Pastaraisiais metais aviacijos ir kosmoso pasaulis, įskaitant komercinius ir karinius orlaivius, palydovus, erdvėlaivius, dronus ir nepilotuojamus orlaivius (UAV), patyrė dramatiškų pokyčių. Į kosmoso lenktynes jungiasi vis daugiau įmonių, kurių daugeliui reikalingos naujoviškos gamybos technologijos.
Priešingai, dėl kelionių apribojimų komercinei aviacijai, kurį sukėlė naujoji karūnos epidemija, civilinių orlaivių gamybos lygis sumažėjo trečdaliu.
2019 m. Europa buvo viena iš civilinių orlaivių ir sraigtasparnių, įskaitant įvairius komponentus ir orlaivių variklius, gamybos lyderių pasaulyje, palaikė maždaug 400,{2}} darbo vietų ir 130 mlrd. eurų pajamų. Nors pandemija iš esmės nepaveikė kosmoso tyrinėjimų ir gynybos, civilinių orlaivių gamyba vis dar atsigauna.
2023 m. vasario mėn. paskelbtame žurnale „Neaiškumu komercinėje erdvėje“ („Uncertainty in Commercial Aerospace“) gerai žinoma konsultacijų ir tyrimų bendrovė „McKinsey“ pranešė, kad pasauliui reikia suvirškinti 9 400 keleivinių orlaivių (daugiausia siauro korpuso reaktyvinių). ) iki 2027 m. pabaigos. orlaivių) neatliktų. Tačiau yra neaiškumų dėl būsimo oro keleivių srauto augimo, tiekimo grandinių ir darbo jėgos būklės. Dėl to gamintojai turi didinti gamybos efektyvumą ir lankstumą, kad galėtų tvarkyti atsilikimus ir reaguoti į būsimus paklausos pokyčius.
Lazerinio apdorojimo gebėjimas padidinti našumą ir išlaikyti mažas išlaidas gali atlikti pagrindinį vaidmenį, kad aviacijos ir kosmoso pramonė galėtų reaguoti. Lazerinis apdirbimas – pjovimo, suvirinimo, šlifavimo ir gręžimo operacijos – tapo neatsiejama aviacijos ir kosmoso gamybos dalimi.
Pavyzdžiui, iš lazerių gaminami sklendės orlaivių sparnams, sparnų tvirtinimo detalės, reaktyvinių variklių detalės, sėdynių detalės, taip pat iš jų taisomos turbinos, valomi ar nuimami dažai nuo detalių, detalės ruošiamos tolesniam apdirbimui. dalies paviršius. Pastaraisiais metais lazerinių priedų gamybos (AM) populiarumas taip pat išaugo skrydžiuose į kosmosą. Be to, rinka tikisi pagerinti aviacijos ir kosmoso komponentų atsekamumą, taip pat didėja ir lazerinio žymėjimo reikalavimai.
Pjovimas ir suvirinimas lazeriu
Pjovimas lazeriu yra greitas, ekonomiškas ir tikslus procesas, naudojamas siekiant patenkinti didelius aviacijos ir kosmoso sektoriaus gamybos reikalavimus.
Palyginti su tradiciniu apdorojimu, pjovimas lazeriu pasižymi dideliu tikslumu, mažiau atliekų, greitu apdorojimo greičiu, mažomis sąnaudomis ir mažiau įrangos priežiūros. Be to, jis padidina produktyvumą, nes greitai ir lengvai atlieka visus būtinus apdirbimo pakeitimus.
Lazeriai gali būti naudojami gaminant sparnų tvirtinimo detales, strypo dalis, galinio efektoriaus dalis, įrankių dalis ir kt. Jis vienodai tinka mažiems komponentams, tokiems kaip skiepytos alyvos tarpinės ir titano nutekėjimo kanalų kolektoriai, taip pat didesniems komponentams, pvz., išmetimo kūgiams. Jis gali apdirbti įvairias aviacijos ir kosmoso medžiagas, įskaitant aliuminį, Hastelloy (nikelį, kuris buvo legiruotas tokiais elementais kaip molibdenas ir chromas), Inconel, Nitinolis, Nitinolis, nerūdijantis plienas, tantalas ir titanas.
