De siste årene har romfartsverdenen – inkludert kommersielle og militære fly, satellitter, romfartøyer, droner og ubemannede luftfartøyer (UAV) – gjennomgått noen dramatiske endringer. Flere og flere selskaper blir med i romkappløpet, hvorav mange krever innovative produksjonsteknologier.
I motsetning til dette har virkningen av reiserestriksjoner på kommersiell luftfart forårsaket av den nye kroneepidemien ført til at produksjonen av sivile fly har gått ned med en tredjedel.
I 2019 var Europa en av verdens ledende innen produksjon av sivile fly og helikoptre, inkludert ulike komponenter og flymotorer, og støttet rundt 400,000 arbeidsplasser og genererte inntekter på 130 milliarder euro. Mens romutforskning og forsvar stort sett har vært upåvirket av pandemien, er sivil flyproduksjon fortsatt i ferd med å komme seg.
I "Uncertainty in Commercial Aerospace" (Uncertainty in Commercial Aerospace), publisert i februar 2023, rapporterte McKinsey, et velkjent konsulent- og forskningsselskap, at verden trenger å fordøye konstruksjonen av 9400 passasjerfly (hovedsakelig smalkroppsjetfly) ) innen utgangen av 2027. fly) etterslep. Men det er usikkerhet om den fremtidige veksten i flypassasjertrafikken, helsen til forsyningskjeder og arbeidsstyrken. Som et resultat må produsenter øke produksjonseffektiviteten og fleksibiliteten for å håndtere etterslep og svare på fremtidige endringer i etterspørselen.
Laserbehandlingens evne til å øke produktiviteten og holde kostnadene lave kan spille en nøkkelrolle for å muliggjøre denne responsen fra romfartsindustrien. Laserbehandling - operasjoner i form av skjæring, sveising, peening og boring - har blitt en integrert del av romfartsproduksjon.
For eksempel brukes lasere til å lage klaffer for flyvinger, vingefester, jetmotordeler og setedeler, og brukes også til å reparere turbiner, rense eller fjerne maling fra deler og forberede deler for videre bearbeiding. del overflate. De siste årene har laser additive manufacturing (AM) også vokst i popularitet innen romfart. I tillegg håper markedet å forbedre sporbarheten til flykomponenter, og kravene til lasermerking øker også.
Laserskjæring og sveising
Laserskjæring er en rask, kostnadseffektiv og presis prosess som brukes for å møte de krevende produksjonskravene til luftfartssektoren.
Sammenlignet med tradisjonell prosessering har laserskjæring høy presisjon, mindre materialavfall, rask prosesseringshastighet, lave kostnader og mindre utstyrsvedlikehold. I tillegg maksimerer den produktiviteten ettersom den gjør nødvendige endringer i maskineringen raskt og enkelt.
Lasere kan brukes til å produsere vingefestedeler, jiggdeler, endeeffektordeler, verktøydeler og mer. Den egner seg like godt for små komponenter som podede oljepakninger og titanrørledningsmanifolder, samt større komponenter som eksoskjegler. Den kan bearbeide et bredt utvalg av romfartsmaterialer, inkludert aluminium, Hastelloy (nikkel som har blitt legert med elementer som molybden og krom), Inconel, Nitinol, Nitinol, rustfritt stål, tantal og titan.
Lasersveising brukes også i romfart som et alternativ til tradisjonelle sammenføyningsmetoder som limbinding og mekanisk festing. For eksempel er bruken av lasersveising av lette aluminiumslegeringer og karbonfiberforsterkede polymerer (CFRP) i flykonstruksjon økende og blir brukt til å erstatte nagling der det er mulig. Teknikker som laservevsveising har også vært vellykket når det gjelder sammenføyning av drivstofftanker, forbedret fugeeffektivitet og styrke, redusert etterarbeid og spart mye penger. Andre sveisesuksesser innen romfart inkluderer sammenføyning av den støpte kjernen til et turbinblad til dekkplaten; og skape en ny type lettvekts vingeklaff som øker laminær flytkontroll, minimerer luftmotstand og optimerer drivstoffeffektiviteten.
Lasersveising har potensial til å spare kostnader, redusere komponentvekten og forbedre sveisekvaliteten sammenlignet med tradisjonelle metoder, og flere produsenter vurderer for tiden lasersveising for produksjon av flyskrogdeler.
Laser rengjøring
Produsenter i romfartssektoren bruker laserrensing for å fjerne lag av metall og komposittoverflater som forberedelse til maskinering, for å fjerne belegg eller korrosjon, og for å fjerne maling fra store komponenter eller hele fly før maling på nytt.
