Az elmúlt években a repülés világa – ideértve a kereskedelmi és katonai repülőgépeket, műholdakat, űrhajókat, drónokat és pilóta nélküli légi járműveket (UAV) – drámai változásokon ment keresztül. Egyre több vállalat csatlakozik az űrversenyhez, amelyek közül sok innovatív gyártási technológiákat igényel.
Ezzel szemben az új koronajárvány okozta utazási korlátozások kereskedelmi repülésre gyakorolt hatása miatt a polgári repülőgépgyártás aránya harmadával csökkent.
2019-ben Európa a világ egyik vezető pozíciója volt a polgári repülőgépek és helikopterek, köztük a különböző alkatrészek és repülőgép-hajtóművek gyártásában, mintegy 400,{2}} munkahelyet és 130 milliárd eurós bevételt teremtve. Míg az űrkutatást és az űrvédelmet nagyrészt nem érintette a világjárvány, a polgári repülőgépgyártás még mindig javulóban van.
A 2023 februárjában megjelent "Uncertainty in Commercial Aerospace" (Uncertainty in Commercial Aerospace) című könyvében a McKinsey, egy jól ismert tanácsadó és kutató cég arról számolt be, hogy a világnak meg kell emésztenie 9400 utasszállító repülőgép (főleg keskeny törzsű repülőgépek) építését. ) 2027 végére. repülőgép) lemaradás. A légi utasforgalom jövőbeli növekedése, az ellátási láncok és a munkaerő állapota azonban bizonytalan. Ennek eredményeként a gyártóknak növelniük kell a termelési hatékonyságot és a rugalmasságot a lemaradások kezeléséhez és a kereslet jövőbeni változásaihoz való reagáláshoz.
A lézeres feldolgozás azon képessége, hogy növelje a termelékenységet és alacsonyan tartsa a költségeket, kulcsszerepet játszhat abban, hogy a repülőgépipar ezt a választ adja. A lézeres feldolgozás – a vágás, hegesztés, kivágás és fúrás formájában végzett műveletek – a repülőgépgyártás szerves részévé vált.
A lézereket például repülőgépszárnyak szárnyainak, szárnyrögzítőinek, sugárhajtómű-alkatrészeinek és ülésalkatrészeinek készítésére használják, valamint turbinák javítására, az alkatrészek festékének tisztítására vagy eltávolítására, valamint az alkatrészek további feldolgozásra való előkészítésére is. rész felülete. Az elmúlt években a lézeres additív gyártás (AM) népszerűsége az űrrepülésben is nőtt. Emellett a piac a repülőgép-alkatrészek nyomon követhetőségének javítását reméli, és a lézeres jelöléssel szemben támasztott követelmények is növekednek.
Lézeres vágás és hegesztés
A lézeres vágás egy gyors, költséghatékony és precíz eljárás, amelyet a repülőgép-szektor gyártási követelményeinek kielégítésére használnak.
A hagyományos feldolgozással összehasonlítva a lézervágás nagy pontossággal, kevesebb anyagveszteséggel, gyors feldolgozási sebességgel, alacsony költséggel és kevesebb berendezés-karbantartással rendelkezik. Ezen túlmenően maximalizálja a termelékenységet, mivel gyorsan és egyszerűen elvégez minden szükséges változtatást a megmunkáláson.
A lézerekkel szárnyrögzítő alkatrészeket, fúróalkatrészeket, végkiegyenlítő alkatrészeket, szerszámrészeket stb. lehet gyártani. Ugyanolyan alkalmas kis alkatrészekhez, mint például oltott olajtömítések és titán légtelenítő csatorna elosztók, valamint nagyobb alkatrészekhez, például kipufogó kúpokhoz. Sokféle repülőgép-ipari anyag megmunkálására alkalmas, beleértve az alumíniumot, a Hastelloyt (nikkelt, amelyet olyan elemekkel ötvöztek, mint például a molibdén és a króm), az Inconel, a Nitinol, a Nitinol, a rozsdamentes acél, a tantál és a titán.
