Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, sektor aeroangkasa - termasuk pesawat komersial dan tentera, satelit, kapal angkasa, dron dan kenderaan udara tanpa pemandu (UAV) - telah mengalami beberapa perubahan besar. Semakin banyak syarikat telah menyertai perlumbaan angkasa lepas, kebanyakannya memerlukan teknologi pembuatan yang inovatif.
Sebaliknya, kesan sekatan perjalanan yang disebabkan oleh pandemik terhadap penerbangan komersial telah menyebabkan penurunan satu pertiga dalam kadar pembuatan pesawat awam.
Pada tahun 2019, Eropah merupakan salah satu peneraju global dalam pengeluaran pesawat awam dan helikopter (termasuk pelbagai komponen dan enjin pesawat), menyediakan kira-kira 400,000 pekerjaan dan menjana pendapatan €130 bilion. Walaupun penerokaan dan pertahanan angkasa lepas sebahagian besarnya tidak terjejas oleh pandemik New Crown, pengeluaran dan pembuatan pesawat awam masih dalam fasa pemulihan.
Dalam penerbitan Februari 2023, Ketidakpastian dalam Aeroangkasa Komersial, firma perunding dan penyelidikan terkemuka McKinsey melaporkan bahawa dunia perlu menyerap pesanan tertunggak untuk membina 9,400 pesawat penumpang (terutamanya jet badan sempit) menjelang akhir tahun 2027. Tetapi terdapat ketidakpastian tentang pertumbuhan masa depan pengangkutan penumpang udara, rantaian bekalan dan kekukuhan tenaga kerja. Akibatnya, pengilang perlu meningkatkan produktiviti 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 ini dalam industri aeroangkasa. Pemprosesan laser - dalam bentuk operasi pemotongan, kimpalan, pukulan peening dan penggerudian - telah menjadi bahagian penting dalam pembuatan aeroangkasa.
Sebagai contoh, laser digunakan untuk mengeluarkan kepak sayap pesawat, pengikat sayap, komponen enjin jet dan bahagian tempat duduk, serta untuk membaiki turbin, membersihkan atau mengeluarkan cat daripada bahagian dan menyediakan permukaan komponen untuk pemprosesan selanjutnya. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, pembuatan aditif laser (AM) juga telah menjadi semakin popular dalam sektor penerbangan aeroangkasa. Di samping itu, pasaran mahu meningkatkan kebolehkesanan komponen aeroangkasa, dan dengan itu, permintaan untuk penandaan laser semakin meningkat.
Pemotongan laser dan kimpalan
Pemotongan laser ialah proses yang pantas, kos efektif dan tepat yang boleh digunakan untuk memenuhi keperluan pembuatan yang menuntut sektor aeroangkasa.
Berbanding dengan pemprosesan tradisional, pemotongan laser menawarkan ketepatan yang tinggi, kurang sisa bahan, kelajuan pemprosesan yang lebih pantas, kos yang lebih rendah dan kurang penyelenggaraan peralatan. Selain itu, produktiviti boleh dimaksimumkan kerana ia membolehkan sebarang perubahan yang diperlukan kepada proses dibuat dengan cepat dan mudah.
Laser boleh digunakan untuk menghasilkan bahagian pengikat sayap, bahagian lekapan, bahagian efek akhir, bahagian perkakas, dll. Ia juga sesuai untuk bahagian kecil, seperti gasket minyak cantuman dan manifold tiub pandu titanium, serta bahagian yang lebih besar, seperti sebagai kon ekzos. Ia boleh memproses pelbagai 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 pembuatan pesawat semakin dihargai dan digunakan di mana mungkin untuk menggantikan sambungan rivet. Teknologi seperti kimpalan ayunan laser juga telah berjaya dalam sambungan tangki bahan api, meningkatkan kecekapan dan kekuatan sambungan, mengurangkan kerja semula dan memberikan penjimatan kos yang ketara. Kejayaan kimpalan lain dalam aeroangkasa termasuk memasang teras tuangan bilah turbin pada penutup; dan mencipta jenis kepak sayap ringan baharu yang meningkatkan kawalan aliran laminar, meminimumkan seretan dan mengoptimumkan kecekapan bahan api.
Dengan potensi untuk penjimatan kos, pengurangan berat komponen dan kualiti kimpalan yang lebih baik berbanding kaedah tradisional, beberapa pengeluar di pasaran malah kini mempertimbangkan kimpalan laser untuk bahagian kerangka pesawat udara.