Under renseprosessen blir laseren absorbert og fordampet av metalloverflaten, og oppnår dermed ablasjon av overflatematerialet, mens det har liten effekt på det indre lagmaterialet, og vil ikke forårsake tilfeldig termisk skade på komponentene. Pulserende fiberlasere i kilowattklassen er spesielt godt egnet for rask laserrengjøring - de muliggjør effektiv, høypresisjonsrengjøring av en lang rekke materialer, inkludert keramikk, kompositter, metaller og plast.
De siste årene har bruken av komposittmaterialer i fly økt, og det samme har behovet for å sammenføye metaller til komposittmaterialer. I romfartsproduksjon kan lim brukes til å forbinde disse to forskjellige materialene. For å skape en sterk binding må de to overflatene forberedes nøye før limet påføres.
Laserrengjøring er ideell fordi det skaper en veldig tett kontrollert, reproduserbar overflatefinish som muliggjør konsistent, forutsigbar liming. Tradisjonelt vil dette bli gjort gjennom destruktive sprengningsteknikker eller bruk av flere kjemikalier. Imidlertid tilbyr laserrengjøring nå en ett-trinns metode som ikke bare er mer kostnadseffektiv og produktiv, men som også har en lavere miljøpåvirkning ettersom ingen giftige kjemikalier eller sprengningsmaterialer er nødvendig. Laserrengjøring er også mye skånsommere for deler enn tradisjonelle metoder.
Laserrensing av metall og kompositt flydelerer også mer fordelaktig enn kjemisk stripping eller sprengningsteknikker når det kommer til malingsfjerning. I løpet av levetiden kan et fly males på nytt 4-5 ganger, og det kan ta en uke eller mer å fjerne malingen fra hele flyet ved hjelp av tradisjonelle teknikker. Derimot kan laserrensing redusere denne tiden til 3-4 dager, avhengig av størrelsen på flyet, og det gjør også deler mer tilgjengelige for arbeidere. Videre, når det brukes til malingsfjerning i stedet for kjemisk stripping eller sprengning, gir laserrensing betydelige kostnadsbesparelser – tusenvis av pund per fly, ettersom farlig avfall reduseres med rundt 90 prosent eller mer og krav til materialhåndtering reduseres.
Laserpeening/laser shock peening
Spenninger i metallkomponenter kan føre til metalltretthetssvikt i flykomponenter som vifteblader i jetmotorer, som har potensial til å forårsake skade eller personskade. Dette kan dempes med en teknikk kjent som laserpeening.
I denne prosessen blir pulser av laserlys rettet inn i et område med høy stresskonsentrasjon, og hver puls antenner en liten eksplosjon av plasma mellom overflaten av komponenten og et lag med vann som sprayes på toppen. Vannlaget begrenser eksplosjonen, noe som får sjokkbølgen til å trenge inn i komponenten og generere kompresjonsrestspenninger når forplantningsområdet utvides. Disse spenningene motvirker sprekker og andre former for metalltretthet. Sammenlignet med tradisjonelle prosesser kan laserforsterkning forlenge levetiden til metalldeler med 10-15 ganger.
Laserpeening brukes i økende grad i romfartsindustrien. For eksempel har LSP Technologies og Airbus i fellesskap utviklet et bærbart laserpeening-system som nylig ble testet og evaluert ved Airbus' vedlikeholds- og reparasjonsanlegg i Toulouse, Frankrike.
Leopard-laser-peening-systemet vil forlenge utmattelseslevetiden ved å hemme initiering og forplantning av sprekker forårsaket av syklisk vibrasjonsspenning. Fleksibiliteten til levering av fiberoptisk stråle og tilpassede verktøy gjør at systemet kan laserbelyse områder som er vanskelige for fly å nå. Ifølge partnerne er systemet et gjennombrudd innen laserforsterkende teknologi som vil fremme bruken, inkludert forlengelse av levetiden til jetmotorblader og mer.
US Navy's Fleet Readiness Center East (FRCE) fullførte også nylig valideringen av en lasersjokkpenningsprosess som har blitt brukt på F-35B Lightning II-flyene. FRCE brukte prosessen til å styrke rammen til F-35B Lightning II uten å legge til noe ekstra materiale eller vekt som ellers ville begrense drivstoff- eller våpenbærende evner. Dette bidrar til å forlenge den forventede levetiden til femte generasjons jagerfly, variantene med kort start og landing som brukes av US Marine Corps.
