Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dunia aeroangkasa—termasuk pesawat komersial dan tentera, satelit, kapal angkasa, dron dan kenderaan udara tanpa pemandu (UAV)—telah mengalami beberapa perubahan dramatik. Semakin banyak syarikat menyertai perlumbaan angkasa lepas, kebanyakannya memerlukan teknologi pembuatan yang inovatif.
Sebaliknya, kesan sekatan perjalanan ke atas penerbangan komersial yang disebabkan oleh wabak mahkota baharu telah menyebabkan kadar pengeluaran pesawat awam menurun sebanyak satu pertiga.
Pada 2019, Eropah merupakan salah satu peneraju dunia dalam pengeluaran pesawat awam dan helikopter, termasuk pelbagai komponen dan enjin pesawat, menyokong sekitar 400,000 pekerjaan dan menjana pendapatan sebanyak 130 bilion euro. Walaupun penerokaan dan pertahanan angkasa lepas sebahagian besarnya tidak terjejas oleh wabak itu, pengeluaran pesawat awam masih pulih.
Dalam "Ketidakpastian dalam Aeroangkasa Komersial" (Ketidakpastian dalam Aeroangkasa Komersial), yang diterbitkan pada Februari 2023, McKinsey, sebuah syarikat perunding dan penyelidikan terkenal, melaporkan bahawa dunia perlu mencerna pembinaan 9,400 pesawat penumpang (terutamanya jet berbadan sempit ) menjelang akhir 2027. pesawat) tunggakan. Tetapi terdapat ketidakpastian tentang pertumbuhan masa depan trafik penumpang udara, kesihatan rantaian bekalan dan tenaga kerja. Akibatnya, pengeluar perlu meningkatkan kecekapan pengeluaran dan fleksibiliti untuk menangani tunggakan dan bertindak balas terhadap perubahan permintaan pada masa hadapan.
Keupayaan pemprosesan laser untuk meningkatkan produktiviti dan mengekalkan kos yang rendah mungkin memainkan peranan penting dalam membolehkan tindak balas daripada industri aeroangkasa ini. Pemprosesan laser - operasi dalam bentuk pemotongan, kimpalan, peening dan penggerudian - telah menjadi bahagian penting dalam pembuatan aeroangkasa.
Sebagai contoh, laser digunakan untuk membuat kepak untuk sayap pesawat, pengikat sayap, bahagian enjin jet, dan bahagian tempat duduk, dan juga digunakan untuk membaiki turbin, membersihkan atau mengeluarkan cat daripada bahagian, dan menyediakan bahagian untuk pemprosesan selanjutnya. bahagian permukaan. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, pembuatan aditif laser (AM) juga semakin popular dalam penerbangan angkasa lepas. Di samping itu, pasaran berharap untuk meningkatkan kebolehkesanan komponen aeroangkasa, dan keperluan untuk penandaan laser juga semakin meningkat.
Pemotongan laser dan kimpalan
Pemotongan laser ialah proses yang cepat, kos efektif dan tepat yang digunakan untuk memenuhi keperluan pembuatan yang menuntut sektor aeroangkasa.
Berbanding dengan pemprosesan tradisional, pemotongan laser mempunyai ketepatan yang tinggi, kurang bahan buangan, kelajuan pemprosesan yang cepat, kos rendah dan kurang penyelenggaraan peralatan. Di samping itu, ia memaksimumkan produktiviti kerana ia membuat sebarang perubahan yang diperlukan untuk pemesinan dengan cepat dan mudah.
Laser boleh digunakan untuk menghasilkan bahagian pengikat sayap, bahagian jig, bahagian efektor hujung, bahagian perkakas dan banyak lagi. Ia sama-sama sesuai untuk komponen kecil seperti gasket minyak cantuman dan manifold saluran berdarah titanium, serta komponen yang lebih besar seperti kon ekzos. Ia boleh memesin pelbagai jenis bahan aeroangkasa, termasuk aluminium, Hastelloy (nikel yang telah dialoi dengan unsur-unsur seperti molibdenum dan kromium), Inconel, Nitinol, Nitinol, keluli tahan karat, tantalum dan titanium.
