Letalski in vesoljski sektor – vključno s komercialnimi in satelitskimi, vesoljskimi plovili, droni in zračnimi plovili brez posadke (UAV) – je v zadnjih letih doživel korenite spremembe. Vse več podjetij se pridružuje vesoljski tekmi in mnoga od njih potrebujejo inovativne proizvodne tehnike.
Sposobnost laserske obdelave, da poveča produktivnost in ohrani nizke stroške, lahko igra ključno vlogo pri uresničitvi tega odziva letalske in vesoljske industrije. Laserska obdelava – ki izvaja operacije v obliki rezanja, varjenja, peskanja in vrtanja – je postala sestavni del letalske proizvodnje.
Laserji se na primer uporabljajo za izdelavo loput, pritrdilnih elementov kril, sestavnih delov reaktivnih motorjev in delov sedežev za krila letal, pa tudi za popravilo turbin, čiščenje ali odstranjevanje barve z delov in pripravo površin sestavnih delov za nadaljnjo obdelavo. V zadnjih letih je laserska aditivna proizvodnja (AM) postala priljubljena tudi v sektorju vesoljskih letov. Poleg tega trg želi izboljšati sledljivost letalskih in vesoljskih komponent, s tem pa narašča povpraševanje po laserskem označevanju.
Lasersko rezanje in varjenje
Lasersko rezanje je hiter, stroškovno učinkovit in natančen postopek, ki ga je mogoče uporabiti za izpolnjevanje zahtevnih proizvodnih zahtev letalskega in vesoljskega sektorja.
V primerjavi s konvencionalno obdelavo ponuja lasersko rezanje visoko natančnost, manj odpadnega materiala, višje hitrosti obdelave, nižje stroške in manj vzdrževanja opreme. Poleg tega maksimira produktivnost, saj je hitro in enostavno narediti vse potrebne spremembe v obdelavi.
Laser se lahko uporablja za izdelavo delov pritrdilnih elementov kril, delov vpenjal, končnih delov, delov orodja itd. Enako je primeren za manjše dele, kot so cepljena oljna tesnila in razdelilniki pilotnih cevi iz titana, kot tudi za večje dele, kot so izpušni stožci. Lahko obdeluje široko paleto vesoljskih materialov, vključno z aluminijem, Hastelloy (nikelj, ki je bil legiran z elementi, kot sta molibden in krom), Inconel, Nitinol, Nitinol, nerjavno jeklo, tantal in titan.
Lasersko varjenje se uporablja tudi v letalstvu kot alternativa tradicionalnim metodam spajanja, kot sta lepljenje z lepilom in mehansko pritrjevanje. Na primer, uporaba laserskega varjenja lahkih aluminijevih zlitin in polimerov, ojačanih z ogljikovimi vlakni (CFRP) v proizvodnji letal so materiali, ki pridobivajo na pomenu in se uporabljajo za nadomestitev kovičenja, kjer koli je to mogoče. Tehnike, kot je lasersko nihalno varjenje, so bile uspešne tudi pri spajanju rezervoarjev za gorivo, izboljšanju učinkovitosti in trdnosti spojev, zmanjšanju predelav in zagotavljanju znatnih prihrankov pri stroških. Drugi varilni uspehi v letalstvu vključujejo pritrjevanje litih jeder turbinskih lopatic na pokrove; in ustvarjanje novih vrst lahkih krilnih loput, ki povečajo nadzor laminarnega toka, zmanjšajo upor in optimizirajo učinkovitost goriva.
S potencialom za prihranke pri stroških, zmanjšanje teže delov in izboljšano kakovost zvarov v primerjavi s tradicionalnimi metodami, številni proizvajalci na današnjem trgu celo začenjajo razmišljati o laserskem varjenju za dele ogrodja letala.
Lasersko čiščenje
Proizvajalci v vesoljskem sektorju uporabljajo lasersko čiščenje za odstranjevanje plasti s kovinskih in kompozitnih površin v pripravi na obdelavo, za odstranjevanje premazov ali korozije ter za odstranjevanje barve z velikih komponent ali celotnega letala pred ponovnim barvanjem.
