Viimastel aastatel on kosmosemaailm, sealhulgas kommerts- ja sõjalennukid, satelliidid, kosmosesõidukid, droonid ja mehitamata õhusõidukid (UAV) läbi teinud mõningaid dramaatilisi muutusi. Kosmosevõistlusega liitub üha rohkem ettevõtteid, millest paljud nõuavad uuenduslikke tootmistehnoloogiaid.
Seevastu uuest krooniepideemiast põhjustatud reisipiirangute mõju kommertslennundusele on põhjustanud tsiviillennukite tootmise vähenemise kolmandiku võrra.
2019. aastal oli Euroopa tsiviillennukite ja helikopterite, sealhulgas erinevate komponentide ja lennukimootorite tootmises maailmas üks liidritest, luues ligikaudu 400000 töökohta ja teenides 130 miljardit eurot tulu. Kuigi pandeemia ei ole kosmoseuuringuid ja kaitset suuresti mõjutanud, on tsiviillennukite tootmine endiselt taastumas.
2023. aasta veebruaris avaldatud väljaandes "Uncertainty in Commercial Aerospace" (Uncertainty in Commercial Aerospace) teatas tuntud konsultatsiooni- ja uuringufirma McKinsey, et maailm peab seedima 9400 reisilennuki (peamiselt kitsa kerega reaktiivlennuki) ehitust. ) 2027. aasta lõpuks. lennukid) mahajäämus. Kuid reisijate lennuliikluse edasise kasvu, tarneahelate ja tööjõu tervise osas valitseb ebakindlus. Selle tulemusena peavad tootjad suurendama tootmise efektiivsust ja paindlikkust, et käsitleda mahajäämust ja reageerida tulevastele nõudluse muutustele.
Lasertöötluse võime tõsta tootlikkust ja hoida kulusid madalal võib mängida võtmerolli lennunduse ja kosmosetööstuse reageerimise võimaldamisel. Lasertöötlus – lõikamise, keevitamise, peenestamise ja puurimise vormis toimingud – on muutunud kosmosetööstuse lahutamatuks osaks.
Näiteks kasutatakse lasereid lennukitiibade klappide, tiivakinnituste, reaktiivmootorite osade ja istmete osade valmistamiseks, samuti kasutatakse neid turbiinide parandamiseks, detailide värvi puhastamiseks või eemaldamiseks ning detailide ettevalmistamiseks edasiseks töötlemiseks. osa pind. Viimastel aastatel on kosmoselendudes populaarsust kogunud ka laserlisandite tootmine (AM). Lisaks loodab turg parandada kosmosekomponentide jälgitavust, samuti tõusevad nõuded lasermärgistusele.
Laser lõikamine ja keevitamine
Laserlõikamine on kiire, kulutõhus ja täpne protsess, mida kasutatakse lennundussektori nõudlike tootmisnõuete täitmiseks.
Võrreldes traditsioonilise töötlemisega on laserlõikamisel suur täpsus, vähem materjalijäätmeid, kiire töötlemiskiirus, madal hind ja vähem seadmete hooldust. Lisaks maksimeerib see tootlikkust, kuna muudab töötlemiseks vajalikud muudatused kiireks ja lihtsaks.
Lasereid saab kasutada tiivakinnitusdetailide, rakiseosade, otsaefektori osade, tööriistaosade ja muu tootmiseks. See sobib võrdselt nii väikestele komponentidele nagu poogitud õlitihendid ja titaanist õhutuskanalite kollektorid, kui ka suurematele komponentidele, nagu väljalaskekoonused. Sellega saab töödelda mitmesuguseid kosmosetööstusmaterjale, sealhulgas alumiiniumi, Hastelloy (nikkel, mis on legeeritud selliste elementidega nagu molübdeen ja kroom), Inconel, Nitinol, Nitinol, roostevaba teras, tantaal ja titaan.
