Letecký sektor – včetně komerčních a satelitních, kosmických lodí, dronů a bezpilotních vzdušných prostředků (UAV) – prošel v posledních letech několika radikálními změnami. Stále více společností se připojuje k vesmírnému závodu a mnoho z nich potřebuje inovativní výrobní techniky.
Schopnost laserového zpracování zvýšit produktivitu a udržet nízké náklady může hrát klíčovou roli při realizaci této reakce leteckého průmyslu. Laserové zpracování, které realizuje operace v podobě řezání, svařování, tryskání a vrtání, se stalo nedílnou součástí letecké výroby.
Lasery se například používají k výrobě vztlakových klapek, upevňovacích prvků křídel, součástí proudových motorů a částí sedadel pro křídla letadel, stejně jako k opravám turbín, čištění nebo odstraňování nátěrů z dílů a přípravě povrchů součástí pro další zpracování. V posledních letech si laserová aditivní výroba (AM) také získala oblibu v sektoru kosmických letů. Kromě toho se trh snaží 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 konvenčním zpracováním nabízí řezání laserem vysokou přesnost, menší odpad materiálu, vyšší rychlost zpracování, nižší náklady a méně údržby zařízení. Kromě toho maximalizuje produktivitu, protože je rychlé a snadné provádět potřebné změny na obrábění.
Laser lze použít k výrobě dílů spojovacích prvků křídel, dílů přípravků, dílů koncových efektorů, dílů nástrojů a dalších. Je stejně vhodný pro menší díly, jako jsou roubovaná olejová těsnění a titanové potrubí pilotních trubek, stejně jako pro větší díly, jako jsou výfukové kužely. Může zpracovávat širokou škálu leteckých materiálů, včetně hliníku, Hastelloy (nikl, který byl legován prvky, jako je 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 jsou materiály, které nabývají na důležitosti a kde je to možné, nahrazují nýtování. Techniky, jako je laserové kyvadlové svařování, byly také úspěšné při spojování palivových nádrží, čímž se zlepšila účinnost a pevnost spojů, omezilo se přepracování a zajistily se významné úspory nákladů. Mezi další úspěchy svařování v letectví patří připevňování 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.
S potenciálem úspor nákladů, snížení hmotnosti dílů a lepší kvality svarů oproti tradičním metodám začíná několik výrobců na dnešním trhu dokonce uvažovat o laserovém svařování dílů draků letadel.
Laserové čištění
Výrobci v leteckém průmyslu používají laserové čištění k odstranění vrstev z kovových a kompozitních povrchů při přípravě na zpracování, 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 povrchovými vrstvami kovu, což vede k ablaci povrchového materiálu s malým nebo žádným účinkem na vnitřní vrstvy a bez vedlejšího tepelného poškození součásti. Pulzní vláknové lasery v kilowattové třídě jsou zvláště vhodné pro rychlé laserové čištění - umožňují efektivní, vysoce přesné čištění široké škály materiálů, včetně keramiky, kompozitů, kovů a plastů.
Použití kompozitů v letadlech se v posledních letech zvýšilo a s tím roste i potřeba připevňovat kovy ke kompozitům. 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 k opracování.
Laserové čištění je ideální volbou, protože vytváří velmi přísně kontrolovanou, replikovatelnou povrchovou úpravu, která je schopna dosáhnout konzistentního a 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 menší dopad na životní prostředí, protože nejsou potřeba žádné toxické chemikálie ani tryskací materiály. Dopad laserového čištění na díly je také mnohem jemnější než tradiční metody.
Laserové čištění kovových a kompozitních částí letadel je také výhodnější než chemické odstraňování nátěrů nebo tryskání, pokud jde o odstraňování nátěrů. Letadlo může být během své životnosti přelakováno 4-5krát a odstranění nátěru z celého letadla pomocí tradičních technik může trvat týden nebo déle. Naproti tomu v závislosti na velikosti letadla může čištění laserem tuto dobu zkrátit na 3-4 dní a pracovníkům také usnadní přístup k dílům. Kromě toho, pokud je laserové čištění použito k odstraňování nátěrů namísto chemického odstraňování nátěrů nebo tryskání, může vést k významným úsporám nákladů – tisíce liber na letadlo – díky snížení nebezpečného odpadu o přibližně 90 % nebo více a snížení požadavků na manipulaci s materiálem.
Peening laserem/laserovým nárazem
Napětí v kovových součástech může vést k únavě kovu v letadlových součástech (jako jsou lopatky ventilátoru v proudových motorech), což může 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 drobnou plazmovou explozi mezi povrchem součásti a vrstvou vody nastříkané navrch. Vodní vrstva omezuje explozi, která způsobí, že rázová vlna pronikne komponentou a vytvoří zbytková tlaková napětí, když se oblast jejího šíření rozšíří. Tato napětí zlepšují pravděpodobnost praskání a jiných forem odolnosti proti únavě kovů. Laserové otryskávání může prodloužit životnost kovových součástí o faktor 10-15 ve srovnání s konvenčními procesy.
Laserové tryskání 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 závodě Airbus na údržbu a opravy v Toulouse ve Francii.
Laserový peening systém Leopard prodlouží únavovou životnost tím, že zabrání vzniku a expanzi trhlin způsobených cyklickým vibračním namáháním. Flexibilita dodávání paprsku z optických vláken a přizpůsobené nástroje umožňují systému laserový paprsek oblastí, které jsou pro letadla obtížně dosažitelné. Podle partnerů je systém průlomem v technologii laserového peeningu, který posune jeho použití, mimo jiné včetně prodloužení životnosti lopatek proudových motorů.