Suvirinimas lazeriu taip pat naudojamas kosmose kaip alternatyva tradiciniams sujungimo būdams, tokiems kaip klijavimas ir mechaninis tvirtinimas. Pavyzdžiui, lengvųjų aliuminio lydinių ir anglies pluoštu sustiprintų polimerų (CFRP) suvirinimo lazeriu naudojimas orlaivių konstrukcijoje vis labiau populiarėja ir, kur tik įmanoma, naudojamas kniedijimui pakeisti. Tokie metodai, kaip suvirinimas lazeriu, taip pat buvo sėkmingi sujungiant degalų bakus, pagerinant jungčių efektyvumą ir stiprumą, sumažinant perdirbimo poreikį ir sutaupant daug pinigų. Kiti suvirinimo laimėjimai aviacijos ir erdvės srityje apima lietinės turbinos mentės šerdies sujungimą su dengiančia plokšte; ir sukurti naujo tipo lengvą sparnų atvartą, kuris padidina laminarinio srauto valdymą, sumažina pasipriešinimą ir optimizuoja degalų efektyvumą.
Lazerinis suvirinimas gali sutaupyti išlaidas, sumažinti komponentų svorį ir pagerinti suvirinimo kokybę, palyginti su tradiciniais metodais, o keli gamintojai šiuo metu svarsto galimybę naudoti lazerinį suvirinimą lėktuvo korpuso dalių gamybai.
Laserio valymas
Gamintojai aviacijos ir kosmoso sektoriuje naudoja valymą lazeriu, kad pašalintų metalinių ir kompozicinių paviršių sluoksnius ruošdamiesi apdirbimui, pašalina dangas ar koroziją ir dažus nuo didelių komponentų ar viso orlaivio prieš perdažant.
Valymo metu lazeris sugeriamas ir išgarinamas metalinio paviršiaus, taip pasiekiama paviršiaus medžiagos abliacija, o vidinio sluoksnio medžiagai daromas nedidelis poveikis ir nepadarys atsitiktinės šiluminės žalos komponentams. Kilovatų klasės impulsiniai pluošto lazeriai ypač tinka greitam valymui lazeriu – jie leidžia efektyviai ir tiksliai išvalyti įvairiausias medžiagas, įskaitant keramiką, kompozitus, metalus ir plastikus.
Pastaraisiais metais išaugo kompozitinių medžiagų naudojimas orlaiviuose, todėl išaugo poreikis sujungti metalus su kompozicinėmis medžiagomis. Aviacijos ir erdvėlaivių gamyboje klijai gali būti naudojami sujungti šias dvi skirtingas medžiagas. Norint sukurti tvirtą sukibimą, du paviršiai turi būti kruopščiai paruošti prieš tepant klijus.
Valymas lazeriu yra idealus, nes sukuria labai griežtai kontroliuojamą, atkuriamą paviršiaus apdailą, kuri leidžia nuosekliai ir nuspėjamai suklijuoti. Tradiciškai tai būtų daroma naudojant destruktyvų sprogdinimo metodus arba naudojant keletą cheminių medžiagų. Tačiau dabar valymas lazeriu siūlo vieno etapo metodą, kuris yra ne tik ekonomiškesnis ir produktyvesnis, bet ir turi mažesnį poveikį aplinkai, nes nereikia naudoti nuodingų cheminių medžiagų ar sprogdinimo medžiagų. Valymas lazeriu taip pat yra daug švelnesnis detalėms nei tradiciniai metodai.
Metalinių ir kompozitinių orlaivių dalių valymas lazeriutaip pat yra naudingesnis už cheminį nuėmimą ar pūtimo būdus, kai kalbama apie dažų nuėmimą. Per jo naudojimo laiką orlaivis gali būti perdažytas 4-5 kartų, o dažų pašalinimas nuo viso orlaivio naudojant tradicinius metodus gali užtrukti savaitę ar ilgiau. Priešingai, valymas lazeriu gali sutrumpinti šį laiką iki 3-4 dienų, atsižvelgiant į orlaivio dydį, be to, dėl to dalys lengviau pasiekiamos darbuotojams. Be to, kai naudojamas dažams pašalinti, o ne cheminiam valymui ar pūtimui, valymas lazeriu leidžia žymiai sutaupyti išlaidų – tūkstančius svarų vienam orlaiviui, nes pavojingų atliekų kiekis sumažėja maždaug 90 procentų ar daugiau, o medžiagų tvarkymo reikalavimai.
