Az elmúlt években a repülési ágazat – beleértve a kereskedelmi és katonai repülőgépeket, műholdakat, űrhajókat, drónokat és pilóta nélküli légi járműveket (UAV) – jelentős változásokon ment keresztül. Egyre több vállalat csatlakozott az űrversenyhez, amelyek közül sok innovatív gyártási technológiákat igényel.
Ezzel szemben a világjárvány okozta utazási korlátozások kereskedelmi repülésre gyakorolt hatása a polgári repülőgépek gyártási arányának egyharmadával csökkent.
2019-ben Európa a polgári repülőgépek és helikopterek (beleértve a különböző alkatrészeket és repülőgép-hajtóműveket) gyártásában a világ egyik vezető szerepet tölt be, mintegy 400{2}} munkahelyet teremtve, és 130 milliárd eurós bevételt generált. Míg az űrkutatást és -védelmet nagyrészt nem érinti az újkorona-járvány, a polgári repülőgépgyártás és -gyártás még mindig a felépülés fázisában van.
A McKinsey vezető tanácsadó és kutatócég 2023. februári, Uncertainty in Commercial Aerospace című kiadványában arról számol be, hogy a világnak 9400 utasszállító repülőgép (főleg keskeny törzsű sugárhajtású repülőgépek) megépítéséhez szükséges rendeléshátralékot kell felvennie 2027 végéig. De van bizonytalanság. a légi személyszállítás jövőbeli növekedéséről, az ellátási láncról és a munkaerő megbízhatóságáról. Ennek eredményeként a gyártóknak javítaniuk kell a termelékenységet és a rugalmasságot, hogy kezeljék a lemaradást, és reagáljanak a kereslet jövőbeni változásaira.
A lézeres feldolgozás azon képessége, hogy növelje a termelékenységet és alacsonyan tartsa a költségeket, kulcsszerepet játszhat ennek a válaszadásnak a lehetővé tételében a repülőgépiparban. A lézeres feldolgozás - vágás, hegesztés, sörétes kivágás és fúrás formájában - a repülőgépgyártás szerves részévé vált.
Lézereket használnak például repülőgép szárnyszárnyak, szárnyrögzítők, sugárhajtómű-alkatrészek és ülésalkatrészek gyártására, valamint turbinák javítására, az alkatrészek festékének tisztítására vagy eltávolítására, valamint az alkatrészek felületének előkészítésére a további feldolgozáshoz. Az elmúlt években a lézeres additív gyártás (AM) is egyre népszerűbb az űrrepülési szektorban. Emellett a piac szeretné javítani az űrrepülőgép-alkatrészek nyomon követhetőségét, ezzel együtt nő a lézeres jelölés iránti igény.
Lézeres vágás és hegesztés
A lézeres vágás egy gyors, költséghatékony és precíz eljárás, amely alkalmas a repülőgép-szektor gyártási követelményeinek kielégítésére.
A hagyományos feldolgozáshoz képest a lézervágás nagy pontosságot, kevesebb anyagpazarlást, gyorsabb feldolgozási sebességet, alacsonyabb költségeket és kevesebb berendezés-karbantartást kínál. Ezen túlmenően a termelékenység maximalizálható, mert lehetővé teszi a folyamat minden szükséges módosítását gyorsan és egyszerűen.
A lézer felhasználható szárnyrögzítő alkatrészek, rögzítőelemek, végkifejtő alkatrészek, szerszámrészek stb. gyártására. Egyaránt alkalmas kis alkatrészekre, mint pl. graft olajtömítések és titán pilótacső elosztók, valamint nagyobb alkatrészek, pl. kipufogó kúpként. Különféle repülési anyagok feldolgozására képes, beleértve az alumíniumot, a Hastelloyt (nikkelt, amelyet molibdénnel és krómmal ötvöztek), az Inconelt, a Nitinolt, a Nitinolt, a rozsdamentes acélt, a tantált és a titánt.