Pembersihan laser
Pengeluar dalam sektor aeroangkasa menggunakan pembersihan laser untuk menanggalkan lapisan daripada permukaan logam dan komposit sebagai persediaan untuk pemesinan, untuk menanggalkan salutan atau kakisan, dan untuk menanggalkan cat daripada bahagian besar atau keseluruhan pesawat sebelum mengecat semula.
Semasa proses pembersihan, cahaya laser diserap dan disejat oleh lapisan permukaan logam, mengakibatkan ablasi bahan permukaan dengan sedikit atau tiada kesan pada lapisan dalam dan tiada kerosakan terma cagaran pada komponen. Laser gentian berdenyut kelas kilowatt amat sesuai untuk pembersihan laser pantas - ia boleh membersihkan pelbagai jenis bahan, termasuk seramik, komposit, logam dan plastik, dengan kecekapan dan ketepatan yang tinggi.
Penggunaan komposit dalam pesawat telah meningkat dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dan begitu juga dengan keperluan untuk menggabungkan logam kepada komposit. Dalam pembuatan aeroangkasa, pelekat boleh digunakan untuk menyambung dua bahan berbeza ini, dan untuk mewujudkan ikatan yang kuat, kedua-dua permukaan mesti disediakan dengan teliti untuk diproses sebelum pelekat digunakan.
Pembersihan laser ialah pilihan yang ideal kerana ia menghasilkan kesan permukaan yang dikawal dengan ketat dan boleh dihasilkan semula yang mampu mencapai ikatan yang konsisten dan boleh diramal. Secara tradisinya, ini akan dicapai melalui teknik letupan yang merosakkan atau penggunaan beberapa bahan kimia. Walau bagaimanapun, pembersihan laser kini menawarkan pendekatan satu langkah yang bukan sahaja lebih kos efektif dan produktif, tetapi juga mempunyai kesan alam sekitar yang jauh lebih rendah kerana tiada bahan kimia toksik atau bahan letupan diperlukan. Pembersihan laser juga lebih lembut pada bahagian daripada kaedah tradisional.
Pembersihan laser bagi logam dan komponen pesawat komposit juga lebih berfaedah daripada teknik pelucutan kimia atau letupan apabila ia berkaitan dengan pelucutan cat. Sepanjang hayatnya, 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 memberikan pekerja akses yang lebih mudah kepada bahagian-bahagian tersebut. Di samping itu, apabila digunakan untuk menanggalkan cat dan bukannya pelucutan atau letupan kimia, pembersihan laser boleh menghasilkan penjimatan kos yang ketara - beribu-ribu paun bagi setiap pesawat - kerana sisa berbahaya dikurangkan sebanyak kira-kira 90 peratus atau lebih dan keperluan pengendalian bahan dikurangkan.
Letupan Laser/Peening Kesan Laser
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 laser diarahkan ke kawasan dengan kepekatan tegasan tinggi, dan setiap nadi menyalakan letupan plasma kecil 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 lain-lain bentuk keletihan logam. Laser peening boleh memanjangkan hayat perkhidmatan bahagian logam sebanyak 10-15 kali berbanding dengan proses konvensional.
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 kemunculan dan pengembangan retakan yang disebabkan oleh tekanan getaran kitaran. Fleksibiliti penghantaran rasuk gentian optik dan perkakasan tersuai membolehkan sistem untuk laser kawasan yang sukar dicapai pesawat. Menurut rakan kongsi, sistem itu merupakan satu kejayaan dalam teknologi laser peening dan akan memajukan penggunaannya, termasuk memanjangkan hayat bilah enjin jet, antara lain.
Pusat Kesediaan Armada Tentera Laut AS Timur (FRCE) juga baru-baru ini menyelesaikan pengesahan proses pengukuhan kesan 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 pesawat pejuang generasi kelima itu, versi lepas landas dan pendaratan pendek yang digunakan oleh Kor Marin AS.
Penggerudian Laser
Enjin aero moden mempunyai kira-kira 500,000 lubang, kira-kira 100 kali ganda bilangan enjin yang dibina pada tahun 1980-an. Pada masa yang sama, pengeluar pesawat menghasilkan lebih banyak komponen lain yang mempunyai sejumlah besar lubang gerudi untuk sambungan rivet dan skru. Oleh itu penggerudian laser mempunyai potensi pasaran yang besar dalam sektor aeroangkasa kerana ia menawarkan proses yang tepat, boleh berulang, pantas dan menjimatkan kos.
