Aviācijas un kosmosa nozarē, tostarp komerciālajā un satelītu, kosmosa kuģu, dronu un bezpilota lidaparātu (UAV) jomā, pēdējos gados ir notikušas dažas radikālas izmaiņas. Arvien vairāk uzņēmumu pievienojas kosmosa sacensībām, un daudziem no tiem ir vajadzīgas inovatīvas ražošanas metodes.
Lāzera apstrādes spējai palielināt produktivitāti un uzturēt zemas izmaksas var būt galvenā loma šīs aviācijas un kosmosa nozares atbildes īstenošanā. Lāzera apstrāde, kas veic darbības griešanas, metināšanas, spridzināšanas un urbšanas veidā, ir kļuvusi par kosmosa ražošanas neatņemamu sastāvdaļu.
Piemēram, lāzeri tiek izmantoti atloku, spārnu stiprinājumu, reaktīvo dzinēju komponentu un lidmašīnu spārnu sēdekļu detaļu izgatavošanai, kā arī turbīnu remontam, detaļu krāsas tīrīšanai vai noņemšanai, detaļu virsmu sagatavošanai tālākai apstrādei. Pēdējos gados lāzera piedevu ražošana (AM) ir ieguvusi popularitāti arī kosmosa lidojumu sektorā. Turklāt tirgus vēlas uzlabot kosmosa komponentu izsekojamību, un līdz ar to palielinās 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 parasto apstrādi, lāzergriešana piedāvā augstu precizitāti, mazāk materiālu atkritumu, ātrāku apstrādes ātrumu, zemākas izmaksas un mazāku aprīkojuma apkopi. Turklāt tas palielina produktivitāti, jo ir ātri un viegli veikt visas nepieciešamās izmaiņas apstrādē.
Lāzeru var izmantot, lai ražotu spārnu stiprinājumu daļas, armatūras daļas, gala izpildmehānisma daļas, instrumentu daļas un daudz ko citu. Tas ir vienlīdz piemērots mazākām detaļām, piemēram, potētām eļļas blīvēm un titāna pilotcauruļu kolektoriem, kā arī lielākām detaļām, piemēram, izplūdes konusiem. 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 kosmosā kā alternatīva tradicionālajām savienošanas metodēm, piemēram, līmēšanai un mehāniskai stiprināšanai. Piemēram, vieglo alumīnija sakausējumu un oglekļa šķiedru pastiprinātu polimēru (CFRP) lāzermetināšanas izmantošana lidaparātu ražošanā ir materiāli, kuru nozīme kļūst arvien populārāka un tiek izmantota kniedēšanas vietā, kur vien iespējams. Tādas metodes kā lāzera svārsta metināšana ir bijusi veiksmīga arī degvielas tvertnes savienošanā, uzlabojot savienojumu efektivitāti un izturību, samazinot pārstrādi un nodrošinot ievērojamus izmaksu ietaupījumus. Citi metināšanas panākumi kosmosa jomā ietver turbīnu lāpstiņu lieto serdeņu piestiprināšanu pie vākiem; 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 šodien pat sāk apsvērt iespēju izmantot lidmašīnu korpusu daļu lāzermetināšanu.
Lāzera tīrīšana
Aviācijas un kosmosa nozares ražotāji izmanto lāzertīrīšanu, lai noņemtu slāņus no metāla un kompozītmateriālu virsmām, gatavojoties apstrādei, lai noņemtu pārklājumus vai koroziju un pirms pārkrāsošanas noņemtu krāsu no lielām sastāvdaļām vai visa gaisa kuģa.
Tīrīšanas procesā lāzera gaismu absorbē un iztvaiko metāla virsmas slāņi, kā rezultātā virsmas materiāls tiek ablēts ar nelielu vai nekādu ietekmi uz iekšējiem slāņiem un bez papildu termiskiem bojājumiem komponentam. Impulsu šķiedru lāzeri kilovatu klasē ir īpaši piemēroti ātrai lāzera tīrīšanai – tie ļauj efektīvi, ļoti precīzi tīrīt visdažādākos materiālus, tostarp keramiku, kompozītmateriālus, metālus un plastmasu.
Pēdējos gados ir palielinājusies kompozītmateriālu izmantošana lidmašīnās, un līdz ar to ir pieaugusi nepieciešamība kompozītmateriāliem piestiprināt metālus. Aviācijas un kosmosa ražošanā šo divu atšķirīgo materiālu savienošanai var izmantot līmes, un, lai izveidotu stipru saiti, pirms līmes uzklāšanas abas virsmas rūpīgi jāsagatavo apstrādei.
