I de seneste år har rumfartsverdenen – inklusive kommercielle og militære fly, satellitter, rumfartøjer, droner og ubemandede luftfartøjer – gennemgået nogle dramatiske ændringer. Flere og flere virksomheder deltager i rumkapløbet, hvoraf mange kræver innovative produktionsteknologier.
I modsætning hertil har virkningen af rejserestriktioner på kommerciel luftfart forårsaget af den nye kroneepidemi fået produktionen af civile fly til at falde med en tredjedel.
I 2019 var Europa en af verdens førende inden for produktion af civile fly og helikoptere, herunder forskellige komponenter og flymotorer, og understøttede omkring 400,000 job og genererede en omsætning på 130 milliarder euro. Mens rumudforskning og forsvar stort set er forblevet upåvirket af pandemien, er produktionen af civile fly stadig ved at komme sig.
I "Uncertainty in Commercial Aerospace" (Uncertainty in Commercial Aerospace), udgivet i februar 2023, rapporterede McKinsey, et velkendt konsulent- og forskningsfirma, at verden er nødt til at fordøje konstruktionen af 9.400 passagerfly (hovedsageligt smalkroppede jetfly) ) inden udgangen af 2027. fly) efterslæb. Men der er usikkerhed om den fremtidige vækst i flypassagertrafikken, forsyningskædernes og arbejdsstyrkens sundhed. Som følge heraf skal producenterne øge produktionseffektiviteten og fleksibiliteten for at håndtere efterslæb og reagere på fremtidige ændringer i efterspørgslen.
Laserbehandlings evne til at øge produktiviteten og holde omkostningerne lave kan spille en nøglerolle i at muliggøre denne reaktion fra rumfartsindustrien. Laserbehandling - operationer i form af skæring, svejsning, peening og boring - er blevet en integreret del af rumfartsproduktion.
For eksempel bruges lasere til at lave klapper til flyvinger, vingebefæstelser, jetmotordele og sædedele, og de bruges også til at reparere turbiner, rense eller fjerne maling fra dele og forberede dele til videre bearbejdning. del overflade. I de senere år er laser additive manufacturing (AM) også vokset i popularitet inden for rumflyvning. Derudover håber markedet at forbedre sporbarheden af flykomponenter, og kravene til lasermærkning er også stigende.
Laserskæring og svejsning
Laserskæring er en hurtig, omkostningseffektiv og præcis proces, der bruges til at opfylde de krævende produktionskrav i luftfartssektoren.
Sammenlignet med traditionel behandling har laserskæring høj præcision, mindre materialespild, hurtig behandlingshastighed, lave omkostninger og mindre udstyrsvedligeholdelse. Derudover maksimerer den produktiviteten, da den hurtigt og nemt foretager alle nødvendige ændringer i bearbejdningen.
Lasere kan bruges til at producere vingefastgørelsesdele, jigdele, endeeffektordele, værktøjsdele og mere. Den er lige så velegnet til små komponenter såsom podede oliepakninger og titanium-udluftningskanalmanifolder, såvel som større komponenter såsom udstødningskegler. Den kan bearbejde en bred vifte af rumfartsmaterialer, herunder aluminium, Hastelloy (nikkel, der er blevet legeret med elementer som molybdæn og krom), Inconel, Nitinol, Nitinol, rustfrit stål, tantal og titanium.
Lasersvejsning bruges også i luft- og rumfart som et alternativ til traditionelle sammenføjningsmetoder såsom klæbemiddel og mekanisk fastgørelse. For eksempel vinder brugen af lasersvejsning af letvægtsaluminiumslegeringer og kulfiberforstærkede polymerer (CFRP) i flykonstruktioner indpas og bliver brugt til at erstatte nitning, hvor det er muligt. Teknikker som laservævningssvejsning har også haft succes med at forbinde brændstoftanke, forbedre fugeeffektiviteten og styrke, reducere efterbearbejdning og spare mange penge. Andre svejsesucceser i luft- og rumfart omfatter sammenføjning af den støbte kerne af en turbinevinge til dækpladen; og skabe en ny type letvægts vingeklap, der øger laminær flowkontrol, minimerer modstand og optimerer brændstofeffektiviteten.
Lasersvejsning har potentiale til at spare omkostninger, reducere komponentvægt og forbedre svejsekvaliteten sammenlignet med traditionelle metoder, og flere producenter overvejer i øjeblikket lasersvejsning til produktion af dele til flyskrog.
Laser rengøring
Producenter i rumfartssektoren bruger laserrensning til at fjerne lag af metal og kompositoverflader som forberedelse til bearbejdning, til at fjerne belægninger eller korrosion og til at fjerne maling fra store komponenter eller hele fly før ommaling.