Lazerinis šveitimas/lazerinis šokas
Metalinių komponentų įtempiai gali sukelti orlaivio komponentų, pvz., reaktyvinių variklių ventiliatorių mentelių, metalo nuovargio gedimą, o tai gali sukelti žalą arba susižalojimą. Tai galima sušvelninti naudojant lazerinį šveitimą.
Šiame procese lazerio šviesos impulsai nukreipiami į didelės įtampos koncentracijos sritį, o kiekvienas impulsas uždega mažytį plazmos sprogimą tarp komponento paviršiaus ir ant viršaus užpurkšto vandens sluoksnio. Vandens sluoksnis riboja sprogimą, dėl kurio smūginė banga prasiskverbia į komponentą ir, plečiantis jo sklidimo sričiai, sukuria liekamuosius gniuždymo įtempius. Šie įtempimai neutralizuoja įtrūkimus ir kitas metalo nuovargio formas. Palyginti su tradiciniais procesais, stiprinimas lazeriu gali pailginti metalinių dalių tarnavimo laiką 10-15 kartų.
Lazerinis šveitimas vis dažniau naudojamas aviacijos ir kosmoso pramonėje. Pavyzdžiui, „LSP Technologies“ ir „Airbus“ kartu sukūrė nešiojamą lazerinio valymo sistemą, kuri neseniai buvo išbandyta ir įvertinta „Airbus“ techninės priežiūros ir remonto įmonėje Tulūzoje, Prancūzijoje.
Leopard lazerinio valymo sistema pailgins nuovargio tarnavimo laiką, nes neleidžia atsirasti ir plisti įtrūkimams, kuriuos sukelia ciklinis vibracijos įtempis. Šviesolaidinio pluošto tiekimo lankstumas ir pasirinktiniai įrankiai leidžia sistemai lazeriu apšviesti vietas, kurias sunku pasiekti orlaiviams. Pasak partnerių, sistema yra lazerio stiprinimo technologijos proveržis, kuris padidins jos naudojimą, įskaitant reaktyvinių variklių menčių eksploatavimo pratęsimą ir kt.
JAV karinio jūrų laivyno Rytų laivyno parengties centras (FRCE) taip pat neseniai baigė patvirtinti lazerinio smūgio valymo procesą, kuris buvo sėkmingai naudojamas F-35B Lightning II orlaivyje. FRCE naudojo šį procesą, kad sustiprintų F-35B Lightning II rėmą, nepridedant jokios papildomos medžiagos ar svorio, kuris kitu atveju apribotų jo kuro ar ginklų nešiojimo galimybes. Tai padeda pailginti penktosios kartos naikintuvų, trumpo kilimo ir tūpimo variantų, naudojamų JAV jūrų pėstininkų korpuso, gyvenimo trukmę.
Laser gręžimas
Šiuolaikiniai lėktuvų varikliai turi apie 500,000 skylių, maždaug 100 kartų daugiau nei varikliai, pagaminti devintajame dešimtmetyje. Tuo pačiu metu orlaivių gamintojai gamina vis daugiau kitų komponentų, kuriuose yra daug išgręžtų skylių kniedijimui ir prisukimui. Todėl aviacijos ir kosmoso srityje lazerinis gręžimas turi didžiulį rinkos potencialą, nes užtikrina tikslų, pakartojamą, greitą ir ekonomišką procesą.
Pavyzdžiui, kuriamos naujos didelės galios femtosekundžių lazerinės sistemos, skirtos efektyviai ir tiksliai mikrogręžti didelių titano HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) plokštes, montuojamas ant sparnų arba išmetimo stabilizatorių. Šios plokštės įtraukia orą per mažas skylutes, todėl sumažėja trinties pasipriešinimas ir degalų sąnaudos.
Kadangi gręžimas lazeriu yra bekontaktis, apdirbamos medžiagos nereikia tvirtinti taip, kaip tai daroma su įprastais įrankiais. Kitas bekontaktiškumo privalumas yra įrankių nusidėvėjimo nebuvimas, o tai yra ypatingas pranašumas atliekant CFRP komponentų gręžimo operacijas. Dėl savo kietumo CFRP komponentai gali būti labai abrazyvūs įprastiems įrankiams. Gręžimas lazeriu taip pat gali būti atliekamas labai dideliu greičiu, kad pernelyg didelė karščio žala nepakenktų apdorojamai medžiagai.