A lézeres hegesztést a repülésben is használják a hagyományos csatlakozási módszerek, például a ragasztás és a mechanikus rögzítés alternatívájaként. Például a könnyű alumíniumötvözetek és a szénszál-erősítésű polimerek (CFRP) lézeres hegesztésének alkalmazása a repülőgépgyártásban egyre inkább felértékelődik, és ahol csak lehetséges, a szegecselt kötések helyettesítésére használják. Az olyan technológiák, mint a lézeres lengőhegesztés, szintén sikeresek voltak az üzemanyagtartály-csatlakozások terén, javítva a csatlakozás hatékonyságát és szilárdságát, csökkentve az utómunkálatokat és jelentős költségmegtakarítást biztosítva. Az űrrepülésben a hegesztés további sikerei közé tartozik a turbinalapátok öntött magjainak rögzítése a burkolatokhoz; valamint új típusú könnyű szárnyszárnyak létrehozása, amelyek növelik a lamináris áramlás szabályozását, minimalizálják a légellenállást és optimalizálják az üzemanyag-hatékonyságot.
A költségmegtakarítás, az alkatrésztömeg-csökkentés és a hagyományos módszerekhez képest jobb hegesztési minőség miatt a piacon számos gyártó még most is fontolgatja a repülőgép-alkatrészek lézeres hegesztését.
Lézeres tisztítás
A repülőgépiparban dolgozó gyártók lézeres tisztítást alkalmaznak a fém- és kompozit felületek rétegeinek eltávolítására a megmunkálás előkészítése során, a bevonatok vagy a korrózió eltávolítására, valamint a festék eltávolítására a nagy részekről vagy az egész repülőgépről az újrafestés előtt.
A tisztítási folyamat során a lézerfényt elnyeli és elpárologtatja a fém felületi rétege, ami a felületi anyag ablációját eredményezi, a belső rétegre csak kismértékben vagy egyáltalán nem hat, és az alkatrész nem károsodik. A kilowatt-osztályú impulzusos szálas lézerek különösen alkalmasak a gyors lézeres tisztításra – sokféle anyagot, így kerámiákat, kompozitokat, fémeket és műanyagokat is képesek megtisztítani nagy hatékonysággal és pontossággal.
Az elmúlt években megnövekedett a kompozitok repülőgépekben való felhasználása, és ezzel párhuzamosan a fémek kompozitokkal való összekapcsolásának szükségessége is. A repülőgépgyártásban e két különböző anyag összekapcsolására használhatók ragasztók, és az erős kötés érdekében a két felületet gondosan elő kell készíteni a feldolgozáshoz a ragasztó felhordása előtt.
A lézeres tisztítás az ideális megoldás, mert nagyon szigorúan ellenőrzött, reprodukálható felületi hatást hoz létre, amely képes egyenletes, kiszámítható kötés elérésére. Hagyományosan ezt pusztító robbantási technikákkal vagy több vegyszer alkalmazásával érik el. A lézeres tisztítás azonban ma már egy egylépéses megközelítést kínál, amely nemcsak költséghatékonyabb és termelékenyebb, hanem sokkal kisebb a környezetre gyakorolt hatása is, mivel nincs szükség mérgező vegyszerekre vagy robbantási anyagokra. A lézeres tisztítás is sokkal kíméletesebb az alkatrészeken, mint a hagyományos módszerek.
A fém és kompozit repülőgépalkatrészek lézeres tisztítása is előnyösebb, mint a vegyi csupaszítás vagy a szemcseszórás, ha festékeltávolításról van szó. Életfutása során egy repülőgépet 4-5 alkalommal lehet átfesteni, és egy hétbe vagy többbe is telhet, amíg hagyományos technikákkal eltávolítják a festéket az egész repülőgépről. Ezzel szemben a lézeres tisztítás a repülőgép méretétől függően 3-4 napra csökkentheti ezt az időt, és a dolgozók könnyebben hozzáférhetnek az alkatrészekhez. Ezen túlmenően, ha festékeltávolításra használják, nem pedig vegyszeres eltávolításra vagy szemcseszórásra, a lézeres tisztítás jelentős költségmegtakarítást eredményezhet – repülőgépenként több ezer fontot –, mivel a veszélyes hulladék mennyisége körülbelül 90 százalékkal vagy még többel csökken, és az anyagkezelési követelmények is csökkennek.
