Ilmailuala - mukaan lukien kaupalliset ja satelliitit, avaruusalukset, droonit ja miehittämättömät ilma-alukset (UAV) - on kokenut radikaaleja muutoksia viime vuosina. Yhä useammat yritykset liittyvät avaruuskilpailuun, ja monet niistä tarvitsevat innovatiivisia valmistustekniikoita.
Laserprosessoinnin kyky lisätä tuottavuutta ja pitää kustannukset alhaisina saattaa olla avainasemassa tämän ilmailuteollisuuden vastauksen toteuttamisessa. Laserprosessoinnista - joka toteuttaa toiminnot leikkauksen, hitsauksen, puhalluksen ja porauksen muodossa - on tullut olennainen osa ilmailuteollisuutta.
Lasereilla valmistetaan esimerkiksi läppiä, siipien kiinnittimiä, suihkumoottorikomponentteja ja lentokoneen siipien istuinosia sekä turbiinien korjaamiseen, osien maalin puhdistamiseen tai poistamiseen sekä komponenttien pintojen valmisteluun jatkokäsittelyä varten. Viime vuosina laserlisäainevalmistus (AM) on saavuttanut suosiota myös avaruuslentojen alalla. Lisäksi markkinoilla halutaan parantaa ilmailu- ja avaruuskomponenttien jäljitettävyyttä, ja sen myötä lasermerkinnän kysyntä kasvaa.
Laserleikkaus ja hitsaus
Laserleikkaus on nopea, kustannustehokas ja tarkka prosessi, jolla voidaan täyttää ilmailualan vaativat valmistusvaatimukset.
Perinteiseen käsittelyyn verrattuna laserleikkaus tarjoaa korkean tarkkuuden, vähemmän materiaalihukkaa, nopeammat käsittelynopeudet, pienemmät kustannukset ja vähemmän laitteiden huoltoa. Lisäksi se maksimoi tuottavuuden, koska sen avulla on nopea ja helppo tehdä tarvittavat muutokset koneistukseen.
Laserilla voidaan valmistaa siipikiinnitysosia, kiinnitysosia, päätetoimilaitteen osia, työkaluosia ja paljon muuta. Se sopii yhtä hyvin pienempiin osiin, kuten oksastettuihin öljytiivisteisiin ja titaaniputkien jakotukiin, sekä suurempiin osiin, kuten pakokartioihin. Se pystyy käsittelemään monenlaisia ilmailumateriaaleja, mukaan lukien alumiini, Hastelloy (nikkeli, joka on seostettu molybdeenin ja kromin kaltaisten alkuaineiden kanssa), Inconel, Nitinol, Nitinol, ruostumaton teräs, tantaali ja titaani.
Laserhitsausta käytetään myös ilmailuteollisuudessa vaihtoehtona perinteisille liitosmenetelmille, kuten liimaus ja mekaaninen kiinnitys. Esimerkiksi kevyiden alumiiniseosten ja hiilikuituvahvisteisten polymeerien (CFRP) laserhitsauksen käyttö lentokonevalmistuksessa ovat materiaaleja, joiden merkitys kasvaa ja niitä käytetään korvaamaan niittausta aina kun mahdollista. Tekniikat, kuten laserheilurihitsaus, ovat myös onnistuneet polttoainesäiliöiden liittämisessä, parantaneet liitosten tehokkuutta ja lujuutta, vähentäneet uudelleentyöstöä ja tuoneet merkittäviä kustannussäästöjä. Muita hitsausmenestyneitä ilmailualalla ovat turbiinien siipien valettujen ytimien kiinnittäminen kansiin; ja uudentyyppisten kevyiden siipiläppien luominen, jotka lisäävät laminaarivirtauksen ohjausta, minimoivat vastuksen ja optimoivat polttoainetehokkuutta.
Kustannussäästöjen, osien painon alenemisen ja perinteisiin menetelmiin verrattuna paremman hitsauslaadun ansiosta useat markkinoilla olevat valmistajat ovat jopa alkaneet harkita laserhitsausta lentokoneen rungon osiin.
Laser puhdistus
Ilmailu- ja avaruusalan valmistajat käyttävät laserpuhdistusta metalli- ja komposiittipintojen kerrosten poistamiseen käsittelyä valmisteltaessa, pinnoitteiden tai korroosion poistamiseen sekä maalin poistamiseen suurista komponenteista tai koko lentokoneesta ennen uudelleenmaalausta.
