Pēdējos gados aviācijas un kosmosa sektors, tostarp komerciālie un militārie lidaparāti, satelīti, kosmosa kuģi, bezpilota lidaparāti un bezpilota lidaparāti (UAV), ir piedzīvojuši dažas būtiskas izmaiņas. Arvien vairāk uzņēmumu ir pievienojušies kosmosa sacensībām, un daudziem no tiem ir nepieciešamas inovatīvas ražošanas tehnoloģijas.
Turpretim pandēmijas izraisīto ceļošanas ierobežojumu ietekme uz komerciālo aviāciju ir izraisījusi civilo gaisa kuģu ražošanas rādītāju samazināšanos par vienu trešdaļu.
2019. gadā Eiropa bija viens no pasaules līderiem civilo lidaparātu un helikopteru (tostarp dažādu komponentu un lidmašīnu dzinēju) ražošanā, nodrošinot aptuveni 400{2}} darbavietas un gūstot ieņēmumus 130 miljardu eiro apmērā. Lai gan Kosmosa izpēti un aizsardzību lielā mērā neietekmē New Crown pandēmija, civilo gaisa kuģu ražošana un ražošana joprojām atrodas atveseļošanās posmā.
Vadošā konsultāciju un pētījumu firma McKinsey savā 2023. gada februāra publikācijā Uncertainty in Commercial Aerospace ziņo, ka pasaulei līdz 2027. gada beigām ir jāpārņem pasūtījumu uzkrājums, lai līdz 2027. gada beigām uzbūvētu 9400 pasažieru lidmašīnu (galvenokārt šaura korpusa lidmašīnu). Taču pastāv nenoteiktība par pasažieru gaisa transporta izaugsmi nākotnē, piegādes ķēdi un darbaspēka stabilitāti. Rezultātā ražotājiem ir jāuzlabo produktivitāte un elastība, lai apstrādātu nepabeigto apjomu un reaģētu uz turpmākajām pieprasījuma izmaiņām.
Lāzera apstrādes spējai palielināt produktivitāti un uzturēt zemas izmaksas var būt galvenā loma šīs atbildes nodrošināšanā aviācijas un kosmosa nozarē. Lāzera apstrāde - griešanas, metināšanas, urbšanas un urbšanas operāciju veidā - ir kļuvusi par kosmosa ražošanas neatņemamu sastāvdaļu.
Piemēram, lāzeri tiek izmantoti lidmašīnu spārnu atloku, spārnu stiprinājumu, reaktīvo dzinēju detaļu un sēdekļu detaļu izgatavošanai, kā arī turbīnu remontam, detaļu krāsas tīrīšanai vai noņemšanai un detaļu virsmu sagatavošanai tālākai apstrādei. Pēdējos gados lāzera piedevu ražošana (AM) ir kļuvusi arvien populārāka arī kosmosa lidojumu nozarē. Turklāt tirgus vēlas uzlabot kosmosa komponentu izsekojamību, un līdz ar to pieaug pieprasījums pēc lāzera marķēšanas.
Lāzera griešana un metināšana
Lāzergriešana ir ātrs, rentabls un precīzs process, ko var izmantot, lai apmierinātu aviācijas un kosmosa nozares augstās ražošanas prasības.
Salīdzinot ar tradicionālo apstrādi, lāzergriešana piedāvā augstu precizitāti, mazāk materiālu atkritumu, ātrāku apstrādes ātrumu, zemākas izmaksas un mazāku iekārtu apkopi. Turklāt produktivitāti var palielināt, jo tas ļauj ātri un viegli veikt visas nepieciešamās izmaiņas procesā.
Lāzeru var izmantot, lai ražotu spārnu stiprinājumu daļas, armatūras daļas, gala izpildmehānisma daļas, instrumentu daļas utt. Tas ir vienlīdz piemērots mazām detaļām, piemēram, potzaru eļļas blīvēm un titāna pilotcauruļu kolektoriem, kā arī lielākām daļām, piemēram, kā izplūdes konusi. Tas var apstrādāt dažādus kosmosa materiālus, tostarp alumīniju, Hastelloy (niķeli, kas leģēts ar tādiem elementiem kā molibdēns un hroms), Inconel, Nitinol, Nitinol, nerūsējošo tēraudu, tantalu un titānu.