Laserkeevitust kasutatakse ka kosmosetööstuses alternatiivina traditsioonilistele liitmismeetoditele nagu liimimine ja mehaaniline kinnitamine. Näiteks kergalumiiniumisulamite ja süsinikkiuga tugevdatud polümeeride (CFRP) laserkeevitamise kasutamine lennukiehituses kogub üha enam haaret ja seda kasutatakse võimalusel neetimise asendamiseks. Sellised tehnikad nagu laserkudumisega keevitamine on olnud edukad ka kütusepaakide ühendamisel, vuukide tõhususe ja tugevuse parandamisel, ümbertöötlemise vähendamisel ja suure raha säästmisel. Muude keevitamise õnnestumiste hulka lennunduses on turbiini laba valatud südamiku ühendamine katteplaadiga; ning luua uut tüüpi kerge tiibklapp, mis suurendab laminaarset voolu juhtimist, minimeerib takistust ja optimeerib kütusesäästlikkust.
Laserkeevitamisel on potentsiaali säästa kulusid, vähendada komponentide kaalu ja parandada keevisõmbluse kvaliteeti võrreldes traditsiooniliste meetoditega ning mitmed tootjad kaaluvad praegu lennuki keredetailide tootmiseks laserkeevitust.
Laseri puhastamine
Lennundussektori tootjad kasutavad laserpuhastust metall- ja komposiitpindade kihtide eemaldamiseks töötlemiseks valmistudes, kattekihtide või korrosiooni eemaldamiseks ning värvi eemaldamiseks suurtelt komponentidelt või tervelt lennukilt enne ülevärvimist.
Puhastusprotsessi käigus neeldub ja aurustub laser metallpinna poolt, saavutades seeläbi pinnamaterjali ablatsiooni, avaldades samal ajal vähe mõju sisekihi materjalile ega põhjusta komponentidele juhuslikku termilist kahjustust. Kilovatiklassi impulsskiudlaserid sobivad eriti hästi kiireks laserpuhastuseks – need võimaldavad tõhusalt ja ülitäpselt puhastada väga erinevaid materjale, sealhulgas keraamikat, komposiite, metalle ja plastmassi.
Viimastel aastatel on suurenenud komposiitmaterjalide kasutamine lennukites, samuti on suurenenud vajadus metallide liitmiseks komposiitmaterjalidega. Kosmosetööstuses saab nende kahe erineva materjali ühendamiseks kasutada liime. Tugeva sideme loomiseks tuleb kaks pinda enne liimi pealekandmist hoolikalt ette valmistada.
Laserpuhastus on ideaalne, kuna see loob väga täpselt kontrollitud, reprodutseeritava pinnaviimistluse, mis võimaldab ühtlast ja prognoositavat liimimist. Traditsiooniliselt tehakse seda destruktiivse lõhkamise tehnika või mitme kemikaali kasutamisega. Kuid laserpuhastus pakub nüüd üheastmelist meetodit, mis pole mitte ainult kulutõhusam ja produktiivsem, vaid ka väiksema keskkonnamõjuga, kuna pole vaja mürgiseid kemikaale ega lõhkematerjale. Laserpuhastus on ka osade suhtes palju õrnem kui traditsioonilised meetodid.
Lennuki metallist ja komposiitdetailide laserpuhastuson ka värvieemalduse puhul kasulikum kui keemilised eemaldamis- või lõhkamistehnikad. Selle kasutusea jooksul võidakse lennukit üle värvida 4-5 korda ja traditsiooniliste tehnikate abil võib kogu lennukilt värvi eemaldamiseks kuluda nädal või rohkem. Seevastu laserpuhastus võib seda aega lühendada 3-4 päevani, olenevalt lennuki suurusest ja muudab osad ka töötajatele kättesaadavamaks. Veelgi enam, kui seda kasutatakse värvi eemaldamiseks, mitte keemiliseks eemaldamiseks või lõhkamiseks, võimaldab laserpuhastus oluliselt säästa kulusid – tuhandeid naela lennuki kohta, kuna ohtlike jäätmete hulk väheneb umbes 90 protsenti või rohkem ja materjalikäitlusnõuded.
