Τα τελευταία χρόνια, ο κόσμος της αεροδιαστημικής —συμπεριλαμβανομένων των εμπορικών και στρατιωτικών αεροσκαφών, δορυφόρων, διαστημικών σκαφών, drones και μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV)— έχει υποστεί ορισμένες δραματικές αλλαγές. Όλο και περισσότερες εταιρείες συμμετέχουν στον διαστημικό αγώνα, πολλές από τις οποίες απαιτούν καινοτόμες τεχνολογίες παραγωγής.
Αντίθετα, ο αντίκτυπος των ταξιδιωτικών περιορισμών στην εμπορική αεροπορία που προκλήθηκε από τη νέα επιδημία του στέμματος προκάλεσε μείωση του ποσοστού παραγωγής πολιτικών αεροσκαφών κατά το ένα τρίτο.
Το 2019, η Ευρώπη ήταν ένας από τους παγκόσμιους ηγέτες στην παραγωγή πολιτικών αεροσκαφών και ελικοπτέρων, συμπεριλαμβανομένων διαφόρων εξαρτημάτων και κινητήρων αεροσκαφών, υποστηρίζοντας περίπου 400,{2}} θέσεις εργασίας και δημιουργώντας έσοδα 130 δισεκατομμυρίων ευρώ. Ενώ η εξερεύνηση και η άμυνα του διαστήματος έχουν παραμείνει σε μεγάλο βαθμό ανεπηρέαστη από την πανδημία, η παραγωγή πολιτικών αεροσκαφών εξακολουθεί να ανακάμπτει.
Στο "Uncertainty in Commercial Aerospace" (Uncertainty in Commercial Aerospace), που δημοσιεύτηκε τον Φεβρουάριο του 2023, η McKinsey, μια γνωστή εταιρεία συμβούλων και ερευνών, ανέφερε ότι ο κόσμος πρέπει να αφομοιώσει την κατασκευή 9.400 επιβατικών αεροσκαφών (κυρίως αεροσκάφη στενής ατράκτου ) μέχρι το τέλος του 2027. αεροσκάφη) ανεκτ. Ωστόσο, υπάρχει αβεβαιότητα σχετικά με τη μελλοντική ανάπτυξη της αεροπορικής επιβατικής κίνησης, την υγεία των αλυσίδων εφοδιασμού και το εργατικό δυναμικό. Ως αποτέλεσμα, οι κατασκευαστές πρέπει να αυξήσουν την παραγωγική αποδοτικότητα και την ευελιξία για να χειριστούν τις εκκρεμότητες και να ανταποκριθούν στις μελλοντικές αλλαγές στη ζήτηση.
Η ικανότητα της επεξεργασίας λέιζερ να αυξάνει την παραγωγικότητα και να διατηρεί το κόστος σε χαμηλά επίπεδα μπορεί να διαδραματίσει βασικό ρόλο στο να επιτραπεί αυτή η ανταπόκριση από την αεροδιαστημική βιομηχανία. Η επεξεργασία με λέιζερ - εργασίες με τη μορφή κοπής, συγκόλλησης, κοψίματος και διάτρησης - έχει γίνει αναπόσπαστο μέρος της αεροδιαστημικής κατασκευής.
Για παράδειγμα, τα λέιζερ χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πτερυγίων για πτερύγια αεροσκάφους, συνδετήρες φτερών, εξαρτήματα κινητήρα αεριωθουμένων και εξαρτήματα καθισμάτων, και χρησιμοποιούνται επίσης για την επισκευή τουρμπινών, τον καθαρισμό ή την αφαίρεση χρωμάτων από εξαρτήματα και την προετοιμασία εξαρτημάτων για περαιτέρω επεξεργασία. μέρος της επιφάνειας. Τα τελευταία χρόνια, η κατασκευή προσθέτων λέιζερ (AM) έχει επίσης αυξηθεί σε δημοτικότητα στις διαστημικές πτήσεις. Επιπλέον, η αγορά ελπίζει να βελτιώσει την ιχνηλασιμότητα των στοιχείων της αεροδιαστημικής και οι απαιτήσεις για σήμανση με λέιζερ αυξάνονται επίσης.
