustvo defekata.
Osim toga, zbog laserskog ultrazvuka ima visoku vremensku i prostornu rezoluciju, može proizvesti bogati valni oblik, široki propusni opseg 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 da se ne naruši integritet površine, bez zagrijavanja, formira se određena debljina tlačno ojačanog sloja. Također je moguće regulirati vrijednost naprezanja prema rasponu zahtjeva dizajna, što može značajno optimizirati otpornost na zamor i pucanje lokalnog položaja.