Lézeres szemcseszórás/lézeres ütési vágás
A fém alkatrészeken belüli feszültségek a repülőgép-alkatrészek, például a sugárhajtóművek ventilátorlapátjainak fémfáradásához vezethetnek, ami károsodást vagy sérülést okozhat. Ez enyhíthető a lézeres peening néven ismert technikával.
Ebben a folyamatban a lézerimpulzusokat nagy feszültségkoncentrációjú területre irányítják, és minden impulzus egy apró plazmarobbanást gyújt meg az alkatrész felülete és a tetejére permetezett vízréteg között. A vízréteg korlátozza a robbanást, aminek következtében a lökéshullám áthatol az alkatrészen, és nyomómaradék feszültségeket hoz létre, ahogy terjedési területe tágul. Ezek a feszültségek ellensúlyozzák a repedést és a fémfáradás egyéb formáit. A lézeres hámozás 10-15-szer meghosszabbíthatja a fém alkatrészek élettartamát a hagyományos eljárásokhoz képest.
A lézeres vágást egyre inkább alkalmazzák a repülőgépiparban. Például az LSP Technologies és az Airbus közösen kifejlesztett egy hordozható lézeres tisztítórendszert, amelyet nemrégiben teszteltek és értékeltek az Airbus franciaországi toulouse-i karbantartó és javító üzemében.
A Leopard lézeres lehúzó rendszer meghosszabbítja a fáradási élettartamot azáltal, hogy gátolja a ciklikus rezgési igénybevételek által okozott repedések kialakulását és kiterjedését. A száloptikai sugár szállításának rugalmassága és az egyedi szerszámok lehetővé teszik a rendszer számára, hogy a repülőgép nehezen elérhető területeit lézerrel kezelje. A partnerek szerint a rendszer áttörést jelent a lézeres kivágási technológiában, és előmozdítja annak használatát, többek között meghosszabbítja a sugárhajtóművek lapátjainak élettartamát.
A US Navy Fleet Readiness Center East (FRCE) szintén nemrég fejezte be az F-35B Lightning II repülőgépen sikeresen alkalmazott lézeres ütközéserősítő eljárás validálását. Az FRCE az eljárást az F-35B Lightning II vázának megerősítésére használta anélkül, hogy bármilyen további anyagot vagy súlyt hozzáadott volna, ami egyébként korlátozná az üzemanyag- vagy fegyverszállítási képességét. Ez segít meghosszabbítani az ötödik generációs vadászgép várható élettartamát, az Egyesült Államok tengerészgyalogság által használt rövid fel- és leszállási változatát.
Lézeres fúrás
A modern repülőgép-hajtóművek körülbelül 500,{1}} lyukat tartalmaznak, ami körülbelül százszorosa az 1980-as években gyártott hajtóművek számának. Ezzel párhuzamosan a repülőgépgyártók egyre több olyan egyéb alkatrészt gyártanak, amelyekben nagyszámú fúrt lyuk található a szegecses és csavaros csatlakozásokhoz. A lézerfúrás ezért hatalmas piaci potenciállal rendelkezik a repülőgépiparban, mivel precíz, megismételhető, gyors és költséghatékony eljárást kínál.
Például új, nagy teljesítményű femtoszekundumos lézerrendszereket fejlesztenek ki nagyméretű titán HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) panelek hatékony és precíz mikrofúrására, amelyeket szárny- vagy farokstabilizátorra szerelnek majd fel. Ezek a panelek kis lyukakon keresztül szívják be a levegőt, ezáltal csökkentve a súrlódási ellenállást és az üzemanyag-fogyasztást.
Image A lézereket egyre gyakrabban használják CFRP repülőgép-alkatrészek fúrására
(Kép jóváírása: Hannover Laser Center)
Mivel a lézeres fúrás érintésmentes, a megmunkált anyagot nem kell ugyanúgy fogni, mintha hagyományos szerszámokkal dolgoznák meg. Az érintésmentesség másik előnye, hogy nem lép fel szerszámkopás, ami különösen előnyös a CFRP alkatrészek fúrása során. Keménységük miatt a CFRP alkatrészek nagyon nagy kopást okozhatnak a hagyományos szerszámokon. A lézerfúrás nagyon nagy sebességgel is elvégezhető, így a hő okozta túlzott károk nem károsítják a feldolgozandó anyagot.