Κοπή και συγκόλληση με λέιζερ
Η κοπή με λέιζερ είναι μια γρήγορη, οικονομικά αποδοτική και ακριβής διαδικασία που χρησιμοποιείται για να καλύψει τις απαιτητικές απαιτήσεις κατασκευής του αεροδιαστημικού τομέα.
Σε σύγκριση με την παραδοσιακή επεξεργασία, η κοπή με λέιζερ έχει υψηλή ακρίβεια, λιγότερα απόβλητα υλικών, γρήγορη ταχύτητα επεξεργασίας, χαμηλό κόστος και λιγότερη συντήρηση εξοπλισμού. Επιπλέον, μεγιστοποιεί την παραγωγικότητα καθώς κάνει τις απαραίτητες αλλαγές στη μηχανική κατεργασία γρήγορα και εύκολα.
Τα λέιζερ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή εξαρτημάτων στερέωσης πτερυγίων, εξαρτημάτων γεμιστήρα, εξαρτημάτων τελικού εφέ, εξαρτημάτων εργαλείων και πολλά άλλα. Είναι εξίσου κατάλληλο για μικρά εξαρτήματα όπως εμβολιασμένα παρεμβύσματα λαδιού και πολλαπλές αγωγών εξαέρωσης τιτανίου, καθώς και μεγαλύτερα εξαρτήματα όπως κώνοι εξάτμισης. Μπορεί να επεξεργαστεί μια μεγάλη ποικιλία αεροδιαστημικών υλικών, όπως αλουμίνιο, Hastelloy (νικέλιο που έχει κράμα με στοιχεία όπως μολυβδαίνιο και χρώμιο), Inconel, Nitinol, Nitinol, ανοξείδωτο χάλυβα, ταντάλιο και τιτάνιο.
Η συγκόλληση με λέιζερ χρησιμοποιείται επίσης στην αεροδιαστημική ως εναλλακτική λύση στις παραδοσιακές μεθόδους σύνδεσης, όπως η συγκόλληση με κόλλα και η μηχανική στερέωση. Για παράδειγμα, η χρήση της συγκόλλησης με λέιζερ ελαφρών κραμάτων αλουμινίου και πολυμερών ενισχυμένων με ίνες άνθρακα (CFRP) στην κατασκευή αεροσκαφών κερδίζει έδαφος και χρησιμοποιείται για να αντικαταστήσει τα πριτσίνια όπου είναι δυνατόν. Τεχνικές όπως η συγκόλληση με λέιζερ ήταν επίσης επιτυχείς στη σύνδεση δεξαμενών καυσίμου, στη βελτίωση της αποτελεσματικότητας και της αντοχής της άρθρωσης, στη μείωση της επανεπεξεργασίας και στην εξοικονόμηση πολλών χρημάτων. Άλλες επιτυχίες συγκόλλησης στην αεροδιαστημική περιλαμβάνουν την ένωση του χυτού πυρήνα ενός πτερυγίου στροβίλου στην πλάκα κάλυψης. και τη δημιουργία ενός νέου τύπου ελαφρού πτερυγίου που αυξάνει τον έλεγχο της στρωτής ροής, ελαχιστοποιεί την αντίσταση και βελτιστοποιεί την απόδοση καυσίμου.
Η συγκόλληση με λέιζερ έχει τη δυνατότητα να εξοικονομήσει κόστος, να μειώσει το βάρος των εξαρτημάτων και να βελτιώσει την ποιότητα συγκόλλησης σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους, και αρκετοί κατασκευαστές εξετάζουν επί του παρόντος τη συγκόλληση με λέιζερ για την παραγωγή εξαρτημάτων σκελετού αεροπλάνου.
Lκαθαρισμός ασέρ
Οι κατασκευαστές στον αεροδιαστημικό τομέα χρησιμοποιούν καθαρισμό με λέιζερ για να αφαιρέσουν στρώματα μετάλλων και σύνθετων επιφανειών κατά την προετοιμασία για κατεργασία, για την αφαίρεση επικαλύψεων ή διάβρωσης και για την αφαίρεση βαφής από μεγάλα εξαρτήματα ή ολόκληρα αεροσκάφη πριν από την επαναβαφή.
