Under de senaste åren har flyg- och rymdvärlden – inklusive kommersiella och militära flygplan, satelliter, rymdfarkoster, drönare och obemannade flygfarkoster (UAV) – genomgått några dramatiska förändringar. Fler och fler företag ansluter sig till rymdkapplöpningen, varav många kräver innovativ tillverkningsteknik.
Däremot har effekterna av reserestriktioner på kommersiellt flyg orsakade av den nya kronepidemin gjort att produktionen av civila flygplan har sjunkit med en tredjedel.
Under 2019 var Europa en av världsledande inom produktion av civila flygplan och helikoptrar, inklusive olika komponenter och flygmotorer, och stödde cirka 400,000 jobb och genererade intäkter på 130 miljarder euro. Medan rymdutforskning och försvar i stort sett har förblivit opåverkade av pandemin, återhämtar sig produktionen av civila flygplan fortfarande.
I "Uncertainty in Commercial Aerospace" (Uncertainty in Commercial Aerospace), som publicerades i februari 2023, rapporterade McKinsey, ett välkänt konsult- och forskningsföretag, att världen behöver smälta konstruktionen av 9 400 passagerarflygplan (främst smalkroppsjetplan) ) i slutet av 2027. flygplan) eftersläpning. Men det råder osäkerhet om den framtida tillväxten av flygpassagerartrafiken, leverantörskedjornas och arbetskraftens hälsa. Som ett resultat måste tillverkare öka produktionseffektiviteten och flexibiliteten för att hantera eftersläpningar och svara på framtida förändringar i efterfrågan.
Laserbearbetningens förmåga att öka produktiviteten och hålla kostnaderna låga kan spela en nyckelroll för att möjliggöra detta svar från flygindustrin. Laserbearbetning - operationer i form av skärning, svetsning, blästring och borrning - har blivit en integrerad del av flygtillverkning.
Till exempel används lasrar för att tillverka klaffar för flygplansvingar, vingfästen, jetmotordelar och sätesdelar, och används även för att reparera turbiner, rengöra eller ta bort färg från delar och förbereda delar för vidare bearbetning. delyta. Under de senaste åren har lasertillsatstillverkning (AM) även ökat i popularitet inom rymdfärder. Dessutom hoppas marknaden förbättra spårbarheten för flygkomponenter och kraven på lasermärkning ökar också.
Laserskärning och svetsning
Laserskärning är en snabb, kostnadseffektiv och exakt process som används för att möta de krävande tillverkningskraven inom flygsektorn.
Jämfört med traditionell bearbetning har laserskärning hög precision, mindre materialavfall, snabb bearbetningshastighet, låg kostnad och mindre utrustningsunderhåll. Dessutom maximerar den produktiviteten eftersom den gör alla nödvändiga ändringar av bearbetningen snabbt och enkelt.
Lasrar kan användas för att producera vingfästdelar, jiggdelar, ändeffektordelar, verktygsdelar och mer. Den är lika lämplig för små komponenter som ympade oljepackningar och grenrör för avluftningskanaler av titan, såväl som större komponenter som avgaskoner. Den kan bearbeta en mängd olika flyg- och rymdmaterial, inklusive aluminium, Hastelloy (nickel som har legerats med element som molybden och krom), Inconel, Nitinol, Nitinol, rostfritt stål, tantal och titan.
Lasersvetsning används även inom flyg- och rymdindustrin som ett alternativ till traditionella sammanfogningsmetoder såsom limning och mekanisk fästning. Användningen av lasersvetsning av lättviktsaluminiumlegeringar och kolfiberförstärkta polymerer (CFRP) i flygplanskonstruktioner vinner till exempel dragkraft och används för att ersätta nitning där det är möjligt. Tekniker som laservävsvetsning har också varit framgångsrika när det gäller att sammanfoga bränsletankar, förbättra fogeffektiviteten och styrkan, minska efterarbeten och spara mycket pengar. Andra svetsframgångar inom flyg- och rymdindustrin inkluderar sammanfogning av den gjutna kärnan av ett turbinblad till täckplattan; och skapa en ny typ av lättviktsvinge som ökar laminärt flödeskontroll, minimerar motståndet och optimerar bränsleeffektiviteten.
Lasersvetsning har potential att spara kostnader, minska komponentvikten och förbättra svetskvaliteten jämfört med traditionella metoder, och flera tillverkare överväger för närvarande lasersvetsning för tillverkning av flygplansdelar.
Laser rengöring
Tillverkare inom flygsektorn använder laserrengöring för att ta bort lager av metall och kompositytor som förberedelse för bearbetning, för att ta bort beläggningar eller korrosion och för att ta bort färg från stora komponenter eller hela flygplan före ommålning.