Puhdistusprosessin aikana metallin pintakerrokset absorboivat ja haihduttavat laservaloa, mikä johtaa pintamateriaalin ablaatioon, jolla on vain vähän tai ei ollenkaan vaikutusta sisäkerroksiin eikä komponentille aiheudu sivullisia lämpövaurioita. Kilowattiluokan pulssikuitulaserit soveltuvat erityisen hyvin nopeaan laserpuhdistukseen – ne mahdollistavat tehokkaan ja tarkan puhdistuksen monenlaisille materiaaleille, mukaan lukien keramiikka, komposiitit, metallit ja muovit.
Komposiittien käyttö lentokoneissa on lisääntynyt viime vuosina, samoin kuin tarve kiinnittää metalleja komposiitteihin. Ilmailu- ja avaruusteollisuudessa näitä kahta eri materiaalia voidaan yhdistää liimalla, ja vahvan sidoksen aikaansaamiseksi molemmat pinnat on valmisteltava huolellisesti työstämistä varten ennen liiman levittämistä.
Laserpuhdistus on ihanteellinen vaihtoehto, koska se luo erittäin tiukasti kontrolloidun, toistettavan pinnan, joka pystyy saavuttamaan tasaisen, ennustettavan sidoksen. Perinteisesti tämä saavutettaisiin tuhoavilla räjäytystekniikoilla tai useiden kemikaalien avulla. Laserpuhdistus tarjoaa nyt kuitenkin yksivaiheisen lähestymistavan, joka ei ole vain kustannustehokkaampi ja tuottavampi, vaan sillä on myös vähemmän ympäristövaikutuksia, koska myrkyllisiä kemikaaleja tai räjäytysmateriaaleja ei tarvita. Laserpuhdistuksen vaikutus osiin on myös paljon hellävaraisempi kuin perinteiset menetelmät.
Lentokoneen metalli- ja komposiittiosien laserpuhdistus on myös edullisempaa kuin kemiallinen kuorinta- tai puhallustekniikka maalinpoistossa. Lentokone voidaan maalata uudelleen 4-5 kertaa sen elinkaaren aikana, ja maalin poistaminen koko lentokoneesta perinteisillä tekniikoilla voi kestää viikon tai kauemmin. Sen sijaan laserpuhdistus voi lentokoneen koosta riippuen lyhentää tämän ajan 3-4 päivään, ja se myös helpottaa työntekijöiden pääsyä osiin. Lisäksi, kun laserpuhdistusta käytetään maalinpoistoon kemiallisen poistamisen tai puhalluksen sijaan, se voi johtaa merkittäviin kustannussäästöihin – tuhansia puntia lentokonetta kohti – koska vaarallisen jätteen määrä vähenee noin 90 prosenttia tai enemmän ja materiaalinkäsittelyvaatimukset vähenevät.
Laser laukaus peening% 2fLaser isku peening
Metalliosien sisällä olevat jännitykset voivat johtaa metallin väsymiseen lentokoneen osissa (kuten suihkumoottoreiden tuulettimen siivet), mikä voi aiheuttaa vaurioita tai vammoja. Tätä voidaan lieventää laserpeening-tekniikalla.
Tässä prosessissa laserpulssit suunnataan alueelle, jolla on korkea jännityspitoisuus, ja jokainen pulssi sytyttää pienen plasmaräjähdyksen komponentin pinnan ja päälle ruiskutetun vesikerroksen väliin. Vesikerros rajoittaa räjähdystä, mikä saa iskuaallon tunkeutumaan komponenttiin ja luo puristusjäännösjännityksiä sen etenemisalueen laajentuessa. Nämä jännitykset parantavat halkeilun ja muiden metallien väsymiskestävyyden todennäköisyyttä. Laserkuivaaminen voi pidentää metalliosien käyttöikää kertoimella 10-15 perinteisiin prosesseihin verrattuna.
Laserpuhallusta käytetään yhä enemmän ilmailuteollisuudessa. Esimerkiksi LSP Technologies ja Airbus ovat yhdessä kehittäneet kannettavan laserleikkausjärjestelmän, joka testattiin ja arvioitiin hiljattain Airbusin huolto- ja korjauslaitoksessa Toulousessa, Ranskassa.