Κατά τη διαδικασία καθαρισμού, το λέιζερ απορροφάται και εξατμίζεται από τη μεταλλική επιφάνεια, επιτυγχάνοντας έτσι την αφαίρεση του υλικού της επιφάνειας, ενώ έχει μικρή επίδραση στο υλικό της εσωτερικής στρώσης και δεν θα προκαλέσει τυχαία θερμική βλάβη στα εξαρτήματα. Τα λέιζερ παλμικών ινών της κατηγορίας κιλοβάτ είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για γρήγορο καθαρισμό με λέιζερ - επιτρέπουν αποτελεσματικό καθαρισμό υψηλής ακρίβειας μιας μεγάλης ποικιλίας υλικών, όπως κεραμικά, σύνθετα υλικά, μέταλλα και πλαστικά.
Τα τελευταία χρόνια, η χρήση σύνθετων υλικών στα αεροσκάφη έχει αυξηθεί, όπως και η ανάγκη σύνδεσης μετάλλων με σύνθετα υλικά. Στην αεροδιαστημική κατασκευή, μπορούν να χρησιμοποιηθούν κόλλες για την ένωση αυτών των δύο ανόμοιων υλικών. Για να δημιουργηθεί ένας ισχυρός δεσμός, οι δύο επιφάνειες πρέπει να προετοιμαστούν προσεκτικά πριν την εφαρμογή της κόλλας.
Ο καθαρισμός με λέιζερ είναι ιδανικός γιατί δημιουργεί ένα πολύ αυστηρά ελεγχόμενο, αναπαραγώγιμο φινίρισμα επιφάνειας που επιτρέπει τη συνεπή, προβλέψιμη συγκόλληση. Παραδοσιακά, αυτό θα γινόταν μέσω τεχνικών καταστροφικής ανατίναξης ή με την εφαρμογή πολλών χημικών ουσιών. Ωστόσο, ο καθαρισμός με λέιζερ προσφέρει τώρα μια μέθοδο ενός σταδίου που όχι μόνο είναι πιο οικονομική και παραγωγική, αλλά έχει και μικρότερο περιβαλλοντικό αντίκτυπο, καθώς δεν απαιτούνται τοξικά χημικά ή υλικά ανατίναξης. Ο καθαρισμός με λέιζερ είναι επίσης πολύ πιο ήπιος στα εξαρτήματα από τις παραδοσιακές μεθόδους.
Καθαρισμός με λέιζερ μεταλλικών και σύνθετων εξαρτημάτων αεροσκάφουςείναι επίσης πιο ωφέλιμο από τις τεχνικές χημικής απογύμνωσης ή αμμοβολής όταν πρόκειται για απογύμνωση βαφής. Κατά τη διάρκεια της ωφέλιμης ζωής του, ένα αεροσκάφος μπορεί να ξαναβαφεί 4-5 φορές και μπορεί να χρειαστεί μια εβδομάδα ή περισσότερο για να αφαιρεθεί το χρώμα από ολόκληρο το αεροσκάφος χρησιμοποιώντας παραδοσιακές τεχνικές. Αντίθετα, ο καθαρισμός με λέιζερ μπορεί να μειώσει αυτόν τον χρόνο σε 3-4 ημέρες, ανάλογα με το μέγεθος του αεροσκάφους, και επίσης κάνει τα εξαρτήματα πιο προσιτά στους εργαζόμενους. Επιπλέον, όταν χρησιμοποιείται για αφαίρεση χρώματος αντί για χημική απογύμνωση ή ανατίναξη, ο καθαρισμός με λέιζερ προσφέρει σημαντική εξοικονόμηση κόστους - χιλιάδες λίρες ανά αεροσκάφος, καθώς τα επικίνδυνα απόβλητα μειώνονται κατά περίπου 90 τοις εκατό ή περισσότερο και οι απαιτήσεις χειρισμού υλικών μειώνονται.