Laserpeening / laseršokkpiening
Metallkomponentide sees olevad pinged võivad põhjustada õhusõiduki komponentide (nt reaktiivmootorite ventilaatorilabade) metalli väsimust, mis võib põhjustada kahjustusi või vigastusi. Seda saab leevendada laserpeening-nimelise tehnikaga.
Selle protsessi käigus suunatakse laservalguse impulsid kõrge pingega kontsentratsiooniga piirkonda ja iga impulss süütab komponendi pinna ja selle peale pihustatud veekihi vahel väikese plasmaplahvatuse. Veekiht piirab plahvatuse, mille tõttu lööklaine tungib läbi komponendi ja tekitab survet jääkpingeid, kui selle levimisala laieneb. Need pinged takistavad pragunemist ja muid metalli väsimise vorme. Võrreldes traditsiooniliste protsessidega võib laseriga tugevdamine pikendada metallosade kasutusiga 10-15 korda.
Laserpesu kasutatakse kosmosetööstuses üha enam. Näiteks on LSP Technologies ja Airbus ühiselt välja töötanud kaasaskantava laseriga eemaldamise süsteemi, mida hiljuti testiti ja hinnati Airbusi hooldus- ja remonditehases Prantsusmaal Toulouse'is.
Leopardi laserpeening süsteem pikendab väsimuse eluiga, takistades tsüklilisest vibratsioonipingest põhjustatud pragude teket ja levikut. Fiiberoptilise kiirte edastamise paindlikkus ja kohandatud tööriistad võimaldavad süsteemil laseriga valgustada piirkondi, kuhu lennukid on raskesti ligipääsetavad. Partnerite sõnul on süsteem läbimurre lasertugevdustehnoloogias, mis edendab selle kasutamist, sealhulgas pikendab reaktiivmootorite labade eluiga ja palju muud.
USA mereväe Fleet Readiness Center East (FRCE) lõpetas hiljuti ka F-35B Lightning II lennukitel edukalt kasutatud laseršoki eemaldamise protsessi valideerimise. FRCE kasutas seda protsessi F-35B Lightning II raami tugevdamiseks ilma täiendavat materjali või kaalu lisamata, mis muidu piiraks selle kütuse- või relvakandmisvõimet. See aitab pikendada USA merejalaväe kasutatavate viienda põlvkonna hävitajate, lühikese stardi ja maandumisvariantide eluiga.
Laseri puurimine
Kaasaegsetes lennukimootorites on umbes 500000 auku, mis on umbes 100 korda rohkem kui 1980. aastatel ehitatud mootoritel. Samal ajal toodavad lennukitootjad üha rohkem muid komponente, millel on suur hulk neetimiseks ja kruvimiseks puuritud auke. Seetõttu on kosmosevaldkonnas laserpuurimisel tohutu turupotentsiaal, kuna see tagab täpse, korratava, kiire ja kulutõhusa protsessi.
Näiteks töötatakse välja uusi suure võimsusega femtosekundi lasersüsteeme suurte titaanist HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) paneelide tõhusaks ja täpseks mikropuurimiseks, mis paigaldatakse tiiva- või emennage stabilisaatoritele. Need paneelid tõmbavad õhku läbi väikeste aukude, mis vähendab hõõrdetakistust ja kütusekulu.
Kuna laserpuurimine on kontaktivaba, ei pea töödeldavat materjali fikseerima nii, nagu seda tehakse tavaliste tööriistadega. Teine kontaktivaba olemise eelis on tööriistade kulumise puudumine, mis kujutab endast erilist eelist CFRP komponentide puurimisel. Oma kõvaduse tõttu võivad CFRP komponendid olla tavaliste tööriistade suhtes väga abrasiivsed. Laserpuurimist saab teha ka väga suurel kiirusel, et liigsed kuumusekahjustused töödeldavat materjali ei kahjustaks.