A lézeres hegesztést a repülésben is használják a hagyományos összekapcsolási módszerek, például a ragasztás és a mechanikus rögzítés alternatívájaként. Például a könnyű alumíniumötvözetek és a szénszál-erősítésű polimerek (CFRP) lézerhegesztésének alkalmazása a repülőgépgyártásban egyre nagyobb teret hódít, és ahol csak lehetséges, a szegecselés helyettesítésére használják. Az olyan technikák, mint a lézeres szövésű hegesztés, szintén sikeresek voltak az üzemanyagtartályok összekapcsolásában, javították az ízületek hatékonyságát és szilárdságát, csökkentették az utómunkálatokat, és sok pénzt takarítottak meg. További hegesztési sikerek a repülésben: a turbinalapát öntött magjának a fedőlemezhez való csatlakoztatása; és egy új típusú könnyű szárnyszárny létrehozása, amely növeli a lamináris áramlás szabályozását, minimalizálja a légellenállást és optimalizálja az üzemanyag-hatékonyságot.
A lézeres hegesztés a hagyományos módszerekhez képest költségmegtakarítást, az alkatrészek tömegének csökkentését és a hegesztési minőség javítását rejti magában, és jelenleg is több gyártó fontolgatja a lézerhegesztés lehetőségét a repülőgépváz alkatrészek gyártásához.
Laser tisztítás
A repülőgépiparban dolgozó gyártók lézeres tisztítást alkalmaznak a fém- és kompozit felületek rétegeinek eltávolítására a megmunkálásra való felkészülés során, a bevonatok vagy a korrózió eltávolítására, valamint a festék eltávolítására a nagy alkatrészekről vagy az egész repülőgépről az újrafestés előtt.
A tisztítási folyamat során a lézert a fémfelület elnyeli és elpárologtatja, ezáltal eléri a felületi anyag ablációját, miközben csekély hatással van a belső réteg anyagára, és nem okoz véletlenszerű hőkárosodást az alkatrészekben. A kilowatt-osztályba tartozó impulzusos szálas lézerek különösen alkalmasak a gyors lézeres tisztításra – hatékony, nagy pontosságú tisztítást tesznek lehetővé sokféle anyagon, beleértve a kerámiákat, kompozitokat, fémeket és műanyagokat.
Az elmúlt években megnövekedett a kompozit anyagok repülőgépekben való felhasználása, és ezzel párhuzamosan a fémek kompozit anyagokkal való összekapcsolásának szükségessége is. A repülőgépgyártásban ragasztók használhatók e két eltérő anyag összekapcsolására. Az erős kötés kialakításához a két felületet gondosan elő kell készíteni a ragasztó felhordása előtt.
A lézeres tisztítás ideális, mert nagyon szigorúan ellenőrzött, reprodukálható felületet hoz létre, amely egyenletes, kiszámítható kötést tesz lehetővé. Hagyományosan ezt roncsolásos robbantási technikákkal vagy többféle vegyszer alkalmazásával hajtották végre. A lézeres tisztítás azonban ma már egy egylépéses módszert kínál, amely nemcsak költséghatékonyabb és termelékenyebb, hanem kisebb a környezetre gyakorolt hatása is, mivel nincs szükség mérgező vegyszerekre vagy robbantási anyagokra. A lézeres tisztítás is sokkal kíméletesebb az alkatrészeken, mint a hagyományos módszerek.
Fém és kompozit repülőgépalkatrészek lézeres tisztításais előnyösebb, mint a vegyszeres vagy szemcseszórási technikák, ha festékeltávolításról van szó. Hasznos élettartama során egy repülőgépet 4-5 alkalommal lehet átfesteni, és a festék eltávolítása a teljes repülőgépről hagyományos technikákkal akár egy hétig is eltarthat. Ezzel szemben a lézeres tisztítás a repülőgép méretétől függően 3-4 napra csökkentheti ezt az időt, és a dolgozók számára is elérhetőbbé teszi az alkatrészeket. Ezen túlmenően, ha festékeltávolításra használják, nem pedig vegyszeres eltávolításra vagy szemcseszórásra, a lézeres tisztítás jelentős költségmegtakarítást tesz lehetővé – repülőgépenként több ezer fontot, mivel a veszélyes hulladék mennyisége körülbelül 90 százalékkal vagy még többel csökken, és az anyagkezelési követelmények is csökkennek.