Peening με λέιζερ/peening με λέιζερ
Οι τάσεις στα μεταλλικά εξαρτήματα μπορεί να οδηγήσουν σε αστοχία κόπωσης μετάλλου σε εξαρτήματα αεροσκαφών, όπως πτερύγια ανεμιστήρα σε κινητήρες αεριωθουμένων, η οποία μπορεί να προκαλέσει ζημιά ή τραυματισμό. Αυτό μπορεί να μετριαστεί με μια τεχνική γνωστή ως peening με λέιζερ.
Σε αυτή τη διαδικασία, παλμοί φωτός λέιζερ κατευθύνονται σε μια περιοχή συγκέντρωσης υψηλής πίεσης και κάθε παλμός πυροδοτεί μια μικροσκοπική έκρηξη πλάσματος μεταξύ της επιφάνειας του εξαρτήματος και ενός στρώματος νερού που ψεκάζεται από πάνω. Το στρώμα νερού περιορίζει την έκρηξη, η οποία προκαλεί το ωστικό κύμα να διεισδύσει στο εξάρτημα και να δημιουργήσει συμπιεστικές υπολειμματικές τάσεις καθώς η περιοχή διάδοσής του επεκτείνεται. Αυτές οι τάσεις εξουδετερώνουν τη ρωγμή και άλλες μορφές κόπωσης μετάλλων. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές διαδικασίες, η ενίσχυση με λέιζερ μπορεί να παρατείνει τη διάρκεια ζωής των μεταλλικών εξαρτημάτων κατά 10-15 φορές.
Το peening με λέιζερ χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Για παράδειγμα, η LSP Technologies και η Airbus έχουν αναπτύξει από κοινού ένα φορητό σύστημα αποκόλλησης λέιζερ που δοκιμάστηκε και αξιολογήθηκε πρόσφατα στις εγκαταστάσεις συντήρησης και επισκευής της Airbus στην Τουλούζη της Γαλλίας.
Το σύστημα καθαρισμού με λέιζερ Leopard θα παρατείνει τη διάρκεια ζωής της κόπωσης αναστέλλοντας την έναρξη και τη διάδοση ρωγμών που προκαλούνται από την κυκλική δονητική τάση. Η ευελιξία της παροχής δέσμης οπτικών ινών και τα προσαρμοσμένα εργαλεία επιτρέπουν στο σύστημα να φωτίζει με λέιζερ περιοχές που είναι δύσκολο να προσεγγίσει το αεροσκάφος. Σύμφωνα με τους εταίρους, το σύστημα είναι μια σημαντική ανακάλυψη στην τεχνολογία ενίσχυσης με λέιζερ που θα προωθήσει τη χρήση του, συμπεριλαμβανομένης της παράτασης της διάρκειας ζωής των λεπίδων του κινητήρα τζετ και πολλά άλλα.
Το Κέντρο Ετοιμότητας Στόλου του Αμερικανικού Ναυτικού στην Ανατολή (FRCE) ολοκλήρωσε επίσης πρόσφατα την επικύρωση μιας διαδικασίας κοψίματος με λέιζερ που χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία στο αεροσκάφος F-35B Lightning II. Η FRCE χρησιμοποίησε τη διαδικασία για να ενισχύσει το πλαίσιο του F-35B Lightning II χωρίς να προσθέσει επιπλέον υλικό ή βάρος που διαφορετικά θα περιόριζε τις δυνατότητές του να μεταφέρει καύσιμα ή όπλα. Αυτό βοηθά στην επέκταση του προσδόκιμου ζωής των μαχητικών αεροσκαφών πέμπτης γενιάς, των παραλλαγών σύντομης απογείωσης και προσγείωσης που χρησιμοποιούνται από το Σώμα Πεζοναυτών των ΗΠΑ.