Kimpalan laser juga digunakan dalam aeroangkasa sebagai alternatif kepada kaedah penyambungan tradisional seperti ikatan pelekat dan pengikat mekanikal. Sebagai contoh, penggunaan kimpalan laser aloi aluminium ringan dan polimer bertetulang gentian karbon (CFRP) dalam pembinaan pesawat semakin menarik dan sedang digunakan untuk menggantikan rivet di mana mungkin. Teknik seperti kimpalan anyaman laser juga telah berjaya dalam menyertai tangki bahan api, meningkatkan kecekapan dan kekuatan sendi, mengurangkan kerja semula, dan menjimatkan banyak wang. Kejayaan kimpalan lain dalam aeroangkasa termasuk menyambungkan teras tuangan bilah turbin ke plat penutup; dan mencipta jenis kepak sayap ringan baharu yang meningkatkan kawalan aliran laminar, meminimumkan seretan dan mengoptimumkan kecekapan bahan api.
Kimpalan laser mempunyai potensi untuk menjimatkan kos, mengurangkan berat komponen dan meningkatkan kualiti kimpalan berbanding kaedah tradisional, dan beberapa pengeluar sedang mempertimbangkan kimpalan laser untuk pengeluaran bahagian kerangka udara.
Lpembersihan aser
Pengeluar dalam sektor aeroangkasa menggunakan pembersihan laser untuk mengeluarkan lapisan logam dan permukaan komposit sebagai persediaan untuk pemesinan, untuk menanggalkan salutan atau kakisan, dan untuk mengeluarkan cat daripada komponen besar atau keseluruhan pesawat sebelum mengecat semula.
Semasa proses pembersihan, laser diserap dan disejat oleh permukaan logam, dengan itu mencapai ablasi bahan permukaan, sementara mempunyai sedikit kesan pada bahan lapisan dalam, dan tidak akan menyebabkan kerosakan haba sampingan pada komponen. Laser gentian berdenyut dalam kelas kilowatt amat sesuai untuk pembersihan laser pantas - ia membolehkan pembersihan yang cekap dan berketepatan tinggi bagi pelbagai jenis bahan termasuk seramik, komposit, logam dan plastik.
Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, penggunaan bahan komposit dalam pesawat telah meningkat, dan begitu juga keperluan untuk menggabungkan logam dengan bahan komposit. Dalam pembuatan aeroangkasa, pelekat boleh digunakan untuk menyambung dua bahan yang berbeza ini. Untuk mencipta ikatan yang kuat, kedua-dua permukaan mesti disediakan dengan teliti sebelum pelekat digunakan.
Pembersihan laser adalah ideal kerana ia menghasilkan kemasan permukaan yang dikawal dengan sangat ketat dan boleh dihasilkan semula yang membolehkan ikatan yang konsisten dan boleh diramal. Secara tradisinya, ini akan dilakukan melalui teknik letupan yang merosakkan atau penggunaan beberapa bahan kimia. Walau bagaimanapun, pembersihan laser kini menawarkan kaedah satu langkah yang bukan sahaja lebih menjimatkan kos dan produktif tetapi juga mempunyai kesan alam sekitar yang lebih rendah kerana tiada bahan kimia toksik atau bahan letupan diperlukan. Pembersihan laser juga lebih lembut pada bahagian daripada kaedah tradisional.
Pembersihan laser bahagian logam dan komposit pesawatjuga lebih berfaedah daripada teknik pelucutan kimia atau letupan apabila ia berkaitan dengan pelucutan cat. Semasa hayat bergunanya, pesawat mungkin dicat semula 4-5 kali, dan mungkin mengambil masa seminggu atau lebih untuk mengeluarkan cat daripada keseluruhan pesawat menggunakan teknik tradisional. Sebaliknya, pembersihan laser boleh mengurangkan masa ini kepada 3-4 hari, bergantung pada saiz pesawat dan ia juga menjadikan bahagian lebih mudah diakses oleh pekerja. Tambahan pula, apabila digunakan untuk penyingkiran cat dan bukannya pelucutan atau letupan kimia, pembersihan laser menawarkan penjimatan kos yang ketara – beribu-ribu paun bagi setiap pesawat, kerana sisa berbahaya dikurangkan sekitar 90 peratus atau lebih dan keperluan pengendalian bahan dikurangkan.
