V zadnjih letih je vesoljski svet – vključno s komercialnimi in vojaškimi letali, sateliti, vesoljskimi plovili, droni in zračnimi vozili brez posadke (UAV) – doživel nekaj dramatičnih sprememb. Vse več podjetij se pridružuje vesoljski tekmi, mnoga med njimi potrebujejo inovativne proizvodne tehnologije.
Nasprotno pa je vpliv omejitev potovanj na komercialno letalstvo, ki jih je povzročila nova epidemija krone, povzročil padec proizvodnje civilnih letal za tretjino.
Leta 2019 je bila Evropa ena vodilnih svetovnih proizvajalcev civilnih letal in helikopterjev, vključno z različnimi komponentami in letalskimi motorji, ki je podpirala približno 400000 delovnih mest in ustvarila prihodke v višini 130 milijard evrov. Medtem ko pandemija v veliki meri ni prizadela raziskovanja vesolja in obrambe, proizvodnja civilnih letal še vedno okreva.
V "Negotovosti v komercialnem vesolju" (Uncerttainty in Commercial Aerospace), objavljenem februarja 2023, je McKinsey, znano svetovalno in raziskovalno podjetje, poročalo, da mora svet prebaviti gradnjo 9400 potniških letal (predvsem ozkotrupnih letal ) do konca leta 2027. letala) zaostanki. Obstaja pa negotovost glede prihodnje rasti letalskega potniškega prometa, zdravja dobavnih verig in delovne sile. Posledično morajo proizvajalci povečati proizvodno učinkovitost in prilagodljivost, da bi rešili zaostanke in se odzvali na prihodnje spremembe povpraševanja.
Zmožnost laserske obdelave za povečanje produktivnosti in ohranjanje nizkih stroškov lahko igra ključno vlogo pri omogočanju tega odziva letalske in vesoljske industrije. Laserska obdelava – postopki v obliki rezanja, varjenja, luščenja in vrtanja – je postala sestavni del letalske proizvodnje.
Laserji se na primer uporabljajo za izdelavo loput za krila letal, pritrdilnih elementov kril, delov reaktivnih motorjev in delov sedežev, uporabljajo pa se tudi za popravilo turbin, čiščenje ali odstranjevanje barve z delov in pripravo delov za nadaljnjo obdelavo. površina dela. V zadnjih letih je v vesoljskih poletih vse bolj priljubljena tudi laserska aditivna proizvodnja (AM). Poleg tega trg upa na izboljšanje sledljivosti letalskih in vesoljskih komponent, povečujejo pa se tudi zahteve po laserskem označevanju.
Lasersko rezanje in varjenje
Lasersko rezanje je hiter, stroškovno učinkovit in natančen postopek, ki se uporablja za izpolnjevanje zahtevnih proizvodnih zahtev letalskega in vesoljskega sektorja.
V primerjavi s tradicionalno obdelavo ima lasersko rezanje visoko natančnost, manj materialnih odpadkov, hitro obdelavo, nizke stroške in manj vzdrževanja opreme. Poleg tega maksimira produktivnost, saj naredi vse potrebne spremembe pri obdelavi hitre in enostavne.
Laserji se lahko uporabljajo za izdelavo delov pritrdilnih elementov kril, delov šablone, delov končnih efektorjev, delov orodij itd. Enako je primeren za majhne komponente, kot so cepljena oljna tesnila in razdelilniki odzračevalnih kanalov iz titana, kot tudi za večje komponente, kot so izpušni stožci. Lahko obdeluje najrazličnejše vesoljske materiale, vključno z aluminijem, Hastelloy (nikelj, ki je bil legiran z elementi, kot sta molibden in krom), Inconel, Nitinol, Nitinol, nerjaveče 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, ojačenih z ogljikovimi vlakni (CFRP) v konstrukciji letal postaja vedno bolj priljubljena in se uporablja za zamenjavo kovičenja, kjer koli je to mogoče. Tehnike, kot je varjenje z laserskim tkanjem, so bile prav tako uspešne pri spajanju rezervoarjev za gorivo, izboljšanju učinkovitosti in trdnosti spoja, zmanjšanju števila predelav in prihranku veliko denarja. Drugi uspehi pri varjenju v letalstvu vključujejo spajanje litega jedra turbinske lopatice s pokrovno ploščo; in ustvarjanje nove vrste lahke krilne lopute, ki poveča nadzor laminarnega toka, zmanjša upor in optimizira učinkovitost goriva.
Lasersko varjenje lahko prihrani stroške, zmanjša težo sestavnih delov in izboljša kakovost zvarov v primerjavi s tradicionalnimi metodami, zato več proizvajalcev trenutno razmišlja o laserskem varjenju za proizvodnjo delov ogrodja letala.