Lγεώτρηση ασέρ
Οι σύγχρονοι αεροκινητήρες έχουν περίπου 500,000 τρύπες, περίπου 100 φορές περισσότερες από τους κινητήρες που κατασκευάστηκαν τη δεκαετία του 1980. Ταυτόχρονα, οι κατασκευαστές αεροσκαφών παράγουν έναν αυξανόμενο αριθμό άλλων εξαρτημάτων που διαθέτουν μεγάλο αριθμό οπών για πριτσίνωμα και βίδωμα. Ως εκ τούτου, στον τομέα της αεροδιαστημικής, η γεώτρηση με λέιζερ έχει τεράστιες δυνατότητες αγοράς, επειδή παρέχει μια ακριβή, επαναλαμβανόμενη, γρήγορη και οικονομικά αποδοτική διαδικασία.
Για παράδειγμα, αναπτύσσονται νέα συστήματα λέιζερ υψηλής ισχύος femtosecond για αποτελεσματική και ακριβή μικροδιάτρηση μεγάλων πάνελ τιτανίου HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) που πρόκειται να τοποθετηθούν σε σταθεροποιητές πτερυγίων ή πτερυγίων. Αυτά τα πάνελ αντλούν αέρα μέσω μικρών οπών, γεγονός που μειώνει την αντίσταση τριβής και μειώνει την κατανάλωση καυσίμου.
Δεδομένου ότι η διάτρηση με λέιζερ είναι ανέπαφη, το υλικό που επεξεργάζεται δεν χρειάζεται να στερεωθεί με τον ίδιο τρόπο όπως συμβαίνει με τα συμβατικά εργαλεία. Ένα άλλο πλεονέκτημα της ανέπαφης είναι η απουσία φθοράς του εργαλείου, η οποία αντιπροσωπεύει ένα ιδιαίτερο πλεονέκτημα στις εργασίες διάτρησης για εξαρτήματα CFRP. Λόγω της σκληρότητάς του, τα εξαρτήματα CFRP μπορεί να είναι πολύ λειαντικά στα συμβατικά εργαλεία. Η διάτρηση με λέιζερ μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί σε πολύ υψηλές ταχύτητες, έτσι ώστε η υπερβολική ζημιά από τη θερμότητα να μην βλάψει το υλικό που επεξεργάζεται.
Additive κατασκευή
Η κατασκευή προσθέτων λέιζερ (AM) έχει επίσης αναπτυχθεί γρήγορα στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Σε αυτή την τεχνική, τα λέιζερ λιώνουν διαδοχικά στρώματα σκόνης για να δημιουργήσουν σχήματα. Μια εταιρεία πυραύλων με έδρα την Καλιφόρνια παρήγγειλε πρόσφατα ακόμη και δύο 12-3D εκτυπωτές ακτίνας λέιζερ για να κάνει τις διαστημικές αποστολές της πιο οικονομικές και αποτελεσματικές δημιουργώντας ελαφρύτερα, ταχύτερα και ισχυρότερα διαστημικά στοιχεία.
Ενώ πολλά έργα βρίσκονται ακόμη σε δοκιμαστική φάση, η κατασκευή προσθέτων λέιζερ έχει ήδη χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε δύο αποστολές στον Άρη. Το ρόβερ Curiosity της NASA, το οποίο προσγειώθηκε τον Αύγουστο του 2012, ήταν η πρώτη αποστολή που έφερε 3D-εκτυπωμένα μέρη στον Άρη. Αυτό είναι ένα κεραμικό εξάρτημα μέσα στο όργανο Sample Analysis at Mars (SAM), μέρος ενός τρέχοντος προγράμματος δοκιμών για τη διερεύνηση της αξιοπιστίας των τεχνικών κατασκευής προσθέτων.
Εν τω μεταξύ, το ρόβερ Perseverance της NASA, το οποίο προσγειώθηκε στον Άρη τον Φεβρουάριο του 2021, περιέχει 11 μεταλλικά μέρη που κατασκευάστηκαν πρόσθετα με λέιζερ. Πέντε από αυτά τα συστατικά βρίσκονται στο Planetary Instrument for Lithochemistry ακτίνων Χ (PIXL) της Perseverance, το οποίο αναζητά σημάδια μικροβιακής ζωής απολιθωμάτων στον Άρη. Αυτά τα μέρη πρέπει να είναι τόσο ελαφριά ώστε οι παραδοσιακές τεχνικές όπως η σφυρηλάτηση, το καλούπωμα και η κοπή να μην μπορούν να τα παράγουν.