Under rengöringsprocessen absorberas och förångas lasern av metallytan, varigenom ablationen av ytmaterialet uppnås, samtidigt som den har liten effekt på det inre skiktmaterialet, och kommer inte att orsaka oavsiktlig termisk skada på komponenterna. Pulsade fiberlasrar i kilowattklassen är särskilt väl lämpade för snabb laserrengöring - de möjliggör effektiv rengöring med hög precision av en mängd olika material inklusive keramik, kompositer, metaller och plaster.
Under de senaste åren har användningen av kompositmaterial i flygplan ökat, och så har behovet av att foga samman metaller till kompositmaterial ökat. Inom flygtillverkning kan lim användas för att sammanfoga dessa två olika material. För att skapa en stark bindning måste de två ytorna förberedas noggrant innan limmet appliceras.
Laserrengöring är idealiskt eftersom det skapar en mycket hårt kontrollerad, reproducerbar ytfinish som möjliggör konsekvent, förutsägbar bindning. Traditionellt skulle detta ske genom destruktiva sprängtekniker eller applicering av flera kemikalier. Men laserrengöring erbjuder nu en enstegsmetod som inte bara är mer kostnadseffektiv och produktiv utan också har en lägre miljöpåverkan eftersom inga giftiga kemikalier eller blästringsmaterial krävs. Laserrengöring är också mycket skonsammare mot delar än traditionella metoder.
Laserrengöring av metall och sammansatta flygplansdelarär också mer fördelaktigt än kemisk strippning eller blästringstekniker när det gäller färgborttagning. Under dess användbara livslängd kan ett flygplan målas om 4-5 gånger, och det kan ta en vecka eller mer att ta bort färgen från hela flygplanet med traditionella tekniker. Däremot kan laserrengöring minska denna tid till 3-4 dagar, beroende på flygplanets storlek, och det gör också delar mer tillgängliga för arbetare. När laserrengöring används för borttagning av färg snarare än för kemisk strippning eller blästring, erbjuder laserrengöring betydande kostnadsbesparingar – tusentals pund per flygplan, eftersom farligt avfall minskar med cirka 90 procent eller mer och kraven på materialhantering minskar.
Laserbläsning/laserchockpenning
Spänningar i metallkomponenter kan leda till metallutmattningsfel i flygplanskomponenter som fläktblad i jetmotorer, vilket har potential att orsaka skada eller personskada. Detta kan mildras med en teknik som kallas laserpeening.
I denna process riktas pulser av laserljus in i ett område med hög stresskoncentration, och varje puls antänder en liten explosion av plasma mellan ytan av komponenten och ett lager vatten som sprutas ovanpå. Vattenskiktet begränsar explosionen, vilket gör att stötvågen penetrerar komponenten och genererar kvarvarande tryckspänningar när dess utbredningsområde expanderar. Dessa spänningar motverkar sprickbildning och andra former av metallutmattning. Jämfört med traditionella processer kan laserförstärkning förlänga livslängden för metalldelar med 10-15 gånger.
Laserpeening används alltmer inom flygindustrin. Till exempel har LSP Technologies och Airbus tillsammans utvecklat ett bärbart laserblästringssystem som nyligen testades och utvärderades vid Airbus underhålls- och reparationsanläggning i Toulouse, Frankrike.
Leopard-laserblästringssystemet förlänger utmattningslivslängden genom att förhindra uppkomsten och fortplantningen av sprickor orsakade av cyklisk vibrationsbelastning. Flexibiliteten hos leverans av fiberoptiska strålar och anpassade verktyg gör att systemet kan laserbelysa områden som är svåra för flygplan att nå. Enligt partnerna är systemet ett genombrott inom laserförstärkande teknologi som kommer att främja användningen, inklusive förlängning av livslängden på jetmotorblad med mera.
US Navy's Fleet Readiness Center East (FRCE) slutförde också nyligen valideringen av en laserchockblästringsprocess som framgångsrikt har använts på F-35B Lightning II-flygplanet. FRCE använde processen för att stärka ramen på F-35B Lightning II utan att lägga till något extra material eller vikt som annars skulle begränsa dess bränsle- eller vapenbärande förmåga. Detta bidrar till att förlänga den förväntade livslängden för femte generationens stridsflygplan, varianterna för kort start och landning som används av US Marine Corps.