Lāzermetināšana tiek izmantota arī aviācijā kā alternatīva tradicionālajām savienošanas metodēm, piemēram, līmēšanai un mehāniskai stiprināšanai. Piemēram, vieglo alumīnija sakausējumu un oglekļa šķiedru pastiprinātu polimēru (CFRP) lāzermetināšanas izmantošana gaisa kuģu ražošanā tiek arvien vairāk novērtēta un tiek izmantota visur, kur iespējams, lai aizstātu kniedētos savienojumus. Tādas tehnoloģijas kā lāzera šūpošanās metināšana ir bijušas veiksmīgas arī degvielas tvertnes savienojumos, uzlabojot savienojuma efektivitāti un izturību, samazinot pārstrādi un nodrošinot ievērojamus izmaksu ietaupījumus. Citi metināšanas panākumi kosmosa jomā ietver turbīnu lāpstiņu lieto serdeņu pievienošanu pārsegiem; un radot jaunus vieglo spārnu atloku veidus, kas palielina laminārās plūsmas kontroli, samazina pretestību un optimizē degvielas efektivitāti.
Ņemot vērā izmaksu ietaupījumu, detaļu svara samazināšanas un uzlabotas metināšanas kvalitātes iespējas salīdzinājumā ar tradicionālajām metodēm, vairāki ražotāji tirgū pat tagad apsver iespēju izmantot lidmašīnu korpusa daļu lāzermetināšanu.
Lāzera tīrīšana
Aviācijas un kosmosa nozares ražotāji izmanto lāzertīrīšanu, lai noņemtu slāņus no metāla un kompozītmateriālu virsmām, gatavojoties apstrādei, noņemtu pārklājumus vai koroziju un pirms pārkrāsošanas noņemtu krāsu no lielām daļām vai visa gaisa kuģa.
Tīrīšanas procesā lāzera gaismu absorbē un iztvaiko metāla virsmas slānis, kā rezultātā virsmas materiāls tiek ablēts, maz vai nemaz neietekmējot iekšējo slāni un bez papildu termiskiem bojājumiem komponentam. Kilovatu klases impulsu šķiedru lāzeri ir īpaši piemēroti ātrai lāzera tīrīšanai – ar tiem var tīrīt visdažādākos materiālus, tostarp keramiku, kompozītmateriālus, metālus un plastmasu, ar augstu efektivitāti un precizitāti.
Pēdējos gados ir palielinājusies kompozītmateriālu izmantošana lidmašīnās, un līdz ar to ir pieaugusi nepieciešamība savienot metālus ar kompozītmateriāliem. Aviācijas un kosmosa ražošanā šo divu atšķirīgo materiālu savienošanai var izmantot līmvielas, un, lai izveidotu spēcīgu saikni, pirms līmes uzklāšanas abas virsmas rūpīgi jāsagatavo apstrādei.
Lāzera tīrīšana ir ideāls risinājums, jo tā rada ļoti stingri kontrolētu, reproducējamu virsmas efektu, kas spēj panākt konsekventu, paredzamu saiti. Tradicionāli to panāk, izmantojot destruktīvas spridzināšanas metodes vai vairākas ķīmiskas vielas. Tomēr lāzera tīrīšana tagad piedāvā vienpakāpes pieeju, kas ir ne tikai rentablāka un produktīvāka, bet arī daudz mazāka ietekme uz vidi, jo nav nepieciešamas toksiskas ķīmiskas vielas vai spridzināšanas materiāli. Lāzera tīrīšana ir arī daudz maigāka detaļām nekā tradicionālās metodes.
Lidmašīnu metāla un kompozītmateriālu detaļu tīrīšana ar lāzeru ir arī izdevīgāka nekā ķīmiskās noņemšanas vai spridzināšanas metodes, ja runa ir par krāsas noņemšanu. Lidmašīnas ekspluatācijas laikā var tikt pārkrāsota 4-5 reizes, un krāsas noņemšana no visa gaisa kuģa, izmantojot tradicionālās metodes, var aizņemt nedēļu vai ilgāk. Turpretim lāzera tīrīšana var samazināt šo laiku līdz 3-4 dienām atkarībā no lidmašīnas izmēra, kā arī ļauj darbiniekiem vieglāk piekļūt detaļām. Turklāt, ja to izmanto krāsas noņemšanai, nevis ķīmiskai noņemšanai vai spridzināšanai, lāzera tīrīšana var radīt ievērojamus izmaksu ietaupījumus — tūkstošiem mārciņu uz vienu lidmašīnu —, jo bīstamo atkritumu daudzums tiek samazināts par aptuveni 90 procentiem vai vairāk un tiek samazinātas prasības attiecībā uz materiālu apstrādi.