Addityvinė gamyba
Lazerinių priedų gamyba (AM) taip pat buvo sparčiai plėtojama aviacijos ir kosmoso pramonėje. Taikant šią techniką, lazeriai išlydo nuoseklius miltelių sluoksnius, kad sukurtų formas. Kalifornijoje įsikūrusi raketų kompanija neseniai net užsakė du 12-lazerinio pluošto 3D spausdintuvus, kad kosmoso misijos būtų ekonomiškesnės ir efektyvesnės sukurdamos lengvesnius, greitesnius ir tvirtesnius kosmoso komponentus.
Nors daugelis projektų dar tik testavimo fazėje, lazerinių priedų gamyba jau sėkmingai panaudota dviejose misijose į Marsą. NASA marsaeigis „Curiosity“, nusileidęs 2012 m. rugpjūtį, buvo pirmoji misija į Marsą atgabenti 3D spausdintas dalis. Tai keraminis komponentas, esantis mėginio analizės Marse (SAM) instrumente, vykstančios bandymų programos, skirtos priedų gamybos metodų patikimumui ištirti, dalis.
Tuo tarpu NASA marsaeigyje „Perseverance“, kuris 2021 m. vasario mėn. nusileido Marse, yra 11 metalinių dalių, kurios buvo papildomai pagamintos lazeriais. Penki iš šių komponentų yra „Perseverance“ planetiniame rentgeno litochemijos instrumente (PIXL), kuris ieško iškastinių mikrobų gyvybės Marse požymių. Šios dalys turi būti tokios lengvos, kad tradiciniais metodais, tokiais kaip kalimas, formavimas ir pjovimas, jų nepavyktų pagaminti.
NASA taip pat eksperimentavo su lazerinių priedų raketų komponentų gamyba. Vieno tyrimo metu raketinio variklio degimo kamera buvo pagaminta iš vario lydinio. Nuolat plėtojant šią lazerinių priedų gamybą, dalis buvo pagaminta maždaug per pusę pigiau ir šeštadaliu mažiau laiko, reikalingo tradiciniam apdirbimui, sujungimui ir surinkimui. Kadangi naudojamas vario lydinys labai atspindi infraraudonųjų spindulių lazerius, NASA dabar tiria, kaip žali arba mėlyni lazeriai gali pagerinti efektyvumą ir našumą.
Nors priedų gamybos naudojimas aviacijos ir kosmoso pramonėje vis dar yra ankstyvoje stadijoje, tikimasi, kad per ateinančius 20 metų jis augs.
Lazerinis tekstūravimas
Lazerinis tekstūravimas taip pat yra labai naujas pritaikymas aviacijos ir kosmoso pramonėje. Šiame procese itin greiti lazeriai naudojami mikronanostruktūroms ant orlaivio paviršiaus sukurti naudojant techniką, vadinamą tiesioginiu lazeriniu interferencijos modeliavimu (DLIP), kuris naudojamas natūraliam „lotoso efektui“, sukuriančiam nanostruktūras, padedančias išvengti paviršiaus susidarymo. užteršimo ir užkirsti kelią ledo susidarymui orlaiviuose.
Naujoviška optika padalija galingą itin greitą lazerio impulsą į kelis dalinius pluoštus, kurie vėliau sujungiami ant apdirbamo paviršiaus. Žiūrint pro mikroskopą, gauta mikrostruktūra primena mikroskopines „sales“, sudarytas iš „stulpų“ ar bangelių. Atstumas tarp „stulpų“ yra apie 150 nm iki 30 μm – tokia struktūra reiškia, kad vandens lašeliai nebegali sudrėkinti paviršiaus ir prie jo prilipti, nes nepakankamai sukimba su paviršiumi.
Medžiagos, skirtos orlaiviams, pranašumai yra padidėjęs vandens, ledo ir vabzdžių atbaidymas. Jie gali prilipti prie orlaivio paviršiaus ir padidinti orlaivio vėjo pasipriešinimą, taip padidindami degalų sąnaudas. Taikant šią lazerinę tekstūrą, sumažėtų toksiškų cheminių priemonių, šiuo metu taikomų orlaivių paviršiams, poreikis, kad būtų išvengta apledėjimo. Yra žinoma, kad laikui bėgant jis sensta ir gali būti pažeistas. Be to, lazerinės struktūros, pagamintos naudojant DLIP metodą, gali tarnauti daugelį metų, nesukeldamos susirūpinimo aplinka.
