V posledních letech prošel letecký sektor – včetně komerčních a vojenských letadel, satelitů, kosmických lodí, dronů a bezpilotních vzdušných prostředků (UAV) – několika zásadními změnami. Rostoucí počet společností se zapojil do vesmírného závodu, z nichž mnohé vyžadují inovativní výrobní technologie.
Naproti tomu dopad omezení cestování způsobených pandemií na komerční letectví vedl k poklesu výroby civilních letadel o jednu třetinu.
V roce 2019 byla Evropa jedním z globálních lídrů ve výrobě civilních letadel a vrtulníků (včetně různých součástí a leteckých motorů), poskytovala přibližně 400{2}} pracovních míst a generovala příjmy ve výši 130 miliard EUR. Zatímco průzkum vesmíru a obrana jsou pandemií New Crown z velké části nedotčeny, výroba a výroba civilních letadel jsou stále ve fázi obnovy.
Přední konzultační a výzkumná firma McKinsey ve své publikaci Uncertainty in Commercial Aerospace z února 2023 uvádí, že svět musí do konce roku 2027 absorbovat nevyřízené objednávky na stavbu 9 400 osobních letadel (hlavně úzkotrupých tryskových letadel). o budoucím růstu letecké osobní dopravy, dodavatelském řetězci a zdraví pracovní síly. V důsledku toho musí výrobci zlepšit produktivitu a flexibilitu, aby zvládli nevyřízené položky a reagovali na budoucí změny v poptávce.
Schopnost laserového zpracování zvýšit produktivitu a udržet nízké náklady může hrát klíčovou roli při umožnění této reakce v leteckém průmyslu. Laserové zpracování - ve formě řezání, svařování, brokování a vrtání - se stalo nedílnou součástí letecké výroby.
Lasery se například používají k výrobě vztlakových klapek letadel, upevňovacích prvků křídel, součástí proudových motorů a částí sedadel, ale také k opravám turbín, čištění nebo odstraňování nátěrů z dílů a přípravě povrchů součástí pro další zpracování. V posledních letech je laserová aditivní výroba (AM) také stále populárnější v leteckém sektoru. Kromě toho chce trh zlepšit sledovatelnost leteckých součástí a s tím roste poptávka po laserovém značení.
Řezání a svařování laserem
Řezání laserem je rychlý, nákladově efektivní a přesný proces, který lze použít ke splnění náročných výrobních požadavků leteckého a kosmického sektoru.
Ve srovnání s tradičním zpracováním nabízí řezání laserem vysokou přesnost, menší odpad materiálu, vyšší rychlost zpracování, nižší náklady a méně údržby zařízení. Kromě toho lze maximalizovat produktivitu, protože umožňuje rychlé a snadné provádění jakýchkoli nezbytných změn v procesu.
Laser lze použít k výrobě dílů upevňovacích prvků křídel, dílů upínačů, dílů koncových efektorů, dílů nástrojů atd. Je stejně vhodný pro malé díly, jako jsou těsnění roubovaného oleje a titanové rozvody pilotní trubice, stejně jako větší díly, např. jako výfukové kužely. Může zpracovávat různé letecké materiály, včetně hliníku, Hastelloy (nikl, který byl legován prvky jako molybden a chrom), Inconel, Nitinol, Nitinol, nerezová ocel, tantal a titan.
Laserové svařování se také používá v letectví jako alternativa k tradičním metodám spojování, jako je lepení a mechanické upevnění. Například použití laserového svařování lehkých hliníkových slitin a polymerů vyztužených uhlíkovými vlákny (CFRP) při výrobě letadel je stále více ceněno a všude, kde je to možné, se používá jako náhrada nýtovaných spojů. Technologie, jako je laserové švihové svařování, byly také úspěšné u spojů palivových nádrží, zlepšily efektivitu a pevnost spoje, omezily přepracování a poskytly významné úspory nákladů. Mezi další úspěchy svařování v letectví patří připojení litých jader turbínových lopatek ke krytům; a vytváření nových typů lehkých vztlakových klapek, které zvyšují regulaci laminárního proudění, minimalizují odpor vzduchu a optimalizují spotřebu paliva.
Vzhledem k potenciálu úspor nákladů, snížení hmotnosti součástí a zlepšené kvalitě svarů ve srovnání s tradičními metodami několik výrobců na trhu již nyní zvažuje laserové svařování dílů draků letadel.
Laserové čištění
Výrobci v leteckém průmyslu používají laserové čištění k odstranění vrstev z kovových a kompozitních povrchů při přípravě na obrábění, k odstranění povlaků nebo koroze a k odstranění barvy z velkých dílů nebo celých letadel před přelakováním.