Lézeres peening/lézeres sokkolás
A fém alkatrészeken belüli feszültségek fémkifáradáshoz vezethetnek a repülőgép-alkatrészekben, például a sugárhajtóművek ventilátorlapátjaiban, ami károsodást vagy sérülést okozhat. Ez enyhíthető a lézeres peening technikával.
Ebben a folyamatban a lézerfény impulzusait egy nagy feszültségkoncentrációjú területre irányítják, és minden impulzus egy apró plazmarobbanást gyújt meg az alkatrész felülete és a tetejére permetezett vízréteg között. A vízréteg korlátozza a robbanást, aminek következtében a lökéshullám áthatol az alkatrészen, és nyomómaradék feszültségeket hoz létre, ahogy terjedési területe tágul. Ezek a feszültségek ellensúlyozzák a repedést és a fémfáradás egyéb formáit. A hagyományos eljárásokkal összehasonlítva a lézeres megerősítés 10-15-szeresére növelheti a fém alkatrészek élettartamát.
A lézeres vágást egyre gyakrabban használják a repülőgépiparban. Például az LSP Technologies és az Airbus közösen kifejlesztett egy hordozható lézeres tisztítórendszert, amelyet nemrégiben teszteltek és értékeltek az Airbus franciaországi toulouse-i karbantartó és javító üzemében.
A Leopard lézeres lehúzó rendszer meghosszabbítja a fáradtság élettartamát azáltal, hogy gátolja a repedések keletkezését és továbbterjedését, amelyeket ciklikus vibrációs feszültség okoz. A száloptikai sugár szállításának rugalmassága és az egyedi szerszámok lehetővé teszik, hogy a rendszer lézerrel megvilágítsa azokat a területeket, amelyeket a repülőgépek nehezen érnek el. A partnerek szerint a rendszer áttörést jelent a lézeres erősítési technológiában, amely előmozdítja a használatát, beleértve a sugárhajtómű-lapátok élettartamának meghosszabbítását és még sok mást.
Az Egyesült Államok haditengerészetének keleti flottakészültségi központja (FRCE) szintén a közelmúltban fejezte be az F-35B Lightning II repülőgépen sikeresen alkalmazott lézersokkolásos kivonási eljárás validálását. Az FRCE az eljárást az F-35B Lightning II vázának megerősítésére használta anélkül, hogy bármilyen további anyagot vagy súlyt hozzáadott volna, ami egyébként korlátozná az üzemanyag- vagy fegyverszállítási képességeket. Ez segít meghosszabbítani az ötödik generációs vadászrepülőgépek, az Egyesült Államok tengerészgyalogság által használt rövid fel- és leszállási változatainak várható élettartamát.
Laser fúrás
A modern repülőgép-hajtóművek körülbelül 500,{1}} lyukat tartalmaznak, ami körülbelül 100-szor annyi, mint az 1980-as években gyártott hajtóművek. Ugyanakkor a repülőgépgyártók egyre több olyan alkatrészt gyártanak, amelyekben nagyszámú fúrt lyuk található a szegecseléshez és csavarozáshoz. Ezért az űrkutatás területén a lézerfúrás óriási piaci potenciállal rendelkezik, mert precíz, megismételhető, gyors és költséghatékony folyamatot biztosít.
Például új, nagy teljesítményű femtoszekundumos lézerrendszereket fejlesztenek ki nagyméretű titán HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) panelek hatékony és precíz mikrofúrásához, amelyeket szárny- vagy empennage stabilizátorokra kell szerelni. Ezek a panelek kis lyukakon keresztül szívják be a levegőt, ami csökkenti a súrlódási ellenállást és az üzemanyag-fogyasztást.
Mivel a lézerfúrás érintésmentes, a megmunkálandó anyagot nem kell ugyanúgy rögzíteni, mint a hagyományos szerszámokkal. Az érintésmentesség másik előnye a szerszámkopás hiánya, ami különösen előnyös a CFRP alkatrészek fúrási műveletei során. Keménysége miatt a CFRP alkatrészek nagyon koptató hatásúak lehetnek a hagyományos szerszámokkal szemben. A lézerfúrás nagyon nagy sebességgel is elvégezhető, így a hő okozta túlzott károk nem károsítják a feldolgozandó anyagot.
