Pastaraisiais metais aviacijos ir kosmoso sektorius, įskaitant komercinius ir karinius orlaivius, palydovus, erdvėlaivius, dronus ir nepilotuojamus orlaivius (UAV), patyrė didelių pokyčių. Į kosmoso lenktynes įsiliejo vis daugiau įmonių, kurių daugeliui reikalingos naujoviškos gamybos technologijos.
Priešingai, dėl pandemijos sukeltų kelionių apribojimų komercinei aviacijai civilinių orlaivių gamybos rodikliai sumažėjo trečdaliu.
2019 m. Europa buvo viena iš pasaulinių civilinių orlaivių ir sraigtasparnių (įskaitant įvairius komponentus ir orlaivių variklius) gamybos lyderių, suteikdama apie 400{2}} darbo vietų ir uždirbusi 130 mlrd. EUR pajamų. Nors naujosios karūnos pandemija kosmoso tyrinėjimams ir gynybai iš esmės nepaveikė, civilinių orlaivių gamyba ir gamyba vis dar atsigauna.
Savo 2023 m. vasario mėn. leidinyje „Uncertainty in Commercial Aerospace“, pirmaujanti konsultacijų ir tyrimų įmonė „McKinsey“ praneša, kad pasaulis turi priimti užsakymus, kad iki 2027 m. pabaigos būtų pagaminta 9 400 keleivinių orlaivių (daugiausia siauro korpuso reaktyvinių). Tačiau yra neaiškumų. apie būsimą keleivių vežimo oro transportu augimą, tiekimo grandinę ir darbo jėgos patikimumą. Todėl gamintojai turi pagerinti našumą ir lankstumą, kad galėtų valdyti atsilikimą ir reaguoti į būsimus paklausos pokyčius.
Lazerinio apdorojimo gebėjimas padidinti našumą ir išlaikyti mažas sąnaudas gali atlikti pagrindinį vaidmenį įgalinant šį atsaką aviacijos ir kosmoso pramonėje. Lazerinis apdirbimas – pjovimo, suvirinimo, šratinio šlifavimo ir gręžimo operacijos – tapo neatsiejama aviacijos ir kosmoso gamybos dalimi.
Pavyzdžiui, lazeriai naudojami orlaivių sparnų sklendėms, sparnų tvirtinimo detalėms, reaktyvinių variklių komponentams ir sėdynių dalims gaminti, taip pat turbinoms taisyti, detalių valymui ar dažų pašalinimui bei komponentų paviršių paruošimui tolesniam apdorojimui. Pastaraisiais metais lazerinių priedų gamyba (AM) taip pat tapo vis populiaresnė aviacijos ir kosminių skrydžių sektoriuje. Be to, rinka nori pagerinti aviacijos ir kosmoso komponentų atsekamumą, todėl didėja lazerinio žymėjimo paklausa.
Pjovimas ir suvirinimas lazeriu
Pjovimas lazeriu yra greitas, ekonomiškas ir tikslus procesas, kuris gali būti naudojamas siekiant patenkinti didelius aviacijos ir kosmoso sektoriaus gamybos reikalavimus.
Palyginti su tradiciniu apdorojimu, pjovimas lazeriu pasižymi dideliu tikslumu, mažesniu medžiagų atliekų kiekiu, didesniu apdorojimo greičiu, mažesnėmis sąnaudomis ir mažiau įrangos priežiūros. Be to, galima padidinti našumą, nes tai leidžia greitai ir lengvai atlikti visus būtinus proceso pakeitimus.