Během procesu čištění je laserové světlo absorbováno a odpařováno povrchovou vrstvou kovu, což vede k ablaci povrchového materiálu s malým nebo žádným účinkem na vnitřní vrstvu a bez vedlejšího tepelného poškození součásti. Pulzní vláknové lasery třídy kilowatt se obzvláště dobře hodí pro rychlé laserové čištění – dokážou čistit širokou škálu materiálů včetně keramiky, kompozitů, kovů a plastů s vysokou účinností a přesností.
Použití kompozitů v letadlech se v posledních letech zvýšilo a s tím souvisí i potřeba spojovat kovy do kompozitů. V letecké výrobě lze ke spojení těchto dvou různých materiálů použít lepidla, a aby se vytvořil pevný spoj, musí být oba povrchy před aplikací lepidla pečlivě připraveny ke zpracování.
Laserové čištění je ideální volbou, protože vytváří velmi přísně kontrolovaný, reprodukovatelný povrchový efekt, který je schopen dosáhnout konzistentního, předvídatelného spojení. Tradičně by toho bylo dosaženo pomocí technik destruktivního tryskání nebo aplikací několika chemikálií. Laserové čištění však nyní nabízí jednostupňový přístup, který je nejen nákladově efektivnější a produktivnější, ale má také mnohem nižší dopad na životní prostředí, protože nejsou potřeba žádné toxické chemikálie ani tryskací materiály. Laserové čištění je také mnohem šetrnější k dílům než tradiční metody.
Laserové čištění kovových a kompozitních součástí letadel je také výhodnější než chemické odstraňování nátěrů nebo tryskání, pokud jde o odstraňování nátěrů. Během své životnosti může být letadlo přelakováno 4-5krát a odstranění nátěru z celého letadla pomocí tradičních technik může trvat týden nebo déle. Naproti tomu laserové čištění může tuto dobu zkrátit na 3-4 dní v závislosti na velikosti letadla a také umožňuje pracovníkům snadnější přístup k součástem. Kromě toho, pokud je laserové čištění použito spíše k odstraňování nátěrů než k chemickému odstraňování nebo otryskávání, může vést ke značným úsporám nákladů – tisíce liber na letadlo –, protože nebezpečný odpad se sníží asi o 90 procent nebo více a požadavky na manipulaci s materiálem se sníží.
Laserové tryskání/Laserové impaktní peening
Napětí v kovových součástech může vést k únavě kovu v letadlových součástech, jako jsou lopatky ventilátoru v proudových motorech, což může potenciálně způsobit poškození nebo zranění. To lze zmírnit technikou známou jako laserové peening.
V tomto procesu jsou laserové pulsy nasměrovány do oblasti s vysokou koncentrací napětí a každý puls zapálí malý plazmový výboj mezi povrchem součásti a vrstvou vody nastříkané navrch. Vrstva vody omezuje nápor, který způsobí, že rázová vlna pronikne součástí a vytvoří zbytková tlaková napětí, jak se oblast jejího šíření rozšiřuje. Tato napětí působí proti praskání a dalším formám únavy kovu. Laserové otryskávání může prodloužit životnost kovových součástí 10-15krát ve srovnání s konvenčními procesy.
Laserové peening se stále více používá v leteckém průmyslu. Například LSP Technologies a Airbus společně vyvinuly přenosný laserový peening systém, který byl nedávno testován a hodnocen v údržbě a opravách Airbusu ve francouzském Toulouse.
Laserový peening systém Leopard prodlouží únavovou životnost tím, že zabrání vzniku a expanzi trhlin způsobených cyklickým vibračním namáháním. Flexibilita dodávky paprsku z optických vláken a vlastní nástroje umožňují systému laserovat těžko dostupné oblasti letadla. Podle partnerů je systém průlomem v technologii laserového peeningu a posune jeho použití, mimo jiné včetně prodloužení životnosti lopatek proudových motorů.
Středisko připravenosti flotily amerického námořnictva East (FRCE) také nedávno dokončilo ověření procesu zpevnění laserovým nárazem, který byl úspěšně použit na letounu F-35B Lightning II. FRCE použila tento proces ke zpevnění rámu F-35B Lightning II bez přidání dalšího materiálu nebo hmotnosti, které by jinak omezovaly jeho schopnost nést palivo nebo zbraně. To pomáhá prodloužit životnost stíhačky páté generace, verze s krátkým vzletem a přistáním, kterou používá americká námořní pěchota.
Laserové vrtání
Moderní letecké motory mají asi 500{1}} otvorů, což je asi 100krát více než počet motorů vyrobených v 80. letech. Výrobci letadel přitom vyrábějí stále více dalších komponentů, které mají velké množství vyvrtaných otvorů pro nýtované a šroubované spoje. Laserové vrtání má proto obrovský tržní potenciál v leteckém průmyslu, protože nabízí přesný, opakovatelný, rychlý a nákladově efektivní proces.