Additív gyártás
A lézeres additív gyártás (AM) szintén gyors lendületet kap a repülőgépiparban. Ebben a technikában a lézer megolvasztja a folyamatos porrétegeket, hogy formákat hozzon létre. Egy kaliforniai székhelyű rakétagyártó cég a közelmúltban két 12-lézersugaras 3D-nyomtatót is rendelt, hogy könnyebb, gyorsabb és erősebb űrkomponensek létrehozásával gazdaságosabbá és hatékonyabbá tegyék űrküldetéseit.
Bár sok projekt még tesztelési fázisban van, a lézeradalékos gyártást sikeresen alkalmazták két marsi küldetés során. A NASA Curiosity roverje, amely 2012 augusztusában landolt, volt az első küldetés, amely 3D nyomtatott alkatrészeket szállított a Marsra. Ez egy kerámia alkatrész a Sample Analysis on Mars (SAM) műszerben, amely egy folyamatban lévő tesztelési program része, amely az additív gyártástechnológia megbízhatóságát vizsgálja.
Eközben a NASA Trailblazer roverje, amely 2021 februárjában landolt a Marson, 11 lézeradalékkal gyártott fém alkatrészt tartalmaz. Öt alkatrész a Trail Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL) nevű eszközében található, amely a mikrobiális fosszilis élet jeleit keresi a Marson. Ezeknek az alkatrészeknek annyira könnyűnek kell lenniük, hogy ne lehessen őket előállítani hagyományos kovácsolási, formázási és vágási technikákkal.
A NASA a rakétaalkatrészek lézeres adalékos gyártásával is kísérletezett. Egy tanulmányban egy rakétamotor égésterét rézötvözetből készítették. A lézeradalékos gyártás folyamatos fejlesztése egy olyan alkatrészt eredményezett, amely körülbelül feleannyi költséggel és a hagyományos megmunkáláshoz, illesztéshez és összeszereléshez szükséges idő egyhatodával gyártható. Mivel a felhasznált rézötvözetek erősen visszaverik az infravörös lézereket, a NASA most azt vizsgálja, hogy a zöld vagy kék lézerek hogyan javíthatják a hatékonyságot és a termelékenységet.
Míg az additív gyártás a repülőgépiparban még korai szakaszában van, a következő 20 évben várhatóan növekedni fog.
Lézeres bruttósítás
A lézeres bruttósítás a repülőgépiparban is nagyon új alkalmazás. Ebben a folyamatban ultragyors lézereket használnak mikro-nanostruktúrák létrehozására a repülőgépek felületén a közvetlen lézeres interferometrikus mintázat (DLIP) néven ismert technikával, amely természetes "lótusz-effektus" létrehozására szolgál, olyan nanostruktúrákat hozva létre, amelyek segítenek megelőzni a felületi szennyeződést és a jég kialakulását. felhalmozódás a repülőgépen.
Az innovatív optika egy nagy teljesítményű ultragyors lézerimpulzust több részsugárra oszt fel, amelyeket aztán egyesítenek a megmunkált felületen. Mikroszkóp alatt szemlélve az így létrejövő mikrostruktúra "oszlopokból" vagy hullámokból álló mikroszkopikus "csarnokhoz" hasonlít. A "pillérek" közötti távolság körülbelül 150 nm és 30 µm között van - ez a szerkezet azt jelenti, hogy a vízcseppek már nem nedvesítik a felületet, és nem tapadnak hozzá, mert nem tapadnak kellőképpen a felülethez.
Ennek az anyagnak a repülőgépre gyakorolt előnyei közé tartozik a víz, a jég és a rovarok fokozott taszítása. Ezek rátapadhatnak a repülőgép felületére, és növelhetik a repülőgép szélellenállását, ezáltal növelve az üzemanyag-fogyasztást. Ennek a lézeres textúrának az alkalmazása csökkenti a jelenleg a repülőgépek felületén alkalmazott mérgező vegyi kezelések szükségességét a jegesedés elkerülése érdekében. Ismeretes, hogy idővel romlik, és hajlamos a károsodásra. Továbbá a DLIP módszerrel előállított lézeres szerkezetek több évig is eltarthatnak, és nem okoznak környezeti problémákat.