Lazeris gali būti naudojamas gaminant sparnų tvirtinimo detales, tvirtinimo detales, galinio efekto dalis, įrankių dalis ir kt. Jis vienodai tinka mažoms dalims, tokioms kaip skiepų alyvos tarpikliai ir titano bandomųjų vamzdžių kolektoriai, taip pat didesnės dalys, pvz. kaip išmetimo kūgiai. Jis gali apdoroti įvairias aviacijos ir kosmoso medžiagas, įskaitant aliuminį, Hastelloy (nikelį, kuris buvo legiruotas su 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 gamyboje vis labiau vertinamas ir, kur įmanoma, naudojamas pakeisti kniedytas jungtis. Tokios technologijos, kaip suvirinimas lazeriu, taip pat buvo sėkmingos degalų bako jungtyse, pagerindamos jungties efektyvumą ir stiprumą, sumažindamos perdirbimą ir žymiai sutaupydamos išlaidas. Kiti suvirinimo sėkmė aviacijos srityje apima lietų turbinų menčių šerdies tvirtinimą prie dangčių; ir sukurti naujų tipų lengvus sparnų atvartus, kurie padidina laminarinio srauto valdymą, sumažina pasipriešinimą ir optimizuoja degalų efektyvumą.
Turėdami galimybę sutaupyti, sumažinti komponentų svorį ir pagerinti suvirinimo kokybę, palyginti su tradiciniais metodais, keli gamintojai rinkoje net dabar svarsto galimybę suvirinti lazeriu lėktuvo korpuso dalis.
Valymas lazeriu
Gamintojai aviacijos ir kosmoso sektoriuje naudoja valymą lazeriu, kad pašalintų sluoksnius nuo metalinių ir kompozitinių paviršių ruošdamiesi apdirbimui, pašalina dangas ar koroziją ir dažus nuo didelių dalių ar viso orlaivio prieš perdažant.
Valymo proceso metu lazerio šviesą sugeria ir išgarina paviršinis metalo sluoksnis, todėl paviršiaus medžiaga nušlifuojama, vidiniam sluoksniui mažai arba visai nedaroma, o komponentas nepažeidžiamas. Kilovatų klasės impulsiniai skaiduliniai lazeriai ypač tinka greitam valymui lazeriu – jais itin efektyviai ir tiksliai galima valyti įvairiausias medžiagas, įskaitant keramiką, kompozitus, metalus ir plastikus.
Pastaraisiais metais išaugo kompozitų naudojimas orlaiviuose, todėl išaugo poreikis sujungti metalus su kompozitais. Aviacijos ir erdvėlaivių gamyboje klijai gali būti naudojami sujungti šias dvi skirtingas medžiagas, o norint sukurti tvirtą sukibimą, du paviršiai turi būti kruopščiai paruošti apdorojimui prieš dengiant klijus.
Valymas lazeriu yra idealus pasirinkimas, nes jis sukuria labai griežtai kontroliuojamą, atkuriamą paviršiaus efektą, galintį pasiekti nuoseklų, nuspėjamą sukibimą. Tradiciškai tai būtų atliekama naudojant destruktyvius sprogdinimo būdus arba naudojant kelias chemines medžiagas. Tačiau dabar valymas lazeriu siūlo vieno etapo metodą, kuris yra ne tik ekonomiškesnis ir produktyvesnis, bet ir turi daug 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 komponentų valymas lazeriu taip pat yra naudingesnis nei cheminis nuėmimas ar pūtimas, kai reikia nuvalyti dažus. Per savo eksploatavimo laiką orlaivis gali būti perdažytas 4-5 kartus, o dažų pašalinimas nuo viso orlaivio naudojant tradicinius metodus gali užtrukti savaitę ar ilgiau. Priešingai, valymas lazeriu gali sutrumpinti šį laiką iki 3-4 d., atsižvelgiant į orlaivio dydį, be to, tai leidžia darbuotojams lengviau pasiekti dalis. Be to, kai naudojamas dažams pašalinti, o ne cheminiam valymui ar pūtimui, valymas lazeriu gali žymiai sutaupyti išlaidų – tūkstančius svarų vienam orlaiviui – nes pavojingų atliekų kiekis sumažėja maždaug 90 procentų ar daugiau, o medžiagų tvarkymo reikalavimai.
Lazerinis pūtimas / šveitimas lazeriu
Metalinių komponentų įtempiai gali sukelti metalo nuovargio gedimą orlaivio komponentuose, pvz., reaktyvinių variklių ventiliatorių mentėse, o tai gali sukelti žalą arba sužalojimą. Tai galima sušvelninti naudojant lazerinį šveitimą.