Laserové vrtání
Moderní letecké motory mají asi 500{2}} otvorů, což je asi 100krát více než motory vyrobené v 80. letech. Výrobci letadel zároveň vyrábějí stále větší množství dalších komponentů, které mají vyvrtané velké množství děr pro nýtované a šroubované spoje. V leteckém průmyslu má proto laserové vrtání velký tržní potenciál, protože nabízí přesný, opakovatelný, rychlý a cenově výhodný 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 křídelních nebo ocasních stabilizátorech. Tyto panely nasávají vzduch malými otvory, což snižuje třecí odpor a snižuje spotřebu paliva.
Vzhledem k tomu, že laserové vrtání je bezkontaktní, není nutné zpracovávaný materiál fixovat stejným způsobem, jako kdyby byl zpracováván běžnými nástroji. Další výhodou bezkontaktního provedení je, že nedochází k opotřebení nástroje, což představuje zvláštní výhodu při provozu vrtání součástí z CFRP. Díky své tvrdosti mohou být součásti z CFRP pro běžné nástroje velmi abrazivní. Laserové vrtání lze provádět i při velmi vysokých rychlostech, takže nadměrné poškození teplem nepoškodí zpracovávaný materiál.
Aditivní výroba
Laser Additive Manufacturing (AM) také rychle roste v leteckém průmyslu. Při této technice laser roztaví postupné vrstvy prášku a vytvoří tvary. Kalifornská raketová společnost si dokonce nedávno objednala dvě 12-laserové 3D tiskárny, aby její vesmírné mise byly nákladově efektivnější a efektivnější tím, že vytvářejí lehčí, rychlejší a pevnější vesmírné komponenty.
Zatímco mnoho z těchto projektů je stále ve fázi testování, laserová aditivní výroba již byla úspěšně použita na dvou misích na Mars. Rover Curiosity NASA, který přistál v srpnu 2012, byl první misí na Mars s 3D tištěnými díly. Jedná se o keramickou součást v rámci nástroje Sample Analysis for Mars (SAM), který je součástí probíhajícího testovacího programu pro zkoumání spolehlivosti technologie aditivní výroby.
NASA bimetalová spalovací komora s těsněním GRCop-42 L-PBF a pláštěm Nasa HR-1 LP-DED
Mezitím rover NASA Perseverance, který přistál na Marsu v únoru 2021, obsahuje 11 kovových částí vyrobených laserovou aditivní výrobou. Pět z těchto částí je v Perseverance's Planetary Instrument for R-ray Petrochemistry (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 použitím laserové aditivní výroby pro součásti raket. V jedné studii byla spalovací komora raketového motoru vyrobena ze slitiny mědi. Tento pokračující vývoj laserové aditivní výroby vyústil v komponentu, kterou lze vyrobit za přibližně poloviční náklady a za jednu šestinu času potřebného pro konvenční 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.
Zatímco aplikace aditivní výroby v letectví jsou v současné době v rané fázi, očekává se, že během příštích 20 let porostou.
Laser Grossing
Laserové hrubování je také velmi novou aplikací v leteckém průmyslu. V tomto procesu se ultrarychlé lasery používají k vytváření mikro- a nanostruktur na površích letadel pomocí techniky známé jako přímé laserové interferenční vzorování (DLIP), která se používá k vytvoření přirozeného „lotosového efektu“, který vytváří nanostruktury, které pomáhají předcházet povrchové kontaminaci. stejně jako nahromadění ledu na letadle.
Inovativní optika rozděluje výkonný ultrarychlý laserový puls do několika dílčích paprsků, které jsou pak kombinovány na zpracovávaném povrchu. Při pohledu pod mikroskopem výsledné mikrostruktury připomínají mikroskopické „síně“ „sloupů“ nebo vlnky. Vzdálenost mezi „sloupy“ je mezi asi 150 nm a 30 μm – tato struktura znamená, že kapky vody již nesmáčí povrch a ulpívají na něm, protože nemají dostatečnou přilnavost k povrchu.
Mezi výhody tohoto materiálu pro letadla 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 by snížila potřebu toxických chemických úprav, které se v současnosti aplikují na povrchy letadel, aby se zabránilo námraze. Je známo, že časem stárne a je náchylný k poškození. Navíc laserové struktury vyrobené metodou DLIP mohou vydržet roky a nezpůsobují problémy s životním prostředím.
Laserová kontrola a regulace stresu
Kromě výše uvedených funkcí lze kombinaci laseru a ultrazvuku využít pro kontrolu a regulaci napětí složitých kovových konstrukčních součástí. Využití vysokoenergetického pulzního laserového působení na povrch testovaného objektu, povrchová lokální změna teploty, která způsobí, že objekt je testován v povrchové vrstvě tepelné roztažnosti, buzení ultrazvukem, ultrazvuk ponese povrch materiálu a vnitřní užitečné informace, ultrazvukové signály s detektorem, které mají být přijímány, zpracování dat a analýza objektu, který má být zkoumán za účelem zjištění přítomnosti nebo nepřítomnosti defektů.
Navíc díky laserovému ultrazvuku má vysoké časové a prostorové rozlišení, může produkovat bohatý tvar vlny, široké pásmo ultrazvuku atd., po přepnutí a nastavení parametrů laserového buzení může být laserový ultrazvuk v částech jakékoli určené části odstranit veškeré tahové napětí, v případě nenarušení celistvosti povrchu, bez ohřevu, vytvoření určité tloušťky tlakově namáhané vyztužené vrstvy. Je také možné regulovat hodnotu napětí na rozsah požadavků návrhu, což může výrazně optimalizovat odolnost proti únavě a trhlinám v místní poloze.