Laser čiščenje
Proizvajalci v letalskem in vesoljskem sektorju uporabljajo lasersko čiščenje za odstranjevanje slojev kovinskih in kompozitnih površin v pripravi na strojno obdelavo, za odstranjevanje premazov ali korozije ter za odstranjevanje barve z velikih komponent ali celotnega letala pred ponovnim barvanjem.
Med postopkom čiščenja kovinska površina absorbira in izhlapi laser, s čimer se doseže ablacija površinskega materiala, medtem ko ima majhen učinek na material notranje plasti in ne bo povzročil naključne toplotne poškodbe komponent. Impulzni laserji z vlakni v kilovatnem razredu so še posebej primerni za hitro lasersko čiščenje – omogočajo učinkovito, visoko natančno čiščenje najrazličnejših materialov, vključno s keramiko, kompoziti, kovinami in plastiko.
V zadnjih letih se je uporaba kompozitnih materialov v letalih povečala, s tem pa tudi potreba po spajanju kovin s kompozitnimi materiali. V letalski in vesoljski proizvodnji se lahko uporabljajo lepila za spajanje teh dveh različnih materialov. Da bi ustvarili močno vez, je treba obe površini pred nanosom lepila skrbno pripraviti.
Lasersko čiščenje je idealno, ker ustvari zelo natančno nadzorovano, ponovljivo površinsko obdelavo, ki omogoča dosledno in predvidljivo lepljenje. Tradicionalno se to izvaja z destruktivnimi tehnikami razstreljevanja ali uporabo več kemikalij. Vendar lasersko čiščenje zdaj ponuja metodo v enem koraku, ki ni samo stroškovno učinkovitejša in produktivnejša, ampak ima tudi manjši vpliv na okolje, saj niso potrebne strupene kemikalije ali materiali za peskanje. Lasersko čiščenje je tudi veliko bolj nežno do delov kot tradicionalne metode.
Lasersko čiščenje kovinskih in kompozitnih delov letalje tudi bolj koristno kot kemično odstranjevanje ali tehnike peskanja, ko gre za odstranjevanje barve. Med svojo življenjsko dobo je lahko letalo 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 skrajša ta čas na 3-4 dni, odvisno od velikosti letala, poleg tega pa naredi dele lažje dostopne delavcem. Poleg tega, ko se uporablja za odstranjevanje barve in ne za kemično odstranjevanje ali peskanje, lasersko čiščenje nudi znatne prihranke pri stroških – na tisoče funtov na letalo, saj se nevarni odpadki zmanjšajo za približno 90 odstotkov ali več, zahteve glede ravnanja z materialom pa so manjše.
Lasersko luščenje/lasersko luščenje z udarcem
Obremenitve v kovinskih komponentah lahko privedejo do odpovedi zaradi utrujenosti kovin v komponentah letal, kot so lopatice ventilatorjev v reaktivnih motorjih, kar lahko povzroči škodo ali poškodbe. To je mogoče ublažiti s tehniko, imenovano lasersko luščenje.
V tem procesu so impulzi laserske svetlobe 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 predre komponento in ustvari tlačne preostale napetosti, ko se območje njegovega širjenja razširi. Te napetosti preprečujejo razpoke in druge oblike utrujenosti kovine. V primerjavi s tradicionalnimi postopki lahko lasersko utrjevanje podaljša življenjsko dobo kovinskih delov za 10-15-krat.
Lasersko luščenje se vse 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. Prilagodljivost dovajanja žarkov iz optičnih vlaken in prilagojena orodja omogočajo sistemu lasersko osvetlitev območij, ki jih letala težko dosežejo. Po mnenju partnerjev je sistem preboj v tehnologiji laserskega utrjevanja, ki bo izboljšal njegovo uporabo, vključno s podaljšanjem življenjske dobe lopatic reaktivnih motorjev in več.
Center za pripravljenost flote ameriške mornarice na vzhodu (FRCE) je prav tako pred kratkim zaključil validacijo postopka laserskega udarca, ki je bil uspešno uporabljen na letalu F-35B Lightning II. FRCE je ta postopek uporabil za okrepitev okvirja F-35B Lightning II, ne da bi dodal kakršen koli dodaten material ali težo, ki bi sicer omejevala njegovo zmogljivost za gorivo ali prenašanje orožja. To pomaga podaljšati pričakovano življenjsko dobo bojnih letal pete generacije, različic s kratkimi vzleti in pristanki, ki jih uporablja ameriški marinski korpus.
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 proizvajajo vedno več drugih komponent, ki imajo veliko število izvrtanih lukenj za kovičenje in vijačenje. Zato ima lasersko vrtanje na področju letalstva ogromen tržni potencial, saj zagotavlja natančen, ponovljiv, hiter in stroškovno učinkovit postopek.
