В последние годы мир аэрокосмической техники, включая коммерческие и военные самолеты, спутники, космические аппараты, дроны и беспилотные летательные аппараты (БПЛА), претерпел ряд кардинальных изменений. К космической гонке присоединяются все больше и больше компаний, многие из которых требуют инновационных производственных технологий.
Напротив, влияние ограничений на поездки для коммерческой авиации, вызванных новой коронной эпидемией, привело к падению темпов производства гражданских самолетов на треть.
В 2019 году Европа была одним из мировых лидеров по производству гражданских самолетов и вертолетов, включая различные компоненты и авиационные двигатели, обеспечивая около 400 000 рабочих мест и принося доход в размере 130 миллиардов евро. В то время как освоение космоса и оборона практически не пострадали от пандемии, производство гражданских самолетов все еще восстанавливается.
В публикации «Неопределенность в коммерческой аэрокосмической отрасли» (Uncertainty in Commercial Aerospace), опубликованной в феврале 2023 г., известная консалтинговая и исследовательская компания McKinsey сообщила, что миру необходимо переварить строительство 9400 пассажирских самолетов (в основном узкофюзеляжных реактивных самолетов). ) к концу 2027г. самолетов) задел. Но есть неопределенность в отношении будущего роста авиапассажиров, состояния цепочек поставок и рабочей силы. В результате производителям необходимо повысить эффективность производства и гибкость, чтобы справляться с незавершенными работами и реагировать на будущие изменения спроса.
Способность лазерной обработки повысить производительность и снизить затраты может сыграть ключевую роль в обеспечении такого ответа со стороны аэрокосмической промышленности. Лазерная обработка — операции в виде резки, сварки, проковки и сверления — стала неотъемлемой частью аэрокосмического производства.
Например, с помощью лазеров изготавливают закрылки крыльев самолетов, крепления крыльев, детали реактивных двигателей и сидений, а также применяют для ремонта турбин, очистки или удаления краски с деталей, подготовки деталей к дальнейшей обработке. поверхность детали. В последние годы возросла популярность лазерного аддитивного производства (AM) в космических полетах. Кроме того, рынок надеется улучшить отслеживаемость аэрокосмических компонентов, и требования к лазерной маркировке также возрастают.
Лазерная резка и сварка
Лазерная резка — это быстрый, экономичный и точный процесс, используемый для удовлетворения высоких производственных требований в аэрокосмической отрасли.
По сравнению с традиционной обработкой лазерная резка имеет высокую точность, меньше отходов материала, высокую скорость обработки, низкую стоимость и меньше обслуживания оборудования. Кроме того, он максимально увеличивает производительность, так как позволяет быстро и легко вносить необходимые изменения в обработку.
Лазеры можно использовать для производства деталей крепежных деталей крыла, деталей зажимных приспособлений, деталей концевых эффекторов, деталей инструментов и многого другого. Он в равной степени подходит для небольших компонентов, таких как привитые масляные прокладки и титановые выпускные коллекторы, а также для более крупных компонентов, таких как выхлопные конусы. Он может обрабатывать широкий спектр аэрокосмических материалов, включая алюминий, хастеллой (никель, легированный такими элементами, как молибден и хром), инконель, нитинол, нитинол, нержавеющую сталь, тантал и титан.
Лазерная сварка также используется в аэрокосмической отрасли в качестве альтернативы традиционным методам соединения, таким как клеевое соединение и механическое крепление. Например, использование лазерной сварки легких алюминиевых сплавов и полимеров, армированных углеродным волокном (CFRP), в авиастроении набирает обороты и по возможности используется для замены клепки. Такие методы, как лазерная ткацкая сварка, также оказались успешными для соединения топливных баков, повышения эффективности и прочности соединений, сокращения переделок и экономии больших денег. Другие успехи сварки в аэрокосмической отрасли включают соединение литого сердечника лопатки турбины с накладкой; и создание нового типа легкого закрылка крыла, который улучшает контроль ламинарного потока, минимизирует сопротивление и оптимизирует топливную экономичность.
Лазерная сварка имеет потенциал для экономии затрат, уменьшения веса компонентов и улучшения качества сварки по сравнению с традиционными методами, и несколько производителей в настоящее время рассматривают возможность лазерной сварки для производства деталей планера.
Lочистка
Производители в аэрокосмической отрасли используют лазерную очистку для удаления слоев металлических и композитных поверхностей при подготовке к механической обработке, для удаления покрытий или коррозии, а также для удаления краски с крупных компонентов или всего самолета перед перекраской.