Šiame procese lazerio 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 apriboja sprogimą, dėl kurio smūginė banga prasiskverbia į komponentą ir sukuria liekamuosius gniuždymo įtempius, kai jo sklidimo sritis plečiasi. Šie įtempiai neutralizuoja įtrūkimus ir kitas metalo nuovargio formas. Lazerinis valymas gali pailginti metalinių dalių tarnavimo laiką 10-15 kartų, palyginti su įprastais procesais.
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 naudojimo trukmę, nes neleidžia atsirasti ir išsiplėsti įtrūkimams, kuriuos sukelia cikliniai vibracijos įtempiai. Šviesolaidinio pluošto tiekimo lankstumas ir pritaikyti įrankiai leidžia sistemai lazeriu apdoroti sunkiai pasiekiamas orlaivio vietas. Pasak partnerių, sistema yra proveržis lazerinio valymo technologijos srityje ir padidins jos naudojimą, be kita ko, prailgins reaktyvinių variklių menčių tarnavimo laiką.
JAV karinio jūrų laivyno laivyno parengties centras Rytų (FRCE) taip pat neseniai baigė patvirtinti lazerio smūgio stiprinimo procesą, kuris buvo sėkmingai naudojamas F-35B Lightning II lėktuve. FRCE naudojo šį procesą, kad sustiprintų F-35B Lightning II rėmą, nepridedant jokios papildomos medžiagos ar svorio, kuris kitu atveju apribotų jo degalų ar ginklų nešiojimo galimybes. Tai padeda pailginti penktosios kartos naikintuvo, trumpo kilimo ir tūpimo versijos, naudojamos JAV jūrų pėstininkų korpuso, gyvenimo trukmę.
Lazerinis gręžimas
Šiuolaikiniai lėktuvų varikliai turi apie 500,{1}} skylių, maždaug 100 kartų daugiau nei devintajame dešimtmetyje pagamintų variklių. Tuo pačiu metu orlaivių gamintojai gamina vis daugiau kitų komponentų, kuriuose yra daug išgręžtų skylių kniedėms ir varžtinėms jungtims. Todėl gręžimas lazeriu turi didžiulį rinkos potencialą aviacijos ir kosmoso sektoriuje, nes tai yra tikslus, kartojamas, greitas ir ekonomiškas procesas.
Pavyzdžiui, kuriamos naujos didelės galios femtosekundžių lazerinės sistemos, skirtos efektyviai ir tiksliai mikrogręžti didelių titano HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) plokštes, kurios bus tvirtinamos ant sparnų arba uodegos stabilizatorių. Šios plokštės ištraukia orą per mažas skylutes, taip sumažindamos trinties pasipriešinimą ir sumažindamos degalų sąnaudas.
Image Lazeriai vis dažniau naudojami CFRP orlaivių komponentams gręžti
(Vaizdo kreditas: Hanoverio lazerių centras)
Kadangi gręžimas lazeriu yra bekontaktis, apdorojamos medžiagos nereikia laikyti taip, lyg ji būtų apdorojama įprastais įrankiais. Kitas bekontaktiškumo privalumas yra tai, kad nesusidėvi įrankiai, o tai yra ypatingas pranašumas gręžiant CFRP komponentus. Dėl savo kietumo CFRP komponentai gali labai smarkiai susidėvėti įprastus įrankius. Gręžimas lazeriu taip pat gali būti atliekamas labai dideliu greičiu, kad pernelyg didelė karščio žala nepakenktų apdorojamai medžiagai.
Priedų gamyba
Lazerinių priedų gamyba (AM) taip pat sparčiai įsibėgėja aviacijos ir kosmoso pramonėje. Taikant šią techniką, lazeris išlydo ištisinius miltelių sluoksnius, kad sukurtų formas. Kalifornijoje įsikūrusi raketų kompanija netgi neseniai užsakė du 12-lazerinio pluošto 3D spausdintuvus, kad kosmoso misijos būtų ekonomiškesnės ir efektyvesnės sukurdamos lengvesnius, greitesnius ir tvirtesnius kosmoso komponentus.
