През последните години светът на космическото пространство - включително търговски и военни самолети, сателити, космически кораби, дронове и безпилотни летателни апарати (UAV) - претърпя някои драматични промени. Все повече компании се присъединяват към космическата надпревара, много от които изискват иновативни производствени технологии.
За разлика от това, въздействието на ограниченията за пътуване върху търговската авиация, причинено от новата епидемия от короната, доведе до спад на производството на граждански самолети с една трета.
През 2019 г. Европа беше един от световните лидери в производството на граждански самолети и хеликоптери, включително различни компоненти и авиационни двигатели, поддържайки около 400000 работни места и генерирайки приходи от 130 милиарда евро. Докато изследването на космоса и отбраната останаха до голяма степен незасегнати от пандемията, производството на граждански самолети все още се възстановява.
В „Несигурността в комерсиалното космическо пространство“ (Uncerttainty in Commercial Aerospace), публикувано през февруари 2023 г., McKinsey, известна консултантска и изследователска компания, съобщи, че светът трябва да усвои конструкцията на 9400 пътнически самолета (главно теснофюзелажни самолети ) до края на 2027 г. самолети) изоставане. Но има несигурност относно бъдещия растеж на въздушния пътнически трафик, здравето на веригите за доставки и работната сила. В резултат на това производителите трябва да увеличат ефективността и гъвкавостта на производството, за да се справят с натрупаните задачи и да отговорят на бъдещи промени в търсенето.
Способността на лазерната обработка да повишава производителността и да поддържа ниски разходи може да изиграе ключова роля за осигуряването на този отговор от аерокосмическата индустрия. Лазерната обработка - операции под формата на рязане, заваряване, пробиване и пробиване - се е превърнала в неразделна част от космическото производство.
Например, лазерите се използват за изработване на клапи за крила на самолети, крепежни елементи на крилата, части на реактивни двигатели и части на седалки, а също така се използват за ремонт на турбини, почистване или отстраняване на боя от части и подготовка на части за по-нататъшна обработка. част повърхност. През последните години лазерното адитивно производство (AM) също нарасна в популярността си в космическите полети. Освен това пазарът се надява да подобри проследимостта на авиационните компоненти, а изискванията за лазерно маркиране също се увеличават.
Лазерно рязане и заваряване
Лазерното рязане е бърз, рентабилен и прецизен процес, използван за посрещане на взискателните производствени изисквания на аерокосмическия сектор.
В сравнение с традиционната обработка, лазерното рязане има висока точност, по-малко отпадъци от материали, бърза скорост на обработка, ниска цена и по-малко поддръжка на оборудването. В допълнение, той увеличава максимално производителността, тъй като прави всички необходими промени в машинната обработка бързи и лесни.
Лазерите могат да се използват за производство на части за закопчалки на крила, части за приспособления, крайни изпълнителни части, инструменти и др. Той е еднакво подходящ за малки компоненти като присадени маслени уплътнения и титаниеви колектори за изпускателни канали, както и за по-големи компоненти като изпускателни конуси. Може да обработва голямо разнообразие от аерокосмически материали, включително алуминий, Hastelloy (никел, който е легиран с елементи като молибден и хром), Inconel, Nitinol, Nitinol, неръждаема стомана, тантал и титан.
Лазерното заваряване се използва и в космическото пространство като алтернатива на традиционните методи за свързване като залепване и механично закрепване. Например, използването на лазерно заваряване на леки алуминиеви сплави и полимери, подсилени с въглеродни влакна (CFRP) в самолетостроенето набира популярност и се използва за замяна на занитването, където е възможно. Техники като лазерно плетено заваряване също са били успешни при свързване на резервоари за гориво, подобряване на ефективността и здравината на съединенията, намаляване на повторната обработка и спестяване на много пари. Други успехи в заваряването в космическото пространство включват свързване на лятата сърцевина на турбинна лопатка към покриващата плоча; и създаване на нов тип олекотени клапи, които увеличават контрола на ламинарния поток, минимизират съпротивлението и оптимизират горивната ефективност.
Лазерното заваряване има потенциала да спести разходи, да намали теглото на компонентите и да подобри качеството на заваръчния шев в сравнение с традиционните методи и няколко производители в момента обмислят лазерно заваряване за производството на части на корпуса.
Laser почистване
Производителите в аерокосмическия сектор използват лазерно почистване за премахване на слоеве от метални и композитни повърхности в подготовка за машинна обработка, за премахване на покрития или корозия и за премахване на боя от големи компоненти или цели самолети преди пребоядисване.