Lāzerspridzināšana/Lāzera trieciena tīrīšana
Spriegumi metāla detaļās var izraisīt metāla noguruma bojājumus gaisa kuģa detaļās, piemēram, reaktīvo dzinēju ventilatora lāpstiņās, kas var izraisīt bojājumus vai savainojumus. To var mazināt, izmantojot paņēmienu, kas pazīstams kā lāzera tīrīšana.
Šajā procesā lāzera impulsi tiek novirzīti uz apgabalu ar augstu sprieguma koncentrāciju, un katrs impulss aizdedzina nelielu plazmas sprādzienu starp komponenta virsmu un ūdens slāni, kas tiek izsmidzināts uz augšu. Ūdens slānis ierobežo sprādzienu, kā rezultātā triecienvilnis iekļūst komponentā un rada spiedes atlikušos spriegumus, kad tā izplatīšanās laukums paplašinās. Šie spriegumi novērš plaisāšanu un citus metāla noguruma veidus. Lāzera tīrīšana var pagarināt metāla detaļu kalpošanas laiku par 10-15 reizēm, salīdzinot ar parastajiem procesiem.
Aviācijas un kosmosa rūpniecībā arvien vairāk tiek izmantota lāzera tīrīšana. Piemēram, LSP Technologies un Airbus ir kopīgi izstrādājuši pārnēsājamu lāzera attīrīšanas sistēmu, kas nesen tika pārbaudīta un novērtēta Airbus apkopes un remonta objektā Tulūzā, Francijā.
Leopard lāzera atdalīšanas sistēma pagarinās noguruma kalpošanas laiku, novēršot plaisu rašanos un izplešanos, ko izraisa cikliskas vibrācijas spriegums. Optisko šķiedru staru piegādes elastība un pielāgotie instrumenti ļauj sistēmai lāzeru apstrādāt grūti sasniedzamās lidmašīnas vietas. Pēc partneru domām, sistēma ir izrāviens lāzera attīrīšanas tehnoloģijā un veicinās tās izmantošanu, tostarp pagarinās reaktīvo dzinēju lāpstiņu kalpošanas laiku.
ASV Jūras spēku flotes gatavības centrs austrumos (FRCE) arī nesen pabeidza lāzera trieciena stiprināšanas procesa validāciju, kas tika veiksmīgi izmantots F-35B Lightning II lidmašīnā. FRCE izmantoja šo procesu, lai nostiprinātu F-35B Lightning II rāmi, nepievienojot nekādus papildu materiālus vai svaru, kas citādi ierobežotu tā degvielas vai ieroču pārnēsāšanas iespējas. Tas palīdz pagarināt piektās paaudzes iznīcinātāja paredzamo mūža ilgumu — īso pacelšanās un nosēšanās versiju, ko izmanto ASV jūras kājnieku korpuss.
Lāzera urbšana
Mūsdienu aviācijas dzinējos ir aptuveni 500,{1}} caurumu, kas ir aptuveni 100 reižu vairāk nekā astoņdesmitajos gados ražoto dzinēju skaits. Tajā pašā laikā lidmašīnu ražotāji arvien vairāk ražo citus komponentus, kuros ir liels skaits urbumu kniedētiem un skrūvējamiem savienojumiem. Tāpēc lāzerurbšanai ir milzīgs tirgus potenciāls aviācijas un kosmosa nozarē, jo tā piedāvā precīzu, atkārtojamu, ātru un rentablu procesu.
Piemēram, tiek izstrādātas jaunas lieljaudas femtosekundes lāzeru sistēmas efektīvai un precīzai lielu titāna HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) paneļu mikrourbšanai, kas tiks montēti uz spārnu vai astes stabilizatoriem. Šie paneļi izvelk gaisu caur maziem caurumiem, tādējādi samazinot berzes pretestību un samazinot degvielas patēriņu.
Image Lāzerus arvien vairāk izmanto CFRP gaisa kuģu sastāvdaļu urbšanai
(Attēla kredīts: Hannoveres lāzera centrs)
Tā kā lāzera urbšana ir bezkontakta, apstrādājamais materiāls nav jātur tāpat kā tad, ja tas tiktu apstrādāts ar parastajiem instrumentiem. Vēl viena bezkontakta priekšrocība ir tā, ka nenotiek instrumenta nodilums, kas ir īpaša priekšrocība CFRP komponentu urbšanas darbībā. Savas cietības dēļ CFRP komponenti var izraisīt ļoti lielu parasto instrumentu nodilumu. Lāzera urbšanu var veikt arī ar ļoti lielu ātrumu, lai pārmērīgi karstuma radīti bojājumi nekaitētu apstrādājamajam materiālam.