Med postopkom čiščenja lasersko svetlobo absorbirajo in izhlapijo površinske plasti kovine, kar povzroči ablacijo površinskega materiala z majhnim ali nič učinka na notranje plasti in brez kolateralne toplotne poškodbe komponente. Impulzni laserji z vlakni v kilovatnem razredu so še posebej primerni za hitro lasersko čiščenje – omogočajo učinkovito, visoko natančno čiščenje širokega nabora materialov, vključno s keramiko, kompoziti, kovinami in plastiko.
Uporaba kompozitov v letalih se je v zadnjih letih povečala, s tem pa tudi potreba po pritrditvi kovin na kompozite. V letalski in vesoljski proizvodnji se lahko uporabljajo lepila za spajanje teh dveh različnih materialov in da bi ustvarili močno vez, je treba obe površini pred nanosom lepila skrbno pripraviti za strojno obdelavo.
Lasersko čiščenje je idealna možnost, saj ustvari zelo natančno nadzorovano površinsko obdelavo, ki jo je mogoče ponoviti in je sposobna doseči dosledno, predvidljivo vez. Običajno se to doseže z destruktivnimi tehnikami razstreljevanja ali uporabo več kemikalij. Vendar pa lasersko čiščenje zdaj ponuja pristop v enem koraku, ki ni samo stroškovno učinkovitejši in produktivnejši, ampak tudi manj vpliva na okolje, saj niso potrebne strupene kemikalije ali materiali za peskanje. Vpliv laserskega čiščenja na dele je tudi veliko nežnejši od tradicionalnih metod.
Lasersko čiščenje kovinskih in kompozitnih delov letala je tudi pri odstranjevanju barve ugodnejše od tehnik kemičnega odstranjevanja ali peskanja. Letalo je lahko v svoji življenjski dobi prebarvano 4-5-krat in lahko traja en teden ali več, da s tradicionalnimi tehnikami odstranimo barvo s celotnega letala. Nasprotno pa lahko lasersko čiščenje, odvisno od velikosti letala, ta čas skrajša na 3-4 dni, poleg tega pa delavcem olajša dostop do delov. Poleg tega lahko lasersko čiščenje, če se uporablja za odstranjevanje barve in ne za kemično odstranjevanje ali peskanje, povzroči znatne prihranke pri stroških – na tisoče funtov na letalo – zaradi zmanjšanja nevarnih odpadkov za približno 90 odstotkov ali več in zmanjšanih zahtev glede ravnanja z materialom.
Lasersko udarno luščenje/lasersko udarno luščenje
Obremenitve v kovinskih komponentah lahko privedejo do odpovedi zaradi utrujenosti kovin v komponentah letal (kot so lopatice ventilatorjev v reaktivnih motorjih), kar lahko povzroči poškodbe ali poškodbe. To je mogoče ublažiti s tehniko, imenovano lasersko luščenje.
V tem procesu so laserski impulzi usmerjeni v območje visoke koncentracije napetosti in vsak impulz vžge majhno eksplozijo plazme med površino komponente in plastjo vode, razpršeno na vrhu. Vodna plast omejuje eksplozijo, kar povzroči, da udarni val prodre v komponento in ustvari tlačne preostale napetosti, ko se območje njegovega širjenja razširi. Te napetosti povečajo verjetnost razpok in drugih oblik odpornosti na utrujenost kovin. Lasersko luščenje lahko podaljša življenjsko dobo kovinskih delov za faktor 10-15 v primerjavi z običajnimi postopki.
Lasersko peskanje se vedno pogosteje uporablja v vesoljski industriji. Na primer, LSP Technologies in Airbus sta skupaj razvila prenosni sistem za lasersko luščenje, ki je bil pred kratkim testiran in ocenjen v Airbusovem obratu za vzdrževanje in popravila v Toulousu v Franciji.