Lāzera tīrīšana ir ideāls risinājums, jo tā rada ļoti stingri kontrolētu, atkārtojamu virsmas apdari, kas spēj panākt konsekventu, paredzamu savienojumu. Tradicionāli to panāk, izmantojot destruktīvas spridzināšanas metodes vai vairākas ķīmiskas vielas. Tomēr tagad lāzera tīrīšana piedāvā vienpakāpes pieeju, kas ir ne tikai rentablāka un produktīvāka, bet arī mazāk ietekmē vidi, jo nav nepieciešamas toksiskas ķīmiskas vielas vai spridzināšanas materiāli. Arī lāzera tīrīšanas ietekme uz detaļām ir daudz maigāka 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. Lidmašīna var tikt pārkrāsota 4-5 reizes tās dzīves laikā, un krāsas noņemšana no visa gaisa kuģa, izmantojot tradicionālās metodes, var aizņemt nedēļu vai ilgāk. Turpretim atkarībā no lidmašīnas izmēra lāzera tīrīšana var samazināt šo laiku līdz 3-4 dienām, kā arī darbiniekiem ir 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 samazinās par aptuveni 90 procentiem vai vairāk un samazinās materiālu apstrādes prasības.
Tīrīšana ar lāzeru/lāzera triecienu
Spriegumi metāla detaļās var izraisīt gaisa kuģa sastāvdaļu (piemēram, reaktīvo dzinēju ventilatora lāpstiņu) noguruma bojājumus, kas var izraisīt bojājumus vai savainojumus. To var mazināt, izmantojot paņēmienu, kas pazīstams kā lāzera tīrīšana.
Šajā procesā lāzera impulsi tiek novirzīti apgabalā ar augstu sprieguma koncentrāciju, un katrs impulss aizdedzina nelielu plazmas sprādzienu starp komponenta virsmu un ūdens slāni, kas izsmidzināts virsū. Ūdens slānis ierobežo sprādzienu, kas liek triecienvilnim iekļūt komponentā un rada spiedes atlikušos spriegumus, kad tā izplatīšanās apgabals paplašinās. Šie spriegumi uzlabo metālu plaisāšanas un citu noguruma pretestības veidu iespējamību. Lāzera tīrīšana var pagarināt metāla detaļu kalpošanas laiku par koeficientu 10-15, salīdzinot ar parastajiem procesiem.
Aviācijas un kosmosa rūpniecībā arvien vairāk tiek izmantota lāzerspridzināšana. Piemēram, LSP Technologies un Airbus ir kopīgi izstrādājuši pārnēsājamu lāzera attīrīšanas sistēmu, kas nesen tika pārbaudīta un novērtēta Airbus apkopes un remonta uzņēmumā Tulūzā, Francijā.
Leopard lāzera atdalīšanas sistēma pagarinās noguruma kalpošanas laiku, novēršot plaisu rašanos un izplešanos, ko izraisa ciklisks vibrācijas stress. Optisko šķiedru staru piegādes elastība un pielāgotie instrumenti ļauj sistēmai izstarot lāzera staru zonas, kuras lidmašīnai ir grūti sasniegt. Pēc partneru domām, sistēma ir izrāviens lāzera attīrīšanas tehnoloģijā, kas veicinās tās izmantošanu, tostarp pagarinās reaktīvo dzinēju lāpstiņu kalpošanas laiku.
Lāzera urbšana
Mūsdienu aviācijas dzinējos ir aptuveni 500,{2}} caurumu, kas ir aptuveni 100 reižu vairāk nekā astoņdesmitajos gados ražotajos dzinējos. Tajā pašā laikā lidmašīnu ražotāji ražo arvien vairāk citu sastāvdaļu, kurām ir izurbts liels skaits caurumu kniedētiem un skrūvējamiem savienojumiem. Tāpēc aviācijas un kosmosa nozarē lāzerurbšanai ir liels tirgus potenciāls, jo tā piedāvā precīzu, atkārtojamu, ātru un izmaksu ziņā efektīvu 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, kas samazina berzes pretestību un samazina degvielas patēriņu.
Bilde.
Lāzerus arvien vairāk izmanto, lai urbtu caurumus CFRP gaisa kuģu komponentos (attēla kredīts: Hanoveres lāzeru centrs)
Tā kā lāzerurbšana ir bezkontakta, apstrādājamais materiāls nav jāpiestiprina 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. Cietības dēļ CFRP sastāvdaļas var būt ļoti abrazīvas pret parastajiem instrumentiem. Lāzera urbšanu var veikt arī ar ļoti lielu ātrumu, lai pārmērīgi karstuma radīti bojājumi nekaitētu apstrādājamajam materiālam.
Piedevu ražošana
Lāzera piedevu ražošana (AM) strauji aug arī kosmosa nozarē. Šajā tehnikā lāzers izkausē secīgus pulvera slāņus, veidojot formas. Kalifornijā bāzēta raķešu kompānija pat nesen pasūtīja divus 12-lāzerstaru 3D printerus, lai padarītu kosmosa misijas rentablākas un efektīvākas, radot vieglākus, ātrākus un spēcīgākus kosmosa komponentus.