Laser peening/laser shock peening
Tekanan dalam komponen logam boleh menyebabkan kegagalan keletihan logam dalam komponen pesawat seperti bilah kipas dalam enjin jet, yang berpotensi menyebabkan kerosakan atau kecederaan. Ini boleh dikurangkan dengan teknik yang dikenali sebagai laser peening.
Dalam proses ini, denyutan cahaya laser diarahkan ke kawasan kepekatan tekanan tinggi, dan setiap nadi menyalakan letupan kecil plasma di antara permukaan komponen dan lapisan air yang disembur di atas. Lapisan air mengehadkan letupan, yang menyebabkan gelombang kejutan menembusi komponen dan menjana tegasan sisa mampatan apabila kawasan perambatannya mengembang. Tegasan ini mengatasi keretakan dan bentuk keletihan logam yang lain. Berbanding dengan proses tradisional, pengukuhan laser boleh memanjangkan hayat perkhidmatan bahagian logam sebanyak 10-15 kali.
Laser peening semakin digunakan dalam industri aeroangkasa. Sebagai contoh, LSP Technologies dan Airbus telah bersama-sama membangunkan sistem laser peening mudah alih yang baru-baru ini diuji dan dinilai di kemudahan penyelenggaraan dan pembaikan Airbus di Toulouse, Perancis.
Sistem peening laser Leopard akan memanjangkan hayat keletihan dengan menghalang permulaan dan penyebaran keretakan yang disebabkan oleh tekanan getaran kitaran. Fleksibiliti penghantaran rasuk gentian optik dan alat tersuai membolehkan sistem menerangi kawasan yang sukar dicapai oleh pesawat. Menurut rakan kongsi, sistem itu merupakan satu kejayaan dalam teknologi pengukuhan laser yang akan memajukan penggunaannya, termasuk memanjangkan hayat bilah enjin jet dan banyak lagi.
Pusat Kesediaan Armada Tentera Laut AS Timur (FRCE) juga baru-baru ini menyelesaikan pengesahan proses pengesan kejutan laser yang telah berjaya digunakan pada pesawat F-35B Lightning II. FRCE menggunakan proses tersebut untuk mengukuhkan bingkai F-35B Lightning II tanpa menambah sebarang bahan atau berat tambahan yang sebaliknya akan mengehadkan keupayaan bahan api atau pembawa senjatanya. Ini membantu memanjangkan jangka hayat jet pejuang generasi kelima, varian lepas landas dan pendaratan pendek yang digunakan oleh Kor Marin AS.
Lpenggerudian aser
Enjin aero moden mempunyai kira-kira 500,000 lubang, kira-kira 100 kali ganda lebih banyak daripada enjin yang dibina pada tahun 1980-an. Pada masa yang sama, pengeluar pesawat menghasilkan semakin banyak komponen lain yang menampilkan sejumlah besar lubang gerudi untuk rivet dan skru. Oleh itu, dalam bidang aeroangkasa, penggerudian laser mempunyai potensi pasaran yang besar, kerana ia menyediakan proses yang tepat, boleh berulang, cepat, dan kos efektif.
Sebagai contoh, sistem laser femtosaat berkuasa tinggi baharu sedang dibangunkan untuk penggerudian mikro yang cekap dan tepat bagi panel titanium HLFC (Kawalan Aliran Laminar Hibrid) yang besar untuk dipasang pada sayap atau penstabil empennage. Panel ini menarik udara melalui lubang kecil, yang mengurangkan seretan geseran dan mengurangkan penggunaan bahan api.
Oleh kerana penggerudian laser adalah tanpa sentuhan, bahan yang dimesin tidak perlu diperbaiki dengan cara yang sama seperti dengan alat konvensional. Satu lagi kelebihan tanpa sentuhan ialah ketiadaan haus alatan, yang mewakili kelebihan tertentu dalam operasi penggerudian untuk komponen CFRP. Oleh kerana kekerasannya, komponen CFRP boleh menjadi sangat kasar kepada alat konvensional. Penggerudian laser juga boleh dilakukan pada kelajuan yang sangat tinggi supaya kerosakan yang berlebihan daripada haba tidak membahayakan bahan yang sedang diproses.