Laser borrning
Moderna flygmotorer har cirka 500,000 hål, cirka 100 gånger så många som motorer byggda på 1980-talet. Samtidigt tillverkar flygplanstillverkarna ett ökande antal andra komponenter som har ett stort antal borrade hål för nitning och skruvning. Därför, inom flyg- och rymdområdet, har laserborrning en enorm marknadspotential, eftersom den ger en exakt, repeterbar, snabb och kostnadseffektiv process.
Till exempel utvecklas nya högeffekts femtosekundlasersystem för effektiv och exakt mikroborrning av stora titanium HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) paneler som ska monteras på ving- eller empennage-stabilisatorer. Dessa paneler drar in luft genom små hål, vilket minskar friktionsmotståndet och minskar bränsleförbrukningen.
Eftersom laserborrning är beröringsfri behöver materialet som bearbetas inte fixeras på samma sätt som det är med konventionella verktyg. En annan fördel med att vara kontaktlös är frånvaron av verktygsslitage, vilket representerar en särskild fördel vid borrning av CFRP-komponenter. På grund av sin hårdhet kan CFRP-komponenter vara mycket nötande för konventionella verktyg. Laserborrning kan också utföras med mycket höga hastigheter så att överdriven värmeskada inte skadar materialet som bearbetas.
Aadditiv tillverkning
Laser additiv tillverkning (AM) har också utvecklats snabbt inom flygindustrin. I denna teknik smälter lasrar på varandra följande lager av pulver för att bygga former. Ett raketföretag baserat i Kalifornien beställde nyligen till och med två 12-laserstråle-3D-skrivare för att göra sina rymduppdrag mer ekonomiska och effektiva genom att skapa lättare, snabbare och starkare rymdkomponenter.
Medan många projekt fortfarande är i testfasen, har lasertillverkning redan använts framgångsrikt på två uppdrag till Mars. NASA:s Curiosity-rover, som landade i augusti 2012, var det första uppdraget att föra 3D-printade delar till Mars. Detta är en keramisk komponent inuti instrumentet Sample Analysis at Mars (SAM), en del av ett pågående testprogram för att undersöka tillförlitligheten hos additiv tillverkningsteknik.
Samtidigt innehåller NASA:s Perseverance-rover, som landade på Mars i februari 2021, 11 metalldelar som additivt tillverkades med lasrar. Fem av dessa komponenter finns i Perseverances Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL), som söker efter tecken på fossilt mikrobiellt liv på Mars. Dessa delar måste vara så lätta att traditionella tekniker som smide, gjutning och skärning inte kan producera dem.
NASA har också experimenterat med lasertillverkning av raketkomponenter. I en studie tillverkades förbränningskammaren i en raketmotor av en kopparlegering. Den fortsatta utvecklingen av denna lasertillverkning har resulterat i att delen tillverkas till ungefär halva kostnaden och till en sjättedel av den tid som krävs för traditionell bearbetning, sammanfogning och montering. Eftersom kopparlegeringen som används är mycket reflekterande för infraröda lasrar, undersöker NASA nu hur gröna eller blå lasrar kan förbättra effektiviteten och produktiviteten.
Även om användningen av additiv tillverkning inom flyg- och rymdindustrin fortfarande är i ett tidigt skede, förväntas den växa under de kommande 20 åren.
Lasertexturering
Lasertexturering är också en mycket ny applikation inom flygindustrin. I denna process används ultrasnabba lasrar för att skapa mikronanostrukturer på flygplanets yta genom en teknik som kallas direkt laserinterferensmönster (DLIP), som används för att skapa en naturlig "lotuseffekt", som skapar nanostrukturer som hjälper till att förhindra yta kontaminering och förhindra isbildning på flygplan.
Innovativ optik delar upp en kraftfull ultrasnabb laserpuls i flera delstrålar, som sedan kombineras på ytan som ska bearbetas. När den ses under ett mikroskop liknar den resulterande mikrostrukturen mikroskopiska "hallar" gjorda av "pelare" eller korrugeringar. Avståndet mellan "pelarna" är cirka 150nm till 30μm - den här strukturen gör att vattendropparna inte längre kan väta ytan och fastna på den eftersom de inte har tillräckligt med grepp på ytan.
Fördelarna med materialet för flygplan inkluderar ökad vatten-, is- och insektsavstötning. Dessa kan fastna på flygplanets yta och öka flygplanets vindmotstånd och därigenom öka bränsleförbrukningen. Att applicera denna lasertexturering skulle minska behovet av giftiga kemiska behandlingar som för närvarande tillämpas på flygplansytor för att undvika isbildning. Det är känt att det åldras och blir benäget att skadas med tiden. Dessutom kan laserstrukturer tillverkade med DLIP-metoden hålla i åratal utan att orsaka miljöproblem.