По време на процеса на почистване лазерът се абсорбира и изпарява от металната повърхност, като по този начин се постига аблация на повърхностния материал, като същевременно има малък ефект върху материала на вътрешния слой и няма да причини случайно термично увреждане на компонентите. Импулсните влакнести лазери в киловатовия клас са особено подходящи за бързо лазерно почистване - те позволяват ефективно, високо прецизно почистване на голямо разнообразие от материали, включително керамика, композити, метали и пластмаси.
През последните години употребата на композитни материали в самолетите се увеличи, както и необходимостта от свързване на метали към композитни материали. В космическото производство могат да се използват лепила за свързване на тези два различни материала. За да се създаде здрава връзка, двете повърхности трябва да бъдат внимателно подготвени преди нанасяне на лепилото.
Лазерното почистване е идеално, защото създава много строго контролирано, възпроизводимо повърхностно покритие, което позволява последователно, предвидимо залепване. Традиционно това се прави чрез разрушителни техники за взривяване или прилагане на няколко химикала. Въпреки това, лазерното почистване сега предлага метод в една стъпка, който е не само по-рентабилен и продуктивен, но също така има по-малко въздействие върху околната среда, тъй като не са необходими токсични химикали или материали за бластиране. Лазерното почистване също е много по-нежно към частите от традиционните методи.
Лазерно почистване на метални и композитни части на самолетисъщо така е по-полезен от техниките за химическо отстраняване или бластиране, когато става въпрос за отстраняване на боя. По време на полезния си живот един самолет може да бъде пребоядисан 4-5 пъти и може да отнеме седмица или повече, за да се премахне боята от целия самолет с помощта на традиционни техники. Обратно, лазерното почистване може да намали това време до 3-4 дни в зависимост от размера на самолета и също така прави частите по-достъпни за работниците. Освен това, когато се използва за премахване на боя, а не за химическо отстраняване или бластиране, лазерното почистване предлага значителни икономии на разходи – хиляди паунда на самолет, тъй като опасните отпадъци се намаляват с около 90 процента или повече и изискванията за обработка на материали са намалени.
Лазерен пилинг/лазерен шоков пиинг
Напреженията в металните компоненти могат да доведат до отказ от умора на метала в компоненти на самолети, като перки на вентилатори в реактивни двигатели, което има потенциал да причини повреда или нараняване. Това може да бъде смекчено с техника, известна като лазерно пилинг.
В този процес импулси от лазерна светлина се насочват към зона с висока концентрация на напрежение и всеки импулс запалва малка експлозия на плазма между повърхността на компонента и слой вода, напръскан отгоре. Водният слой ограничава експлозията, което кара ударната вълна да проникне в компонента и да генерира остатъчни напрежения при натиск, докато нейната зона на разпространение се разширява. Тези напрежения противодействат на напукване и други форми на умора на метала. В сравнение с традиционните процеси, лазерното укрепване може да удължи експлоатационния живот на металните части 10-15 пъти.
Лазерното пилинг се използва все повече в космическата индустрия. Например, LSP Technologies и Airbus съвместно разработиха преносима система за лазерно пробиване, която наскоро беше тествана и оценена в съоръжението за поддръжка и ремонт на Airbus в Тулуза, Франция.
Системата за лазерно пробиване Leopard ще удължи живота на умора чрез инхибиране на започването и разпространението на пукнатини, причинени от цикличен вибрационен стрес. Гъвкавостта на доставянето на оптичен лъч и персонализираните инструменти позволяват на системата да осветява с лазер зони, които са трудни за достигане от самолета. Според партньорите системата е пробив в технологията за лазерно укрепване, която ще усъвършенства нейната употреба, включително удължаване на живота на лопатките на реактивните двигатели и др.
Източният център за готовност на флота на ВМС на САЩ (FRCE) също наскоро завърши валидирането на процеса на лазерно шоково пробиване, който беше успешно използван на самолета F-35B Lightning II. FRCE използва процеса, за да подсили рамката на F-35B Lightning II, без да добавя допълнителен материал или тежест, които иначе биха ограничили капацитета му за гориво или носене на оръжие. Това спомага за удължаване на живота на изтребителите от пето поколение, вариантите с късо излитане и кацане, използвани от Корпуса на морската пехота на САЩ.