Apembuatan tambahan
Pengilangan aditif laser (AM) juga telah dibangunkan dengan pesat dalam industri aeroangkasa. Dalam teknik ini, laser mencairkan lapisan serbuk berturut-turut untuk membina bentuk. Sebuah syarikat roket yang berpangkalan di California baru-baru ini malah menempah dua 12-pencetak 3D sinar laser untuk menjadikan misi angkasanya lebih menjimatkan dan cekap dengan mencipta komponen angkasa yang lebih ringan, lebih pantas dan lebih kuat.
Walaupun banyak projek masih dalam fasa ujian, pembuatan aditif laser telah berjaya digunakan dalam dua misi ke Marikh. Rover Curiosity NASA, yang mendarat pada Ogos 2012, merupakan misi pertama untuk membawa bahagian bercetak 3D ke Marikh. Ini ialah komponen seramik dalam instrumen Analisis Sampel di Marikh (SAM), sebahagian daripada program ujian berterusan untuk menyiasat kebolehpercayaan teknik pembuatan aditif.
Sementara itu, rover Perseverance NASA, yang mendarat di Marikh pada Februari 2021, mengandungi 11 bahagian logam yang dihasilkan secara tambahan dengan laser. Lima daripada komponen ini terdapat dalam Instrumen Planetary Perseverance untuk X-ray Lithochemistry (PIXL), yang sedang mencari tanda-tanda kehidupan mikrob fosil di Marikh. Bahagian ini perlu sangat ringan sehingga teknik tradisional seperti penempaan, pengacuan, dan pemotongan tidak dapat menghasilkannya.
NASA juga telah bereksperimen dengan pembuatan bahan tambahan laser bagi komponen roket. Dalam satu kajian, kebuk pembakaran enjin roket dibuat daripada aloi kuprum. Pembangunan berterusan pembuatan aditif laser ini telah menyebabkan bahagian itu dikeluarkan pada kira-kira separuh daripada kos dan dalam satu perenam masa yang diperlukan untuk pemesinan, penyambungan dan pemasangan tradisional. Memandangkan aloi tembaga yang digunakan sangat memantulkan laser inframerah, NASA kini sedang menyiasat bagaimana laser hijau atau biru boleh meningkatkan kecekapan dan produktiviti.
Walaupun penggunaan pembuatan bahan tambahan dalam aeroangkasa masih di peringkat awal, ia dijangka berkembang dalam tempoh 20 tahun akan datang.
Tekstur laser
Tekstur laser juga merupakan aplikasi yang sangat baru dalam industri aeroangkasa. Dalam proses ini, laser ultrafast digunakan untuk mencipta struktur mikro-nano pada permukaan pesawat melalui teknik yang dipanggil corak gangguan laser langsung (DLIP), yang digunakan untuk mencipta "kesan lotus" semula jadi, yang mencipta struktur nano yang membantu menghalang permukaan. pencemaran dan mencegah pembentukan ais pada pesawat.
Optik inovatif membelah nadi laser ultrafast yang kuat kepada beberapa rasuk separa, yang kemudiannya digabungkan pada permukaan untuk diproses. Apabila dilihat di bawah mikroskop, struktur mikro yang terhasil menyerupai "dewan" mikroskopik yang diperbuat daripada "tiang" atau beralun. Jarak antara "tiang" adalah kira-kira 150nm hingga 30μm - struktur ini bermakna titisan air tidak lagi boleh membasahi permukaan dan melekat padanya kerana ia tidak mempunyai cengkaman yang mencukupi pada permukaan.
Faedah bahan untuk pesawat termasuk peningkatan air, ais, dan penghalau serangga. Ini boleh melekat pada permukaan pesawat dan meningkatkan rintangan angin pesawat, dengan itu meningkatkan penggunaan bahan api. Menggunakan penteksuran laser ini akan mengurangkan keperluan untuk rawatan kimia toksik yang digunakan pada permukaan pesawat untuk mengelakkan aisingan. Ia diketahui semakin tua dan terdedah kepada kerosakan dari semasa ke semasa. Tambahan pula, struktur laser yang dihasilkan dengan kaedah DLIP boleh bertahan selama bertahun-tahun tanpa menyebabkan kebimbangan alam sekitar.