Laser boring
Moderne flymotorer har omtrent 500000 hull, omtrent 100 ganger så mange som motorer bygget på 1980-tallet. Samtidig produserer flyprodusenter et økende antall andre komponenter som har et stort antall borede hull for nagling og skruing. Derfor, innen romfart, har laserboring et enormt markedspotensial, fordi det gir en presis, repeterbar, rask og kostnadseffektiv prosess.
For eksempel utvikles nye høyeffekts femtosekundlasersystemer for effektiv og presis mikroboring av store titanium HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) paneler som skal monteres på vinge- eller empennage-stabilisatorer. Disse panelene trekker inn luft gjennom små hull, noe som reduserer friksjonsmotstanden og reduserer drivstofforbruket.
Siden laserboring er kontaktløst, trenger ikke materialet som maskineres å festes på samme måte som det er med konvensjonelle verktøy. En annen fordel med å være kontaktløs er fraværet av verktøyslitasje, noe som representerer en spesiell fordel ved boreoperasjoner for CFRP-komponenter. På grunn av hardheten kan CFRP-komponenter være svært slitende for konvensjonelle verktøy. Laserboring kan også utføres ved svært høye hastigheter slik at overdreven skade fra varme ikke skader materialet som behandles.
Aadditiv produksjon
Laser additive manufacturing (AM) har også blitt raskt utviklet i romfartsindustrien. I denne teknikken smelter lasere påfølgende lag med pulver for å bygge former. Et California-basert rakettselskap bestilte nylig til og med to 12-laserstråle 3D-skrivere for å gjøre romoppdragene sine mer økonomiske og effektive ved å lage lettere, raskere og sterkere romkomponenter.
Mens mange prosjekter fortsatt er i testfasen, har lasertilsetningsproduksjon allerede blitt brukt med suksess på to oppdrag til Mars. NASAs Curiosity-rover, som landet i august 2012, var det første oppdraget for å bringe 3D-printede deler til Mars. Dette er en keramisk komponent inne i Sample Analysis at Mars (SAM) instrumentet, en del av et pågående testprogram for å undersøke påliteligheten til additive produksjonsteknikker.
I mellomtiden inneholder NASAs Perseverance-rover, som landet på Mars i februar 2021, 11 metalldeler som i tillegg ble produsert med lasere. Fem av disse komponentene er i Perseverances Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL), som leter etter tegn på fossilt mikrobielt liv på Mars. Disse delene må være så lette at tradisjonelle teknikker som smiing, støping og skjæring ikke kan produsere dem.
NASA har også eksperimentert med laseradditiv produksjon av rakettkomponenter. I en studie ble forbrenningskammeret til en rakettmotor laget av en kobberlegering. Den fortsatte utviklingen av denne laseradditive produksjonen har resultert i at delen blir produsert til omtrent halvparten av kostnadene og i en sjettedel av tiden som kreves for tradisjonell maskinering, sammenføyning og montering. Siden kobberlegeringen som brukes er svært reflekterende for infrarøde lasere, undersøker NASA nå hvordan grønne eller blå lasere kan forbedre effektiviteten og produktiviteten.
Mens bruken av additiv produksjon i romfart fortsatt er i de tidlige stadiene, forventes det å vokse i løpet av de neste 20 årene.
Laserteksturering
Laserteksturering er også en veldig ny applikasjon i romfartsindustrien. I denne prosessen brukes ultraraske lasere til å lage mikronanostrukturer på overflaten av flyet gjennom en teknikk som kalles direkte laserinterferensmønster (DLIP), som brukes til å skape en naturlig "lotuseffekt", som skaper nanostrukturer som bidrar til å forhindre overflate. kontaminering og forhindre isoppbygging på fly.
Innovativ optikk deler en kraftig ultrarask laserpuls i flere delstråler, som deretter kombineres på overflaten som skal behandles. Når den sees under et mikroskop, ligner den resulterende mikrostrukturen mikroskopiske "haller" laget av "søyler" eller korrugeringer. Avstanden mellom "pilarene" er ca 150nm til 30μm - denne strukturen gjør at vanndråpene ikke lenger kan fukte overflaten og holde seg til den fordi de ikke har nok grep på overflaten.
Fordelene med materialet for fly inkluderer økt vann-, is- og insektavstøtning. Disse kan feste seg til overflaten av flyet og øke vindmotstanden til flyet, og dermed øke drivstofforbruket. Å bruke denne lasertekstureringen vil redusere behovet for giftige kjemiske behandlinger som for tiden brukes på flyoverflater for å unngå ising. Det er kjent for å eldes og bli utsatt for skade over tid. Videre kan laserstrukturer produsert med DLIP-metoden vare i årevis uten å forårsake miljøproblemer.