Leopardov sistem za lasersko luščenje bo podaljšal življenjsko dobo zaradi utrujenosti z zaviranjem nastajanja in širjenja razpok, ki jih povzročajo ciklične vibracijske obremenitve. Fleksibilnost dovajanja žarkov iz optičnih vlaken in prilagojeno orodje omogoča sistemu laserski žarek na območjih, ki jih letalo težko doseže. Po mnenju partnerjev je sistem preboj v tehnologiji laserskega luščenja, ki bo izboljšal njegovo uporabo, vključno s podaljšanjem življenjske dobe lopatic reaktivnih motorjev, med drugim.
Lasersko vrtanje
Sodobni letalski motorji imajo približno 500000 lukenj, kar je približno 100-krat več kot motorji, izdelani v osemdesetih letih prejšnjega stoletja. Hkrati proizvajalci letal izdelujejo vse več drugih komponent, ki imajo izvrtanih veliko število lukenj za kovičene in vijačne povezave. V vesoljskem sektorju ima torej lasersko vrtanje velik tržni potencial, saj ponuja natančen, ponovljiv, hiter in stroškovno učinkovit postopek.
Na primer, razvijajo se novi visokozmogljivi femtosekundni laserski sistemi za učinkovito in natančno mikrovrtanje velikih titanovih plošč HLFC (Hybrid Laminar Flow Control), ki bodo nameščene na stabilizatorje kril ali repa. Te plošče črpajo zrak skozi majhne luknje, kar zmanjšuje trenje in porabo goriva.
Slika.
Laserji se vse pogosteje uporabljajo za vrtanje lukenj v komponente letal iz CFRP (avtor slike: Hanover Laser Center)
Ker je lasersko vrtanje brezkontaktno, materiala, ki ga obdelujemo, ni treba fiksirati na enak način, kot če bi ga obdelovali s klasičnimi orodji. Dodatna prednost brezkontaktnosti je, da ne prihaja do obrabe orodja, kar predstavlja posebno prednost pri delovanju vrtalnih CFRP komponent. Zaradi svoje trdote so komponente CFRP lahko zelo abrazivne za običajna orodja. Lasersko vrtanje se lahko izvaja tudi pri zelo visokih hitrostih, tako da prekomerna toplotna poškodba ne poškoduje materiala, ki se obdeluje.
Aditivna proizvodnja
Laserska aditivna proizvodnja (AM) prav tako hitro raste v vesoljski industriji. Pri tej tehniki laser stopi zaporedne plasti prahu za izdelavo oblik. Raketno podjetje s sedežem v Kaliforniji je pred kratkim celo naročilo dva 12-tiskalnika 3D z laserskim žarkom, da bi naredilo svoje vesoljske misije stroškovno učinkovitejše in učinkovitejše z ustvarjanjem lažjih, hitrejših in močnejših vesoljskih komponent.
Medtem ko je veliko teh projektov še vedno v fazi testiranja, je bila laserska aditivna proizvodnja že uspešno uporabljena na dveh misijah na Mars. Nasin rover Curiosity, ki je pristal avgusta 2012, je bil prva misija na Mars, ki je nosila 3D natisnjene dele. To je keramična komponenta instrumenta Sample Analysis for Mars (SAM), ki je del tekočega programa testiranja za raziskovanje zanesljivosti tehnologije aditivne proizvodnje.
Slika.
Bimetalna zgorevalna komora, ki jo je izdelala NASA, s tesnili GRCop-42 L-PBF in ovojom Nasa HR-1 LP-DED (Avtorstvo slike: NASA)
Medtem Nasin rover Perseverance, ki je februarja 2021 pristal na Marsu, vsebuje 11 kovinskih delov, izdelanih z lasersko aditivno proizvodnjo. Pet od teh delov je v Perseveranceovem planetarnem instrumentu za rentgensko petrokemijo (PIXL), ki išče znake mikrobnega fosilnega življenja na Marsu. Ti deli morajo biti tako lahki, da jih ni mogoče izdelati s tradicionalnimi tehnikami kovanja, oblikovanja in rezanja.