Vyvíjejí se například nové vysoce výkonné femtosekundové laserové systémy pro efektivní a přesné mikrovrtání velkých titanových HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) panelů, které budou namontovány na křídlové nebo ocasní stabilizátory. Tyto panely nasávají vzduch malými otvory, čímž snižují třecí odpor a snižují spotřebu paliva.
Image Lasery se stále více používají pro vrtání součástí letadel z CFRP
(Obrazový kredit: Laser Center Hannover)
Vzhledem k tomu, že laserové vrtání je bezkontaktní, není nutné zpracovávaný materiál držet stejným způsobem, jako by byl zpracováván běžnými nástroji. Další výhodou bezkontaktnosti je, že nedochází k opotřebení nástroje, což představuje zvláštní výhodu při provozu vrtání CFRP součástí. Komponenty z CFRP mohou díky své tvrdosti způsobovat velmi vysoké opotřebení běžných nástrojů. Laserové vrtání lze provádět i při velmi vysokých rychlostech, takže nadměrné poškození teplem nepoškodí zpracovávaný materiál.
Aditivní výroba
Laserová aditivní výroba (AM) také nabírá rychlý rozmach v leteckém průmyslu. Při této technice laser taví souvislé vrstvy prášku a vytváří tvary. Kalifornská raketová společnost si dokonce nedávno objednala dvě 12-laserové 3D tiskárny, aby její vesmírné mise byly hospodárnější a efektivnější tím, že vytvářejí lehčí, rychlejší a pevnější vesmírné komponenty.
Zatímco mnoho projektů je stále ve fázi testování, laserová aditivní výroba byla úspěšně použita na dvou misích na Mars. Rover Curiosity NASA, který přistál v srpnu 2012, byl první misí, která měla dopravit 3D tištěné díly na Mars. Jedná se o keramickou součást uvnitř nástroje Sample Analysis on Mars (SAM), který je součástí probíhajícího testovacího programu zkoumajícího spolehlivost technologie aditivní výroby.
Mezitím vozítko Trailblazer společnosti NASA, které přistane na Marsu v únoru 2021, obsahuje 11 kovových dílů vyrobených laserem. Pět částí je v Trailově planetárním přístroji pro rentgenovou lithochemii (PIXL), který hledá známky mikrobiálního fosilního života na Marsu. Tyto díly musí být tak lehké, že je nelze vyrábět tradičními technikami kování, lisování a řezání.
NASA také experimentuje s laserovou aditivní výrobou součástí raket. V jedné studii byla spalovací komora raketového motoru vyrobena ze slitiny mědi. Tento pokračující vývoj laserové aditivní výroby vedl ke komponentě, kterou lze vyrobit za poloviční náklady a šestinu času potřebného pro tradiční obrábění, spojování a montáž. Protože použité slitiny mědi vysoce odrážejí infračervené lasery, NASA nyní zkoumá, jak mohou zelené nebo modré lasery zlepšit účinnost a produktivitu.
I když je použití aditivní výroby v letectví stále v rané fázi, očekává se, že během příštích 20 let poroste.
Laserové hrubování
Laserové hrubování je také velmi novou aplikací v leteckém průmyslu. V tomto procesu se ultrarychlé lasery používají k vytváření mikronanostruktur na površích letadel pomocí techniky známé jako přímé laserové interferometrické vzorování (DLIP), která se používá k vytvoření přirozeného „lotosového efektu“, čímž se vytvářejí nanostruktury, které pomáhají předcházet kontaminaci povrchu a ledu. nahromadění na letadle.
Inovativní optika rozděluje výkonný ultrarychlý laserový puls do několika dílčích paprsků, které se pak spojují na zpracovávaném povrchu. Při pohledu pod mikroskopem výsledná mikrostruktura připomíná mikroskopickou „síň“ „sloupů“ nebo vlnek. Vzdálenost mezi "sloupy" je mezi asi 150 nm a 30 µm - struktura, která znamená, že kapky vody již nesmáčí povrch a ulpívají na něm, protože na povrchu nemají dostatečnou přilnavost.
Mezi výhody tohoto materiálu pro letoun patří zvýšená odpuzování vody, ledu a hmyzu. Ty se mohou přilepit na povrch letadla a zvýšit odolnost letadla proti větru, čímž se zvýší spotřeba paliva. Aplikace této laserové textury sníží potřebu toxických chemických úprav, které se v současnosti aplikují na povrchy letadel, aby se zabránilo námraze. Je známo, že se časem zhoršuje a je náchylný k poškození. Navíc laserové struktury vyrobené metodou DLIP mohou vydržet několik let a nezpůsobují problémy s životním prostředím.