Piedevu ražošana
Lāzera piedevu ražošana (AM) arī iegūst strauju apgriezienu aviācijas un kosmosa nozarē. Šajā tehnikā lāzers izkausē nepārtrauktus pulvera slāņus, veidojot formas. Kalifornijā bāzēta raķešu kompānija pat nesen pasūtīja divus 12-lāzerstaru 3D printerus, lai padarītu kosmosa misijas ekonomiskākas un efektīvākas, radot vieglākus, ātrākus un spēcīgākus kosmosa komponentus.
Lai gan daudzi projekti joprojām atrodas testēšanas fāzē, lāzera piedevu ražošana ir veiksmīgi izmantota divās misijās uz Marsu. NASA roveris Curiosity, kas nolaidās 2012. gada augustā, bija pirmā misija, lai uz Marsu nogādātu 3D drukātās detaļas. Šī ir keramikas sastāvdaļa Marsa paraugu analīzes (SAM) instrumentā, kas ir daļa no notiekošās testēšanas programmas, lai izpētītu piedevu ražošanas tehnoloģijas uzticamību.
Tikmēr NASA maršrutētājā Trailblazer, kas 2021. gada februārī nolaižas uz Marsa, ir 11 ar lāzera piedevām ražotas metāla detaļas. Piecas no daļām atrodas Trail Planetārajā instrumentā rentgenstaru litoķīmijai (PIXL), kas meklē mikrobu fosilās dzīves pazīmes uz Marsa. Šīm detaļām jābūt tik vieglām, lai tās nevarētu izgatavot ar tradicionālajām kalšanas, formēšanas un griešanas metodēm.
NASA ir arī eksperimentējusi ar lāzera piedevu ražošanu raķešu komponentiem. Vienā pētījumā raķešu dzinēja sadegšanas kamera tika izgatavota no vara sakausējuma. Šīs nepārtrauktās lāzera piedevu ražošanas attīstības rezultātā ir izveidots komponents, ko var ražot par aptuveni pusi lētāk un par vienu sesto daļu no tradicionālās apstrādes, savienošanas un montāžas laika. Tā kā izmantotie vara sakausējumi ļoti atstaro infrasarkanos lāzerus, NASA tagad pēta, kā zaļie vai zilie lāzeri var uzlabot efektivitāti un produktivitāti.
Lai gan piedevu ražošanas izmantošana kosmosa nozarē joprojām ir agrīnā stadijā, paredzams, ka nākamajos 20 gados tā pieaugs.
Lāzera attīrīšana
Lāzera aprēķins ir arī ļoti jauns pielietojums kosmosa nozarē. Šajā procesā ultraātrus lāzerus izmanto, lai izveidotu mikronanostruktūras uz gaisa kuģu virsmām, izmantojot paņēmienu, kas pazīstams kā tiešā lāzera interferometriskā modelēšana (DLIP), ko izmanto, lai radītu dabisku "lotosa efektu", radot nanostruktūras, kas palīdz novērst virsmas piesārņojumu un ledu. uzkrāšanās lidmašīnā.
Novatoriskā optika sadala jaudīgu īpaši ātru lāzera impulsu vairākos daļējos staros, kas pēc tam tiek apvienoti uz apstrādājamās virsmas. Skatoties mikroskopā, iegūtā mikrostruktūra atgādina mikroskopisku "pīlāru" vai viļņu "zāli". Attālums starp "pīlāriem" ir no aptuveni 150 nm līdz 30 µm - struktūra, kas nozīmē, ka ūdens pilieni vairs nesamitrina virsmu un nepielīp pie tās, jo tiem nav pietiekamas saķeres ar virsmu.
Šī materiāla priekšrocības lidmašīnām ietver paaugstinātu ūdens, ledus un kukaiņu atbaidīšanu. Tie var pielipt pie lidmašīnas virsmas un palielināt lidmašīnas pretestību vējam, tādējādi palielinot degvielas patēriņu. Šīs lāzera faktūras pielietošana samazinās nepieciešamību pēc toksiskām ķīmiskām apstrādēm, ko pašlaik izmanto lidaparātu virsmām, lai izvairītos no apledojuma. Ir zināms, ka tas laika gaitā pasliktinās un ir pakļauts bojājumiem. Turklāt lāzera struktūras, kas ražotas ar DLIP metodi, var kalpot vairākus gadus un nerada vides problēmas.