NASA je tudi eksperimentirala z uporabo laserske aditivne proizvodnje za komponente raket. V neki študiji je bila zgorevalna komora raketnega motorja izdelana iz bakrove zlitine. Rezultat tega nenehnega razvoja laserske aditivne proizvodnje je komponenta, ki jo je mogoče izdelati po približno polovični ceni in v eni šestini časa, potrebnega za običajno obdelavo, spajanje in sestavljanje. Ker uporabljene bakrove zlitine zelo odsevajo infrardeče laserje, NASA zdaj raziskuje, kako lahko zeleni ali modri laserji izboljšajo učinkovitost in produktivnost.
Medtem ko je uporaba aditivne proizvodnje v vesolju trenutno v zgodnji fazi, se pričakuje, da bo v naslednjih 20 letih rasla.
Laser bruto
Lasersko zbiranje je tudi zelo nova aplikacija v vesoljski industriji. V tem procesu se ultrahitri laserji uporabljajo za ustvarjanje mikro- in nanostruktur na površinah letal s tehniko, znano kot vzorčenje neposredne laserske interference (DLIP), ki se uporablja za ustvarjanje naravnega "učinka lotosa", ki ustvarja nanostrukture, ki pomagajo preprečiti površinsko kontaminacijo kot tudi nabiranje ledu na letalu.
Inovativna optika razdeli močan ultra hiter laserski impulz na več delnih žarkov, ki se nato združijo na površini, ki se obdeluje. Če jih gledamo pod mikroskopom, so nastale mikrostrukture podobne mikroskopskim "dvoranam" "stebrov" ali valov. Razdalja med »stebri« je med približno 150 nm in 30 μm – ta struktura pomeni, da vodne kapljice ne močijo več površine in se nanjo lepijo, ker nimajo dovolj oprijema površine.
Prednosti tega materiala za letala vključujejo povečano odbojnost vode, ledu in žuželk. Ti se lahko prilepijo na površino letala in povečajo vetrovni upor letala ter tako povečajo porabo goriva. Uporaba te laserske teksture bi zmanjšala potrebo po strupenih kemičnih obdelavah, ki se trenutno uporabljajo na površinah letal, da bi se izognili zaledenitvi. Znano je, da se sčasoma stara in je dovzetna za poškodbe. Poleg tega lahko laserske strukture, proizvedene z metodo DLIP, trajajo leta in ne povzročajo okoljskih težav.
Laserski pregled in regulacija napetosti
Poleg zgornjih funkcij se lahko kombinacija laserja in ultrazvoka uporablja za pregledovanje in regulacijo napetosti kompleksnih kovinskih konstrukcijskih komponent. Uporaba visokoenergetskega impulznega laserskega delovanja na površini predmeta, ki ga je treba testirati, površina lokalnih temperaturnih sprememb, zaradi česar se predmet testira v površinski plasti toplotnega raztezanja, vzbujanje ultrazvoka, ultrazvok bo nosil površina materiala in notranje koristne informacije, ultrazvočni signali z detektorjem za sprejem, obdelava podatkov in analiza predmeta, ki ga je treba pregledati, da se ugotovi prisotnost ali odsotnost napak.
Poleg tega ima laserski ultrazvok visoko časovno in prostorsko ločljivost, lahko proizvede bogato valovno obliko, široko pasovno širino ultrazvoka itd. Po preklopu in prilagoditvi parametrov laserskega vzbujanja je lahko laserski ultrazvok v delih katerega koli določenega dela. za odstranitev vseh nateznih napetosti, v primeru neuničenja celovitosti površine, brez segrevanja, nastanek določene debeline tlačne napetosti ojačane plasti. Prav tako je možno regulirati vrednost napetosti v obsegu projektnih zahtev, kar lahko znatno optimizira odpornost na utrujenost in razpoke lokalnega položaja. Prevedeno z www.DeepL.com/Translator (brezplačna različica)