Under rensningsprocessen absorberes og fordampes laseren af metaloverfladen, hvorved der opnås ablation af overfladematerialet, mens det har ringe effekt på det indre lagmateriale og vil ikke forårsage tilfældig termisk skade på komponenterne. Pulserende fiberlasere i kilowatt-klassen er særligt velegnede til hurtig laserrensning - de muliggør effektiv højpræcisionsrensning af en lang række materialer, herunder keramik, kompositter, metaller og plast.
I de senere år er brugen af kompositmaterialer i fly steget, og det samme er behovet for at forbinde metaller med kompositmaterialer. I rumfartsfremstilling kan klæbemidler bruges til at forbinde disse to forskellige materialer. For at skabe en stærk binding skal de to overflader forberedes omhyggeligt, før limen påføres.
Laserrensning er ideel, fordi den skaber en meget stramt kontrolleret, reproducerbar overfladefinish, der muliggør ensartet, forudsigelig limning. Traditionelt ville dette ske gennem destruktive sprængningsteknikker eller anvendelse af flere kemikalier. Men laserrensning tilbyder nu en et-trins metode, der ikke kun er mere omkostningseffektiv og produktiv, men også har en lavere miljøbelastning, da der ikke kræves giftige kemikalier eller sprængningsmaterialer. Laserrensning er også meget skånsommere for dele end traditionelle metoder.
Laserrensning af metal og komposit flydeleer også mere gavnligt end kemisk stripning eller sprængningsteknikker, når det kommer til maling. I løbet af dets brugstid kan et fly males om 4-5 gange, og det kan tage en uge eller mere at fjerne malingen fra hele flyet ved hjælp af traditionelle teknikker. I modsætning hertil kan laserrensning reducere denne tid til 3-4 dage, afhængigt af flyets størrelse, og det gør også dele mere tilgængelige for arbejdere. Ydermere, når den bruges til fjernelse af maling i stedet for kemisk stripning eller blæsning, giver laserrensning betydelige omkostningsbesparelser – tusindvis af pund pr. fly, da farligt affald reduceres med omkring 90 procent eller mere, og krav til materialehåndtering reduceres.
Laserpeening/laserchokblending
Spændinger i metalkomponenter kan føre til metaltræthedsfejl i flykomponenter, såsom blæserblade i jetmotorer, hvilket har potentiale til at forårsage skade eller personskade. Dette kan afbødes med en teknik kendt som laserpeening.
I denne proces bliver laserlysimpulser rettet ind i et område med høj stresskoncentration, og hver impuls antænder en lille eksplosion af plasma mellem overfladen af komponenten og et lag vand sprøjtet ovenpå. Vandlaget begrænser eksplosionen, hvilket får stødbølgen til at trænge ind i komponenten og generere kompressionsrestspændinger, når dens udbredelsesområde udvides. Disse spændinger modvirker revner og andre former for metaltræthed. Sammenlignet med traditionelle processer kan laserforstærkning forlænge levetiden for metaldele med 10-15 gange.
Laserpeening bruges i stigende grad i rumfartsindustrien. For eksempel har LSP Technologies og Airbus i fællesskab udviklet et bærbart laser-peening-system, der for nylig blev testet og evalueret på Airbus' vedligeholdelses- og reparationsanlæg i Toulouse, Frankrig.
Leopard laser-peening-systemet forlænger træthedslevetiden ved at hæmme initieringen og udbredelsen af revner forårsaget af cyklisk vibrationsbelastning. Fleksibiliteten ved levering af fiberoptiske stråler og brugerdefinerede værktøjer gør det muligt for systemet at laserbelyse områder, der er vanskelige for fly at nå. Ifølge partnerne er systemet et gennembrud inden for laserforstærkende teknologi, der vil fremme dets anvendelse, herunder forlænge levetiden af jetmotorblade med mere.
US Navy's Fleet Readiness Center East (FRCE) afsluttede også for nylig valideringen af en laserchok-peening-proces, der er blevet brugt med succes på F-35B Lightning II-flyene. FRCE brugte processen til at styrke rammen af F-35B Lightning II uden at tilføje yderligere materiale eller vægt, som ellers ville begrænse dens brændstof- eller våbenbærende kapacitet. Dette er med til at forlænge den forventede levetid for femte generations kampfly, varianterne af kort start og landing, der bruges af US Marine Corps.