Leopard-laserpeening-järjestelmä pidentää väsymisikää estämällä syklisen tärinärasituksen aiheuttamien halkeamien syntymistä ja laajenemista. Kuituoptisen säteen toimituksen joustavuus ja räätälöidyt työkalut mahdollistavat järjestelmän lasersäteen kohdistamisen, joihin lentokoneiden on vaikea päästä. Yhteistyökumppaneiden mukaan järjestelmä on läpimurto laserpeening-tekniikassa, joka edistää sen käyttöä, muun muassa pidentää suihkumoottorien siipien käyttöikää.
Laserporaus
Nykyaikaisissa lentokonemoottoreissa on noin 500 000 reikää, noin 100 kertaa enemmän kuin 1980-luvulla rakennetuissa moottoreissa. Samaan aikaan lentokonevalmistajat tuottavat yhä enemmän muita komponentteja, joihin on porattu suuri määrä reikiä niitattuja ja ruuviliitoksia varten. Ilmailu- ja avaruusalalla laserporauksella on siis suuri markkinapotentiaali, koska se tarjoaa tarkan, toistettavan, nopean ja kustannustehokkaan prosessin.
Esimerkiksi uusia suuritehoisia femtosekuntilaserjärjestelmiä kehitetään suurten titaani-HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) -paneelien tehokkaaseen ja tarkkaan mikroporaukseen, jotka asennetaan siipi- tai pyrstövakainten päälle. Nämä paneelit imevät ilmaa pienten reikien läpi, mikä vähentää kitkavastusta ja polttoaineenkulutusta.
Kuva.
Lasereja käytetään yhä useammin reikien poraamiseen CFRP-lentokoneen osiin (kuvaluotto: Hanover Laser Center)
Koska laserporaus on kontaktitonta, työstettävää materiaalia ei tarvitse kiinnittää samalla tavalla kuin työstettäisiin perinteisillä työkaluilla. Toinen kontaktittomuuden etu on se, että työkalut eivät kulu, mikä on erityinen etu CFRP-komponenttien porauksessa. Kovuutensa vuoksi CFRP-komponentit voivat olla erittäin hankaavia perinteisille työkaluille. Laserporaus voidaan suorittaa myös erittäin suurilla nopeuksilla, jotta liiallinen lämmön aiheuttama vahinko ei vahingoita käsiteltävää materiaalia.
Lisäainevalmistus
Laser Additive Manufacturing (AM) kasvaa nopeasti myös ilmailuteollisuudessa. Tässä tekniikassa laser sulattaa peräkkäisiä jauhekerroksia muodostaen muotoja. Kaliforniassa toimiva rakettiyritys tilasi jopa äskettäin kaksi 12-lasersäde-3D-tulostinta tehdäkseen avaruustehtävistään kustannustehokkaampia ja tehokkaampia luomalla kevyempiä, nopeampia ja vahvempia avaruuskomponentteja.
Vaikka monet näistä projekteista ovat vielä testausvaiheessa, laserlisäainevalmistusta on käytetty menestyksekkäästi jo kahdella Mars-matkalla. NASAn Curiosity-mönkijä, joka laskeutui elokuussa 2012, oli ensimmäinen 3D-tulostettuja osia kuljettava lento Marsiin. Tämä on keraaminen komponentti Sample Analysis for Mars (SAM) -instrumentissa, joka on osa meneillään olevaa testiohjelmaa, jolla tutkitaan lisäaineen valmistustekniikan luotettavuutta.
Kuva.
NASAn rakentama bimetallipolttokammio, jossa on GRCop-42 L-PBF -tiivisteet ja NASA HR-1 LP-DED -vaippa (Kuvan luotto: NASA)
Samaan aikaan NASAn Perseverance-mönkijä, joka laskeutui Marsiin helmikuussa 2021, sisältää 11 metalliosaa, jotka on valmistettu laserlisäainevalmisteella. Viisi näistä osista on Perseverancen Planetary Instrument for X-ray Petrochemistryssa (PIXL), joka etsii merkkejä mikrobien fossiilisesta elämästä Marsissa. Näiden osien on oltava niin kevyitä, ettei niitä voida valmistaa perinteisillä taonta-, muovaus- ja leikkaustekniikoilla.