Lai gan daudzi no šiem projektiem joprojām ir testēšanas fāzē, lāzera piedevu ražošana jau ir veiksmīgi izmantota divās misijās uz Marsu. NASA roveris Curiosity, kas nolaidās 2012. gada augustā, bija pirmā misija uz Marsu, lai pārvadātu 3D drukātas detaļas. Šis ir keramikas komponents Marsa paraugu analīzes (SAM) instrumentā, kas ir daļa no notiekošās pārbaudes programmas, lai izpētītu piedevu ražošanas tehnoloģijas uzticamību.
Attēls.
NASA uzbūvēta bimetāla sadegšanas kamera ar GRCop-42 L-PBF blīvēm un NASA HR-1 LP-DED apvalku (Attēla kredīts: NASA)
Tikmēr NASA Perseverance rover, kas nolaidās uz Marsa 2021. gada februārī, satur 11 metāla detaļas, kas izgatavotas ar lāzera piedevu ražošanu. Piecas no šīm daļām atrodas Perseverance Planetārajā instrumentā rentgenstaru petroķīmijai (PIXL), kas meklē mikrobu fosilās dzīves pazīmes uz Marsa. Šīm detaļām jābūt tik vieglām, lai tās nevarētu ražot, izmantojot tradicionālās kalšanas, formēšanas un griešanas metodes.
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 izgatavot par aptuveni pusi no izmaksām un par vienu sesto daļu no laika, kas nepieciešams parastajai apstrādei, savienošanai un montāžai. 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 pašlaik ir agrīnā stadijā, paredzams, ka nākamajos 20 gados tā pieaugs.
Lāzera attīrīšana
Lāzera aprēķins ir arī ļoti jauns pielietojums kosmosa nozarē. Šajā procesā īpaši ātrus lāzerus izmanto, lai izveidotu mikro- un nanostruktūras uz gaisa kuģu virsmām, izmantojot paņēmienu, kas pazīstams kā tiešā lāzera traucējumu modelēšana (DLIP), ko izmanto, lai radītu dabisku "lotosa efektu", kas rada nanostruktūras, kas palīdz novērst virsmas piesārņojumu. kā arī ledus uzkrāšanās lidmašīnā.
Novatoriskā optika sadala jaudīgu īpaši ātru lāzera impulsu vairākos daļējos staros, kas pēc tam tiek apvienoti uz apstrādājamās virsmas. Skatoties mikroskopā, iegūtās mikrostruktūras atgādina mikroskopiskas "pīlāru" vai viļņu "zāles". Attālums starp "pīlāriem" ir aptuveni no 150 nm līdz 30 μm – šī struktūra nozīmē, ka ūdens pilieni vairs nesaslapina 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 vēja pretestību, tādējādi palielinot degvielas patēriņu. Šīs lāzera tekstūras izmantošana samazinātu vajadzību pēc toksiskām ķīmiskām apstrādēm, ko pašlaik izmanto gaisa kuģu virsmām, lai izvairītos no apledojuma. Ir zināms, ka tas laika gaitā noveco un ir jutīgs pret bojājumiem. Turklāt lāzera struktūras, kas ražotas ar DLIP metodi, var kalpot gadiem ilgi un nerada vides problēmas.
Lāzera pārbaude un stresa regulēšana
Papildus iepriekšminētajām funkcijām lāzera un ultraskaņas kombināciju var izmantot sarežģītu metāla konstrukciju sastāvdaļu pārbaudei un sprieguma regulēšanai. Augstas enerģijas impulsa lāzera darbības izmantošana pārbaudāmā objekta virsmā, lokālās temperatūras virsmas izmaiņas, kas izraisa objekta testēšanu virsmas termiskās izplešanās slānī, ultraskaņas ierosme, ultraskaņa nesīs materiāla virsma un iekšējā noderīga informācija, ultraskaņas signāli ar detektoru uztveršanai, datu apstrāde un pārbaudāmā objekta analīze, lai noteiktu defektu esamību vai neesamību.
Turklāt, tā kā lāzera ultraskaņai ir augsta laika un telpiskā izšķirtspēja, tā var radīt bagātīgu viļņu formu, plašu ultraskaņas joslas platumu utt., Pēc pārslēgšanas un lāzera ierosmes parametru pielāgošanas lāzera ultraskaņa var atrasties jebkuras norādītās daļas daļās. noņemt visu stiepes spriegumu, virsmas viengabalainības nesagraušanas gadījumā bez karsēšanas veidojot noteikta biezuma spiedes spriegumu pastiprinātu slāni. Ir iespējams arī regulēt sprieguma vērtību līdz projektēšanas prasību diapazonam, kas var ievērojami optimizēt vietējās pozīcijas noguruma un plaisu izturību. Tulkots ar www.DeepL.com/Translator (bezmaksas versija)