Η NASA πειραματίζεται επίσης με την κατασκευή πρόσθετων λέιζερ εξαρτημάτων πυραύλων. Σε μια μελέτη, ο θάλαμος καύσης μιας μηχανής πυραύλων κατασκευάστηκε από κράμα χαλκού. Η συνεχής ανάπτυξη αυτής της κατασκευής προσθέτων λέιζερ είχε ως αποτέλεσμα το εξάρτημα να κατασκευάζεται με περίπου το μισό κόστος και στο ένα έκτο του χρόνου που απαιτείται για την παραδοσιακή μηχανική κατεργασία, τη σύνδεση και τη συναρμολόγηση. Δεδομένου ότι το κράμα χαλκού που χρησιμοποιείται είναι ιδιαίτερα ανακλαστικό στα υπέρυθρα λέιζερ, η NASA διερευνά τώρα πώς τα πράσινα ή μπλε λέιζερ μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση και την παραγωγικότητα.
Ενώ η χρήση της κατασκευής προσθέτων στην αεροδιαστημική είναι ακόμα στα αρχικά της στάδια, αναμένεται να αυξηθεί τα επόμενα 20 χρόνια.
Υφή λέιζερ
Το laser texturing είναι επίσης μια πολύ νέα εφαρμογή στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Σε αυτή τη διαδικασία, τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία μικρο-νανοδομών στην επιφάνεια του αεροσκάφους μέσω μιας τεχνικής που ονομάζεται μοτίβο άμεσης παρεμβολής λέιζερ (DLIP), η οποία χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ενός φυσικού «φαινόμενου λωτού», το οποίο δημιουργεί νανοδομές που βοηθούν στην πρόληψη της επιφάνειας. μόλυνση και αποτροπή συσσώρευσης πάγου στα αεροσκάφη.
Τα καινοτόμα οπτικά συστήματα χωρίζουν έναν ισχυρό υπερταχύ παλμό λέιζερ σε πολλές μερικές δέσμες, οι οποίες στη συνέχεια συνδυάζονται στην επιφάνεια που πρόκειται να υποβληθεί σε επεξεργασία. Όταν παρατηρείται κάτω από ένα μικροσκόπιο, η μικροδομή που προκύπτει μοιάζει με μικροσκοπικές «αίθουσες» κατασκευασμένες από «κολώνες» ή αυλακώσεις. Η απόσταση μεταξύ των «κολωνών» είναι περίπου 150 nm έως 30 μm - αυτή η δομή σημαίνει ότι οι σταγόνες νερού δεν μπορούν πλέον να βρέξουν την επιφάνεια και να κολλήσουν σε αυτήν επειδή δεν έχουν αρκετό κράτημα στην επιφάνεια.
Τα οφέλη του υλικού για αεροσκάφη περιλαμβάνουν αυξημένη απωθητικότητα νερού, πάγου και εντομοαπωθητικών. Αυτά μπορούν να κολλήσουν στην επιφάνεια του αεροσκάφους και να αυξήσουν την αντίσταση του αεροσκάφους στον αέρα, αυξάνοντας έτσι την κατανάλωση καυσίμου. Η εφαρμογή αυτής της υφής λέιζερ θα μειώσει την ανάγκη για τοξικές χημικές επεξεργασίες που εφαρμόζονται επί του παρόντος στις επιφάνειες των αεροσκαφών για να αποφευχθεί το πάγο. Είναι γνωστό ότι γερνάει και γίνεται επιρρεπής σε βλάβες με την πάροδο του χρόνου. Επιπλέον, οι κατασκευές λέιζερ που παράγονται με τη μέθοδο DLIP μπορούν να διαρκέσουν για χρόνια χωρίς να προκαλούν περιβαλλοντικές ανησυχίες.