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 yang akan dipasang pada penstabil sayap atau ekor. Panel ini menarik udara melalui lubang kecil, dengan itu mengurangkan seretan geseran dan mengurangkan penggunaan bahan api.
Laser Imej semakin digunakan untuk menggerudi komponen pesawat CFRP
(Kredit imej: Pusat Laser Hannover)
Memandangkan penggerudian laser adalah tanpa sentuhan, bahan yang diproses tidak perlu dipegang dengan cara yang sama seolah-olah ia sedang diproses dengan alat konvensional. Satu lagi kelebihan tanpa sentuh ialah tiada kehausan alatan berlaku, yang mewakili kelebihan tertentu dalam operasi penggerudian komponen CFRP. Oleh kerana kekerasannya, komponen CFRP boleh menyebabkan kehausan yang sangat tinggi pada alat konvensional. Penggerudian laser juga boleh dilakukan pada kelajuan yang sangat tinggi, supaya kerosakan yang berlebihan daripada haba tidak membahayakan bahan yang sedang diproses.
Pembuatan Aditif
Pengilangan aditif laser (AM) juga mendapat momentum pesat dalam industri aeroangkasa. Dalam teknik ini, laser mencairkan lapisan serbuk berterusan untuk membina bentuk. Sebuah syarikat roket yang berpangkalan di California baru-baru ini telah menempah dua 12-pencetak 3D pancaran 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 Sample Analysis on Mars (SAM), sebahagian daripada program ujian berterusan untuk menyiasat kebolehpercayaan teknologi pembuatan aditif.
Sementara itu, rover Trailblazer NASA, yang mendarat di Marikh pada Februari 2021, mengandungi 11 bahagian logam buatan aditif laser. Lima daripada bahagian itu berada dalam Instrumen Planetary Trail untuk Lithochemistry X-ray (PIXL), yang sedang mencari tanda-tanda kehidupan fosil mikrob di Marikh. Bahagian-bahagian ini perlu sangat ringan sehingga tidak boleh dihasilkan dengan teknik penempaan, pengacuan dan pemotongan tradisional.
NASA juga telah bereksperimen dengan pembuatan bahan tambahan laser bagi komponen roket. Dalam satu kajian, kebuk pembakaran enjin roket dibuat daripada aloi kuprum. Perkembangan berterusan pembuatan aditif laser ini telah menghasilkan komponen yang boleh dikeluarkan pada kira-kira separuh daripada kos dan satu perenam masa yang diperlukan untuk pemesinan, penyambungan dan pemasangan tradisional. Oleh kerana aloi tembaga yang digunakan sangat mencerminkan 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.
Penghasilan laser
Penghasilan 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 dikenali sebagai corak interferometrik laser langsung (DLIP), yang digunakan untuk mencipta "kesan teratai" semula jadi, mencipta struktur nano yang membantu mencegah pencemaran permukaan dan ais. penumpukan pada pesawat.
Optik yang inovatif membelah nadi laser ultrafast yang kuat kepada beberapa rasuk separa, yang kemudiannya digabungkan pada permukaan yang sedang diproses. Apabila dilihat di bawah mikroskop, struktur mikro yang terhasil menyerupai "dewan" mikroskopik "tiang" atau riak. Jarak antara "tiang" adalah antara kira-kira 150nm dan 30µm - struktur yang bermaksud titisan air tidak lagi membasahi permukaan dan melekat padanya kerana ia tidak mempunyai cengkaman yang mencukupi pada permukaan.
Faedah bahan ini untuk pesawat termasuk peningkatan tolakan air, ais dan serangga. Ini boleh melekat pada permukaan pesawat dan meningkatkan daya tahan pesawat terhadap angin, sekali gus meningkatkan penggunaan bahan api. Penggunaan tekstur laser ini akan mengurangkan keperluan untuk rawatan kimia toksik yang sedang digunakan pada permukaan pesawat untuk mengelakkan aising. Ia diketahui merosot dari semasa ke semasa dan terdedah kepada kerosakan. Tambahan pula, struktur laser yang dihasilkan oleh kaedah DLIP boleh bertahan selama beberapa tahun dan tidak menyebabkan masalah alam sekitar.