Nors daugelis projektų vis dar yra testavimo fazėje, lazerinių priedų gamyba buvo sėkmingai panaudota dviejose misijose į Marsą. NASA marsaeigis „Curiosity“, nusileidęs 2012 m. rugpjūtį, buvo pirmoji 3D spausdintų dalių gabenimo į Marsą misija. Tai keraminis komponentas, esantis mėginio analizės Marse (SAM) instrumente, vykstančios bandymų programos, skirtos priedų gamybos technologijos patikimumui ištirti, dalis.
Tuo tarpu NASA marsaeigyje „Trailblazer“, kuris 2021 m. vasario mėn. nusileido Marse, yra 11 lazeriniais priedais pagamintų metalinių dalių. Penkios dalys yra „Trail's Planetary Instrument for Rentgen Lithochemistry“ (PIXL), kuri ieško mikrobų iškastinio gyvenimo Marse požymių. Šios dalys turi būti tokios lengvos, kad jų nebūtų galima pagaminti naudojant tradicinius kalimo, liejimo ir pjovimo būdus.
NASA taip pat eksperimentavo su lazerinių priedų raketų komponentų gamyba. Vieno tyrimo metu raketinio variklio degimo kamera buvo pagaminta iš vario lydinio. Dėl šios nuolatinės lazerinių priedų gamybos plėtros atsirado komponentas, kurį galima pagaminti maždaug per pusę pigiau ir šeštadaliu laiko, kurio reikia tradiciniam apdirbimui, sujungimui ir surinkimui. Kadangi naudojami vario lydiniai labai atspindi infraraudonųjų spindulių lazerius, NASA dabar tiria, kaip žali arba mėlyni lazeriai gali pagerinti efektyvumą ir produktyvumą.
Nors priedų gamybos naudojimas aviacijos ir kosmoso pramonėje vis dar yra ankstyvoje stadijoje, tikimasi, kad per ateinančius 20 metų jis augs.
Lazerinis apskaičiavimas
Lazerinis apskaičiavimas taip pat yra labai naujas pritaikymas aviacijos ir kosmoso pramonėje. Šiame procese itin greiti lazeriai naudojami mikronanostruktūroms ant orlaivių paviršių sukurti naudojant techniką, vadinamą tiesioginiu lazeriniu interferometriniu modeliavimu (DLIP), kuris naudojamas natūraliam „lotoso efektui“ sukurti, kuriant nanostruktūras, padedančias išvengti paviršiaus užteršimo ir ledo. kaupimasis orlaivyje.
Naujoviška optika padalija galingą itin greitą lazerio impulsą į kelis dalinius pluoštus, kurie vėliau sujungiami ant apdirbamo paviršiaus. Žiūrint pro mikroskopą, gauta mikrostruktūra primena mikroskopinę „stulpų“ arba bangelių „salę“. Atstumas tarp „stulpų“ yra nuo 150 nm iki 30 µm – tai struktūra, reiškianti, kad vandens lašeliai nebedrėkina paviršiaus ir neprilimpa prie jo, nes nepakankamai sukimba su paviršiumi.
Šios medžiagos pranašumai orlaiviams yra didesnis vandens, ledo ir vabzdžių atbaidymas. Šios gali prilipti prie orlaivio paviršiaus ir padidinti orlaivio atsparumą vėjui, taip padidindamos degalų sąnaudas. Taikant šią lazerinę tekstūrą, sumažės toksiškų cheminių priemonių, šiuo metu naudojamų orlaivių paviršiams, poreikis, kad būtų išvengta apledėjimo. Yra žinoma, kad laikui bėgant jis blogėja ir yra linkęs sugadinti. Be to, DLIP metodu pagamintos lazerinės struktūros gali tarnauti kelerius metus ir nesukelti aplinkos problemų.