Additiivne tootmine
Laserlisandite tootmine (AM) on samuti kiiresti arenenud kosmosetööstuses. Selle tehnika puhul sulatavad laserid kujundite moodustamiseks järjestikuseid pulbrikihte. Californias asuv raketifirma tellis hiljuti isegi kaks 12-laserkiirega 3D-printerit, et muuta oma kosmosemissioonid säästlikumaks ja tõhusamaks, luues kergemaid, kiiremaid ja tugevamaid kosmosekomponente.
Kuigi paljud projektid on alles katsefaasis, on laserlisandite tootmist juba edukalt kasutatud kahel Marsi-missioonil. NASA kulgur Curiosity, mis maandus 2012. aasta augustis, oli esimene missioon 3D-prinditud osade Marsile toomiseks. See on keraamiline komponent SAM-i (Sample Analysis at Marsi) instrumendis, mis on osa käimasolevast testimisprogrammist, mille eesmärk on uurida lisandite tootmistehnikate usaldusväärsust.
Vahepeal 2021. aasta veebruaris Marsile maandunud NASA kulgur Perseverance sisaldab 11 metallosa, mis on valmistatud laserite abil. Neist viis komponenti on Perseverance'i planeedi röntgenkiirte litokeemia instrumendis (PIXL), mis otsib märke fossiilsete mikroobide elust Marsil. Need osad peavad olema nii kerged, et traditsioonilised tehnikad, nagu sepistamine, vormimine ja lõikamine, ei saaks neid toota.
NASA on katsetanud ka raketikomponentide laserlisandite tootmist. Ühes uuringus valmistati rakettmootori põlemiskamber vasesulamist. Selle laserlisandite tootmise jätkuva arendamise tulemusel on osa valmistatud ligikaudu poole odavamalt ja ühe kuuendiku võrra tavapäraseks töötlemiseks, ühendamiseks ja kokkupanekuks kuluvast ajast. Kuna kasutatav vasesulam peegeldab infrapunalasereid väga hästi, uurib NASA nüüd, kuidas rohelised või sinised laserid võivad tõhusust ja tootlikkust parandada.
Kuigi lisaainete tootmise kasutamine kosmosetööstuses on alles algusjärgus, peaks see järgmise 20 aasta jooksul kasvama.
Lasertekstuurimine
Lasertekstureerimine on ka väga uus rakendus kosmosetööstuses. Selles protsessis kasutatakse ülikiireid lasereid mikro-nanostruktuuride loomiseks lennuki pinnale, kasutades selleks tehnikat, mida nimetatakse otsene laserinterferentsimustriks (DLIP), mida kasutatakse loomuliku lootoseefekti loomiseks, mis loob nanostruktuure, mis aitavad vältida pinna teket. saastumist ja vältida jää kogunemist õhusõidukile.
Uuenduslik optika jagab võimsa ülikiire laserimpulsi mitmeks osaliseks kiireks, mis seejärel kombineeritakse töödeldavale pinnale. Mikroskoobi all vaadates meenutab tekkiv mikrostruktuur mikroskoopilisi "sammastest" või lainelistest "saale". "Sammaste" vaheline kaugus on umbes 150 nm kuni 30 μm - see struktuur tähendab, et veepiisad ei saa enam pinda märjaks teha ja selle külge kleepuda, kuna neil pole pinnaga piisavalt haarduvust.
Materjali eelised õhusõidukitele hõlmavad suurenenud vee-, jää- ja putukatõrjevõimet. Need võivad kinni jääda lennuki pinnale ja suurendada õhusõiduki tuuletakistust, suurendades seeläbi kütusekulu. Selle lasertekstuuri rakendamine vähendaks praegu lennukipindadele jäätumise vältimiseks kasutatavate toksiliste keemiliste töötluste vajadust. On teada, et see vananeb ja muutub aja jooksul kergesti kahjustatavaks. Lisaks võivad DLIP-meetodil toodetud laserstruktuurid kesta aastaid ilma keskkonnaprobleeme põhjustamata.