Laser сондиране
Съвременните авиационни двигатели имат около 500 000 отвора, около 100 пъти повече от двигателите, произведени през 80-те години на миналия век. В същото време производителите на самолети произвеждат все по-голям брой други компоненти, които имат голям брой пробити отвори за занитване и завинтване. Следователно в областта на космическата промишленост лазерното пробиване има огромен пазарен потенциал, тъй като осигурява прецизен, повторяем, бърз и рентабилен процес.
Например, разработват се нови високомощни фемтосекундни лазерни системи за ефикасно и прецизно микро пробиване на големи титаниеви HLFC (хибриден ламинарен контрол на потока) панели, които да бъдат монтирани на стабилизатори на крило или оперение. Тези панели засмукват въздух през малки отвори, което намалява съпротивлението при триене и разхода на гориво.
Тъй като лазерното пробиване е безконтактно, обработваният материал не трябва да се фиксира по същия начин, както при конвенционалните инструменти. Друго предимство на безконтактността е липсата на износване на инструмента, което представлява особено предимство при операциите по пробиване на CFRP компоненти. Поради своята твърдост CFRP компонентите могат да бъдат много абразивни за конвенционалните инструменти. Лазерното пробиване може да се извърши и при много високи скорости, така че прекомерните щети от топлина да не навредят на обработвания материал.
Aдитивно производство
Лазерното адитивно производство (AM) също се развива бързо в космическата индустрия. При тази техника лазерите разтопяват последователни слоеве прах, за да изградят форми. Базирана в Калифорния ракетна компания наскоро дори поръча два 12-лазерни 3D принтера, за да направи своите космически мисии по-икономични и ефективни чрез създаване на по-леки, по-бързи и по-здрави космически компоненти.
Докато много проекти все още са във фаза на тестване, лазерното адитивно производство вече е използвано успешно при две мисии до Марс. Марсоходът на НАСА Curiosity, който кацна през август 2012 г., беше първата мисия, която донесе 3D отпечатани части на Марс. Това е керамичен компонент в инструмента за анализ на проби на Марс (SAM), част от текуща програма за тестване за изследване на надеждността на техниките за адитивно производство.
Междувременно марсоходът Perseverance на НАСА, който кацна на Марс през февруари 2021 г., съдържа 11 метални части, които са допълнително произведени с лазери. Пет от тези компоненти са в Планетарния инструмент за рентгенова литохимия (PIXL) на Perseverance, който търси признаци на фосилен микробен живот на Марс. Тези части трябва да са толкова леки, че традиционните техники като коване, формоване и рязане да не могат да ги произведат.
НАСА също експериментира с лазерно адитивно производство на ракетни компоненти. В едно проучване горивната камера на ракетен двигател е изработена от медна сплав. Продължаващото развитие на това лазерно адитивно производство доведе до това, че частта се произвежда на приблизително половината от разходите и за една шеста от времето, необходимо за традиционната обработка, свързване и сглобяване. Тъй като използваната медна сплав е силно отразяваща за инфрачервените лазери, НАСА сега проучва как зелените или сините лазери могат да подобрят ефективността и производителността.
Докато използването на адитивното производство в космическата промишленост е все още в ранен етап, се очаква то да нарасне през следващите 20 години.
Лазерно текстуриране
Лазерното текстуриране също е много ново приложение в космическата индустрия. В този процес ултрабързите лазери се използват за създаване на микро-наноструктури на повърхността на самолета чрез техника, наречена директна лазерна интерференция (DLIP), която се използва за създаване на естествен "лотосов ефект", който създава наноструктури, които помагат за предотвратяване на повърхността замърсяване и предотвратяване натрупването на лед върху самолета.
Иновативната оптика разделя мощен свръхбърз лазерен импулс на няколко частични лъча, които след това се комбинират върху повърхността, която ще се обработва. Когато се гледа под микроскоп, получената микроструктура прилича на микроскопични "зали", направени от "стълбове" или гофри. Разстоянието между "стълбовете" е около 150 nm до 30 μm - тази структура означава, че водните капчици вече не могат да мокрят повърхността и да се придържат към нея, защото нямат достатъчно сцепление с повърхността.
Предимствата на материала за самолети включват повишена устойчивост на вода, лед и насекоми. Те могат да залепнат за повърхността на самолета и да увеличат устойчивостта на вятъра на самолета, като по този начин увеличат разхода на гориво. Прилагането на това лазерно текстуриране би намалило необходимостта от токсични химични обработки, прилагани в момента върху повърхностите на самолетите, за да се избегне заледяване. Известно е, че старее и става податлив на увреждане с течение на времето. Освен това лазерните структури, произведени с метода DLIP, могат да издържат с години, без да причиняват опасения за околната среда.