Laser boring
Moderne flymotorer har omkring 500,000 huller, omkring 100 gange så mange som motorer bygget i 1980'erne. Samtidig producerer flyproducenter et stigende antal andre komponenter, der har et stort antal borede huller til nitning og skruning. Derfor har laserboring inden for rumfart et enormt markedspotentiale, fordi det giver en præcis, gentagelig, hurtig og omkostningseffektiv proces.
For eksempel udvikles nye højeffekt femtosekund lasersystemer til effektiv og præcis mikroboring af store titanium HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) paneler, der skal monteres på vinge- eller empennage-stabilisatorer. Disse paneler trækker luft ind gennem små huller, hvilket reducerer friktionsmodstanden og reducerer brændstofforbruget.
Da laserboring er berøringsfri, behøver materialet, der bearbejdes, ikke fastgøres på samme måde, som det er med konventionelle værktøjer. En anden fordel ved at være kontaktløs er fraværet af værktøjsslid, hvilket repræsenterer en særlig fordel ved boreoperationer for CFRP-komponenter. På grund af sin hårdhed kan CFRP-komponenter være meget slibende i forhold til konventionelle værktøjer. Laserboring kan også udføres ved meget høje hastigheder, så overdreven varmeskader ikke skader det materiale, der behandles.
Aadditiv fremstilling
Laser additive manufacturing (AM) er også blevet hurtigt udviklet i luft- og rumfartsindustrien. I denne teknik smelter lasere på hinanden følgende lag af pulver for at bygge former. Et raketfirma med base i Californien bestilte for nylig endda to 12-laserstråle-3D-printere for at gøre dets rummissioner mere økonomiske og effektive ved at skabe lettere, hurtigere og stærkere rumkomponenter.
Mens mange projekter stadig er i testfasen, er fremstilling af laseradditiv allerede blevet brugt med succes på to missioner til Mars. NASAs Curiosity-rover, som landede i august 2012, var den første mission, der bragte 3D-printede dele til Mars. Dette er en keramisk komponent i Sample Analysis at Mars (SAM) instrumentet, en del af et igangværende testprogram for at undersøge pålideligheden af additive fremstillingsteknikker.
I mellemtiden indeholder NASA's Perseverance-rover, som landede på Mars i februar 2021, 11 metaldele, der blev fremstillet additivt med lasere. Fem af disse komponenter er i Perseverance's Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL), som søger efter tegn på fossilt mikrobielt liv på Mars. Disse dele skal være så lette, at traditionelle teknikker som smedning, støbning og skæring ikke kan producere dem.
NASA har også eksperimenteret med laseradditiv fremstilling af raketkomponenter. I en undersøgelse blev forbrændingskammeret i en raketmotor fremstillet af en kobberlegering. Den fortsatte udvikling af denne lasertilsætningsfremstilling har resulteret i, at delen er fremstillet til omtrent halvdelen af omkostningerne og i en sjettedel af den tid, der kræves til traditionel bearbejdning, sammenføjning og montering. Da den anvendte kobberlegering er meget reflekterende over for infrarøde lasere, undersøger NASA nu, hvordan grønne eller blå lasere kan forbedre effektiviteten og produktiviteten.
Mens brugen af additiv fremstilling i rumfart stadig er i sin tidlige fase, forventes den at vokse i løbet af de næste 20 år.
Laser teksturering
Laserteksturering er også en meget ny anvendelse i luftfartsindustrien. I denne proces bruges ultrahurtige lasere til at skabe mikro-nanostrukturer på flyets overflade gennem en teknik kaldet direct laser interference patterning (DLIP), som bruges til at skabe en naturlig "lotus-effekt", som skaber nanostrukturer, der hjælper med at forhindre overfladen. kontaminering og forhindre isopbygning på fly.
Innovativ optik opdeler en kraftig ultrahurtig laserimpuls i flere delstråler, som derefter kombineres på overfladen, der skal behandles. Når den ses under et mikroskop, ligner den resulterende mikrostruktur mikroskopiske "haller" lavet af "søjler" eller korrugeringer. Afstanden mellem "pillerne" er omkring 150nm til 30μm - denne struktur betyder, at vanddråberne ikke længere kan væde overfladen og klæbe til den, fordi de ikke har nok greb om overfladen.
Fordelene ved materialet til fly omfatter øget vand-, is- og insektafvisning. Disse kan klæbe til flyets overflade og øge flyets vindmodstand og derved øge brændstofforbruget. Anvendelse af denne laserteksturering ville reducere behovet for giftige kemiske behandlinger, der i øjeblikket anvendes på flyoverflader for at undgå isdannelse. Det er kendt for at ældes og bliver tilbøjeligt til at beskadige over tid. Desuden kan laserstrukturer fremstillet med DLIP-metoden holde i årevis uden at forårsage miljøproblemer.