В процессе очистки лазер поглощается и испаряется металлической поверхностью, тем самым достигается абляция поверхностного материала, при этом оказывая незначительное влияние на материал внутреннего слоя и не вызывая случайного термического повреждения компонентов. Импульсные волоконные лазеры в киловаттном классе особенно хорошо подходят для быстрой лазерной очистки — они обеспечивают эффективную и высокоточную очистку широкого спектра материалов, включая керамику, композиты, металлы и пластмассы.
В последние годы увеличилось использование композитных материалов в самолетах, а также потребность в соединении металлов с композитными материалами. В аэрокосмической промышленности для соединения этих двух разнородных материалов могут использоваться клеи. Чтобы создать прочную связь, две поверхности должны быть тщательно подготовлены перед нанесением клея.
Лазерная очистка идеальна, потому что она создает очень точно контролируемую воспроизводимую поверхность, которая обеспечивает стабильное и предсказуемое склеивание. Традиционно это делалось с помощью разрушительных взрывных работ или применения нескольких химикатов. Тем не менее, лазерная очистка теперь предлагает одноэтапный метод, который не только более рентабельный и производительный, но и оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, поскольку не требуются токсичные химикаты или взрывчатые материалы. Лазерная очистка также намного бережнее относится к деталям, чем традиционные методы.
Лазерная очистка металлических и композитных деталей самолетовтакже более выгоден, чем химическая очистка или пескоструйная обработка, когда речь идет об удалении краски. В течение срока службы самолет можно перекрашивать 4-5 раз, а удаление краски со всего самолета с использованием традиционных методов может занять неделю или больше. Напротив, лазерная очистка может сократить это время до 3-4 дней, в зависимости от размера самолета, а также делает детали более доступными для рабочих. Кроме того, лазерная очистка используется для удаления краски, а не для химической зачистки или пескоструйной обработки, что обеспечивает значительную экономию средств — тысячи фунтов стерлингов на самолет, поскольку количество опасных отходов сокращается примерно на 90 и более процентов, а требования к обработке материалов снижаются.
Лазерная обработка/лазерная ударная обработка
Напряжения в металлических компонентах могут привести к усталостному разрушению металла в компонентах самолета, таких как лопасти вентилятора в реактивных двигателях, что может привести к повреждению или травме. Это может быть смягчено с помощью метода, известного как лазерная наплавка.
В этом процессе импульсы лазерного излучения направляются в область с высокой концентрацией напряжений, и каждый импульс вызывает крошечный взрыв плазмы между поверхностью компонента и слоем воды, распыляемой сверху. Слой воды ограничивает взрыв, в результате чего ударная волна проникает в деталь и создает сжимающие остаточные напряжения по мере расширения области ее распространения. Эти напряжения противодействуют растрескиванию и другим формам усталости металла. По сравнению с традиционными процессами лазерное упрочнение позволяет увеличить срок службы металлических деталей в 10-15 раз.
Лазерное упрочнение все чаще используется в аэрокосмической промышленности. Например, компании LSP Technologies и Airbus совместно разработали портативную систему лазерной обработки, которая недавно была протестирована и оценена на предприятии по техническому обслуживанию и ремонту Airbus в Тулузе, Франция.
Система лазерной упрочнения Leopard продлит усталостную долговечность, препятствуя возникновению и распространению трещин, вызванных циклическими вибрационными нагрузками. Гибкость доставки волоконно-оптического луча и настраиваемые инструменты позволяют системе освещать лазером области, труднодоступные для самолетов. По словам партнеров, эта система является прорывом в технологии лазерного упрочнения, которая расширит возможности ее использования, в том числе продлит срок службы лопаток реактивных двигателей и многое другое.
Восточный центр готовности флота ВМС США (FRCE) также недавно завершил проверку процесса лазерной ударной обработки, который был успешно использован на самолете F-35B Lightning II. Компания FRCE использовала этот процесс для усиления рамы F-35B Lightning II без добавления каких-либо дополнительных материалов или веса, которые в противном случае ограничивали бы его возможности по топливу или вооружению. Это помогает продлить срок службы истребителей пятого поколения, вариантов с укороченным взлетом и посадкой, используемых Корпусом морской пехоты США.
Lасер бурение
В современных авиационных двигателях около 500 000 отверстий, что примерно в 100 раз больше, чем в двигателях, построенных в 1980-х годах. В то же время производители самолетов производят все больше других компонентов, которые имеют большое количество просверленных отверстий для клепки и свинчивания. Таким образом, в аэрокосмической области лазерное сверление имеет огромный рыночный потенциал, поскольку оно обеспечивает точный, воспроизводимый, быстрый и экономичный процесс.