NASA on myös kokeillut laserlisäainevalmistuksen käyttöä raketin komponenteissa. Eräässä tutkimuksessa rakettimoottorin palotila valmistettiin kupariseoksesta. Tämä laserlisäainevalmistuksen jatkuva kehitys on johtanut komponenttiin, joka voidaan valmistaa noin puolet kustannuksista ja kuudesosan tavanomaisen koneistuksen, liittämisen ja kokoonpanon vaatimasta ajasta. Koska käytetyt kupariseokset heijastavat voimakkaasti infrapunalasereita, NASA tutkii nyt, kuinka vihreät tai siniset laserit voivat parantaa tehokkuutta ja tuottavuutta.
Vaikka lisäainevalmistuksen käyttö ilmailuteollisuudessa on tällä hetkellä alkuvaiheessa, sen odotetaan kasvavan seuraavien 20 vuoden aikana.
Laserbrassointi
Laserbrassointi on myös hyvin uusi sovellus ilmailuteollisuudessa. Tässä prosessissa ultranopeita lasereita käytetään mikro- ja nanorakenteiden luomiseen lentokoneiden pinnoille suorana laserinterferenssikuviointina (DLIP) tunnetun tekniikan avulla, jota käytetään luomaan luonnollinen "lootusefekti", joka luo nanorakenteita, jotka auttavat estämään pintakontaminaation. sekä jään kertymistä lentokoneeseen.
Innovatiivinen optiikka jakaa tehokkaan ultranopean laserpulssin useiksi osasäteiksi, jotka sitten yhdistetään käsiteltävälle pinnalle. Mikroskoopilla katsottuna tuloksena olevat mikrorakenteet muistuttavat mikroskooppisia "pylväiden" tai aaltoilujen "saleja". Etäisyys "pylväiden" välillä on noin 150 nm - 30 μm - tämä rakenne tarkoittaa, että vesipisarat eivät enää kastele pintaa eivätkä tartu siihen, koska niillä ei ole tarpeeksi pitoa pinnasta.
Tämän materiaalin etuja lentokoneille ovat lisääntynyt veden, jään ja hyönteisten torjunta. Nämä voivat tarttua lentokoneen pintaan ja lisätä lentokoneen tuulenvastusta, mikä lisää polttoaineen kulutusta. Tämän lasertekstuurin käyttö vähentäisi lentokoneiden pinnoilla tällä hetkellä käytettävien myrkyllisten kemiallisten käsittelyjen tarvetta jään välttämiseksi. Sen tiedetään vanhenevan ajan myötä ja se on herkkä vaurioitumaan. Lisäksi DLIP-menetelmällä valmistetut laserrakenteet voivat kestää vuosia eivätkä aiheuta ympäristöongelmia.
Lasertarkastus ja stressinsäätö
Edellä mainittujen toimintojen lisäksi laserin ja ultraäänen yhdistelmää voidaan käyttää monimutkaisten metallirakenneosien tarkastukseen ja jännityksen säätelyyn. Korkeaenergisen pulssilasertoiminnan käyttö testattavan kohteen pinnalla, paikallisten lämpötilamuutosten pinta, mikä aiheuttaa testattavan kohteen lämpölaajenemisen pintakerroksen, ultraäänen virityksen, ultraääni kuljettaa materiaalin pinta ja sisäinen hyödyllinen tieto, ultraäänisignaalit ilmaisimella vastaanotettavaksi, tutkittavan kohteen tietojenkäsittely ja analysointi vikojen olemassaolon tai puuttumisen määrittämiseksi.
Lisäksi, koska laserultraäänellä on korkea ajallinen ja spatiaalinen resoluutio, se voi tuottaa rikkaan aaltomuodon, laajan ultraäänen kaistanleveyden jne., kytkennän ja laserherätysparametrin säätämisen jälkeen laserultraääni voi olla minkä tahansa määrätyn osan osissa poistamaan kaikki vetojännitys, jos pinnan eheyttä ei tuhota, ilman lämmitystä muodostuu tietyn paksuinen puristusjännitysvahvistettu kerros. Jännitysarvoa on myös mahdollista säätää suunnitteluvaatimusalueelle, mikä voi merkittävästi optimoida paikallisen sijainnin väsymis- ja halkeamankestävyyttä. Käännetty osoitteessa www.DeepL.com/Translator (ilmainen versio)