Additív gyártás
A lézer additív gyártás (AM) szintén gyorsan fejlődött a repülőgépiparban. Ebben a technikában a lézerek egymás utáni porrétegeket olvasztják fel, hogy formákat alkossanak. Egy kaliforniai székhelyű rakétagyártó cég a közelmúltban még két 12-lézersugaras 3D nyomtatót is rendelt, hogy könnyebb, gyorsabb és erősebb űrkomponensek létrehozásával gazdaságosabbá és hatékonyabbá tegyék űrküldetéseit.
Bár sok projekt még tesztelési fázisban van, a lézeradalékos gyártást már két Mars-küldetés során is sikeresen alkalmazták. A NASA Curiosity roverje, amely 2012 augusztusában landolt, volt az első küldetés, amely 3D-nyomtatott alkatrészeket vitt a Marsra. Ez egy kerámia alkatrész a Sample Analysis at Mars (SAM) műszerben, amely egy folyamatban lévő tesztelési program része, amely az additív gyártási technikák megbízhatóságát vizsgálja.
Eközben a NASA Perseverance roverje, amely 2021 februárjában landolt a Marson, 11 fém alkatrészt tartalmaz, amelyeket lézerrel összeadva gyártottak. Ezek közül öt a Perseverance Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL) nevű eszközében található, amely a Marson fosszilis mikrobiális élet jeleit keresi. Ezeknek az alkatrészeknek annyira könnyűnek kell lenniük, hogy a hagyományos technikákkal, például kovácsolással, fröccsöntéssel és vágással ne tudják előállítani őket.
A NASA a rakétaalkatrészek lézeres adalékos gyártásával is kísérletezett. Egy tanulmányban egy rakétamotor égésterét rézötvözetből gyártották. Ennek a lézeres adalékos gyártásnak a folyamatos fejlesztése azt eredményezte, hogy az alkatrészt nagyjából feleannyi költséggel és a hagyományos megmunkáláshoz, illesztéshez és összeszereléshez szükséges idő egyhatodával gyártják. Mivel a használt rézötvözet erősen tükrözi az infravörös lézereket, a NASA most azt vizsgálja, hogy a zöld vagy kék lézerek hogyan javíthatják a hatékonyságot és a termelékenységet.
Míg az additív gyártás a repülőgépiparban még korai szakaszában van, a következő 20 évben várhatóan növekedni fog.
Lézeres textúra
A lézeres textúra a repülőgépiparban is nagyon új alkalmazás. Ebben a folyamatban ultragyors lézerekkel mikro-nanostruktúrákat hoznak létre a repülőgép felszínén a közvetlen lézeres interferencia-mintázatnak (DLIP) nevezett technikával, amely természetes "lótusz-effektus" létrehozására szolgál, amely nanostruktúrákat hoz létre, amelyek segítenek megakadályozni a felszínt. szennyeződést és megakadályozza a jég felhalmozódását a repülőgépeken.
Az innovatív optika egy nagy teljesítményű ultragyors lézerimpulzust több részsugárra oszt fel, amelyeket aztán egyesítenek a feldolgozandó felületen. Mikroszkóp alatt szemlélve a létrejövő mikrostruktúra mikroszkopikus "csarnokokhoz" hasonlít, amelyek "pillérekből" vagy hullámokból állnak. Az "oszlopok" közötti távolság körülbelül 150 nm és 30 μm között van - ez a szerkezet azt jelenti, hogy a vízcseppek már nem tudják átnedvesíteni a felületet, és nem tapadnak hozzá, mert nincs kellő tapadásuk a felületen.
A repülőgépek anyagának előnyei közé tartozik a fokozott víz-, jég- és rovarriasztó képesség. Ezek rátapadhatnak a repülőgép felületére, és növelhetik a repülőgép szélellenállását, ezáltal növelve az üzemanyag-fogyasztást. Ennek a lézeres textúrának az alkalmazása csökkentené a jelenleg a repülőgépek felületén alkalmazott mérgező vegyi kezelések szükségességét a jegesedés elkerülése érdekében. Ismeretes, hogy idővel öregszik, és hajlamossá válik a károsodásra. Ezenkívül a DLIP-módszerrel előállított lézeres szerkezetek évekig kitartanak anélkül, hogy környezeti aggályokat okoznának.