Например, разрабатываются новые мощные фемтосекундные лазерные системы для эффективного и точного микросверления больших титановых панелей HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) для установки на стабилизаторы крыла или оперения. Эти панели всасывают воздух через небольшие отверстия, что снижает сопротивление трения и снижает расход топлива.
Поскольку лазерное сверление является бесконтактным, обрабатываемый материал не нужно закреплять так же, как это делается с помощью обычных инструментов. Еще одним преимуществом бесконтактной обработки является отсутствие износа инструмента, что особенно важно при сверлении деталей из углепластика. Из-за своей твердости компоненты из углепластика могут быть очень абразивными по отношению к обычным инструментам. Лазерное сверление также может выполняться на очень высоких скоростях, чтобы чрезмерное тепловое воздействие не наносило вреда обрабатываемому материалу.
Aаддитивное производство
Лазерное аддитивное производство (AM) также получило быстрое развитие в аэрокосмической промышленности. В этой технике лазеры плавят последовательные слои порошка для создания форм. Калифорнийская ракетная компания недавно даже заказала два 12-лазерных 3D-принтера, чтобы сделать свои космические миссии более экономичными и эффективными за счет создания более легких, быстрых и прочных космических компонентов.
Хотя многие проекты все еще находятся на стадии испытаний, лазерное аддитивное производство уже успешно использовалось в двух марсианских миссиях. Марсоход НАСА Curiosity, приземлившийся в августе 2012 года, стал первой миссией, которая доставила на Марс напечатанные на 3D-принтере детали. Это керамический компонент внутри прибора для анализа образцов на Марсе (SAM), часть текущей программы испытаний для изучения надежности методов аддитивного производства.
Между тем, марсоход NASA Perseverance, который приземлился на Марсе в феврале 2021 года, содержит 11 металлических деталей, изготовленных с помощью лазеров. Пять из этих компонентов находятся в Планетарном инструменте для рентгеновской литохимии Perseverance (PIXL), который занимается поиском признаков ископаемой микробной жизни на Марсе. Эти детали должны быть настолько легкими, чтобы традиционные методы, такие как ковка, литье и резка, не могли их изготовить.
НАСА также экспериментирует с лазерным аддитивным производством компонентов ракет. В одном исследовании камера сгорания ракетного двигателя была изготовлена из медного сплава. Непрерывное развитие этого лазерного аддитивного производства привело к тому, что деталь производится примерно вдвое дешевле и в шесть раз меньше времени, необходимого для традиционной обработки, соединения и сборки. Поскольку используемый медный сплав хорошо отражает инфракрасные лазеры, НАСА в настоящее время исследует, как зеленые или синие лазеры могут повысить эффективность и производительность.
Хотя использование аддитивного производства в аэрокосмической отрасли все еще находится на начальной стадии, ожидается, что в ближайшие 20 лет оно будет расти.
Лазерное текстурирование
Лазерное текстурирование также является очень новым приложением в аэрокосмической промышленности. В этом процессе сверхбыстрые лазеры используются для создания микронаноструктур на поверхности самолета с помощью метода, называемого прямой лазерной интерференцией (DLIP), который используется для создания естественного «эффекта лотоса», который создает наноструктуры, которые помогают предотвратить поверхность. загрязнение и предотвратить образование льда на самолетах.
Инновационная оптика разделяет мощный сверхбыстрый лазерный импульс на несколько парциальных лучей, которые затем объединяются на обрабатываемой поверхности. При рассмотрении под микроскопом полученная микроструктура напоминает микроскопические «залы», состоящие из «столбов» или гофр. Расстояние между «столбами» составляет от 150 нм до 30 мкм — такая структура означает, что капли воды больше не могут смачивать поверхность и прилипать к ней, потому что они не имеют достаточного сцепления с поверхностью.
Преимущества материала для самолетов включают повышенную водо-, ледо- и репеллентность. Они могут прилипать к поверхности самолета и повышать его сопротивление ветру, тем самым увеличивая расход топлива. Применение этого лазерного текстурирования уменьшит потребность в токсических химических обработках, которые в настоящее время применяются к поверхностям самолетов, чтобы избежать обледенения. Известно, что со временем он стареет и становится подверженным повреждениям. Кроме того, лазерные конструкции, изготовленные методом DLIP, могут служить годами, не вызывая опасений для окружающей среды.