Na primer, razvijajo se novi visokozmogljivi femtosekundni laserski sistemi za učinkovito in natančno mikrovrtanje velikih titanovih HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) plošč, ki se namestijo na stabilizatorje kril ali osi. Te plošče črpajo zrak skozi majhne luknjice, kar zmanjšuje trenje in porabo goriva.
Ker je lasersko vrtanje brezkontaktno, materiala, ki se obdeluje, ni treba pritrditi na enak način kot z običajnimi orodji. Druga prednost brezkontaktnosti je odsotnost obrabe orodja, kar predstavlja posebno prednost pri vrtanju komponent CFRP. Zaradi svoje trdote so lahko komponente CFRP zelo abrazivne za običajna orodja. Lasersko vrtanje se lahko izvaja tudi pri zelo visokih hitrostih, tako da prekomerna toplotna škoda ne poškoduje materiala, ki se obdeluje.
Additivna proizvodnja
Laserska aditivna proizvodnja (AM) se je hitro razvila tudi v vesoljski industriji. Pri tej tehniki laserji stopijo zaporedne plasti prahu, da oblikujejo oblike. Raketno podjetje s sedežem v Kaliforniji je nedavno celo naročilo dva 12-tiskalnika 3D z laserskim žarkom, da bi naredilo svoje vesoljske misije bolj ekonomične in učinkovite z ustvarjanjem lažjih, hitrejših in močnejših vesoljskih komponent.
Medtem ko je veliko projektov še 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, ki je na Mars prinesla 3D-natisnjene dele. To je keramična komponenta v instrumentu Sample Analysis at Mars (SAM), ki je del tekočega programa testiranja za raziskovanje zanesljivosti tehnik aditivne proizvodnje.
Medtem Nasin rover Perseverance, ki je februarja 2021 pristal na Marsu, vsebuje 11 kovinskih delov, ki so bili aditivno izdelani z laserji. Pet od teh komponent je v Perseveranceovem planetarnem instrumentu za rentgensko litokemijo (PIXL), ki išče znake fosilnega mikrobnega življenja na Marsu. Ti deli morajo biti tako lahki, da jih tradicionalne tehnike, kot so kovanje, oblikovanje in rezanje, ne morejo proizvesti.
NASA je eksperimentirala tudi z lasersko aditivno proizvodnjo komponent raket. V neki študiji je bila zgorevalna komora raketnega motorja izdelana iz bakrove zlitine. Nadaljnji razvoj te laserske aditivne proizvodnje je privedel do tega, da je bil del izdelan po približno polovični ceni in v eni šestini časa, ki je potreben za tradicionalno obdelavo, spajanje in sestavljanje. Ker je uporabljena bakrova zlitina zelo odbojna za infrardeče laserje, NASA zdaj raziskuje, kako lahko zeleni ali modri laserji izboljšajo učinkovitost in produktivnost.
Medtem ko je uporaba aditivne proizvodnje v vesolju še vedno v zgodnji fazi, se pričakuje, da bo v naslednjih 20 letih rasla.
Lasersko teksturiranje
Tudi lasersko teksturiranje je zelo nova aplikacija v vesoljski industriji. V tem procesu se ultrahitri laserji uporabljajo za ustvarjanje mikronanostruktur na površini letala s tehniko, imenovano vzorčenje neposredne laserske interference (DLIP), ki se uporablja za ustvarjanje naravnega "lotosovega učinka", ki ustvarja nanostrukture, ki pomagajo preprečiti površinsko kontaminacijo in preprečiti nabiranje ledu na letalu.
Inovativna optika razdeli močan ultra hiter laserski impulz na več delnih žarkov, ki se nato združijo na površini, ki jo je treba obdelati. Če jo pogledamo pod mikroskopom, je nastala mikrostruktura podobna mikroskopskim "dvoranam" iz "stebrov" ali valov. Razdalja med »stebri« je približno 150 nm do 30 μm – ta struktura pomeni, da vodne kapljice ne morejo več močiti površine in se nanjo lepijo, ker nimajo dovolj oprijema na površini.
Prednosti materiala za letala vključujejo večjo odpornost proti vodi, ledu in mrčesu. Ti se lahko prilepijo na površino letala in povečajo upor letala proti vetru ter s tem povečajo porabo goriva. Uporaba tega laserskega teksturiranja bi zmanjšala potrebo po strupenih kemičnih obdelavah, ki se trenutno uporabljajo na površinah letal, da bi se izognili zaledenitvi. Znano je, da se stara in sčasoma postane nagnjena k poškodbam. Poleg tega lahko laserske strukture, proizvedene z metodo DLIP, zdržijo leta, ne da bi povzročale skrbi za okolje.
