In de afgelopen jaren heeft de wereld van de lucht- en ruimtevaart – inclusief commerciële en militaire vliegtuigen, satellieten, ruimtevaartuigen, drones en onbemande luchtvaartuigen (UAV’s) – een aantal ingrijpende veranderingen ondergaan. Steeds meer bedrijven doen mee aan de ruimtewedloop, waarvan vele innovatieve productietechnologieën nodig hebben.
Daarentegen heeft de impact van reisbeperkingen op de commerciële luchtvaart als gevolg van de nieuwe kroonepidemie ervoor gezorgd dat de productie van civiele vliegtuigen met een derde is gedaald.
In 2019 was Europa een van de wereldleiders in de productie van burgervliegtuigen en helikopters, inclusief verschillende onderdelen en vliegtuigmotoren, goed voor ongeveer 400{2}} banen en een omzet van 130 miljard euro. Hoewel de verkenning en verdediging van de ruimte grotendeels onaangetast zijn gebleven door de pandemie, herstelt de productie van civiele vliegtuigen zich nog steeds.
In de "Uncertainty in Commercial Aerospace" (Uncertainty in Commercial Aerospace), gepubliceerd in februari 2023, meldde McKinsey, een bekend advies- en onderzoeksbureau, dat de wereld de bouw van 9.400 passagiersvliegtuigen (voornamelijk narrow-body jets) moet verwerken ) tegen eind 2027. vliegtuigen) achterstand. Maar er is onzekerheid over de toekomstige groei van het luchtpassagiersverkeer, de gezondheid van toeleveringsketens en het personeelsbestand. Als gevolg hiervan moeten fabrikanten de productie-efficiëntie en flexibiliteit verhogen om achterstanden aan te pakken en te reageren op toekomstige veranderingen in de vraag.
Het vermogen van laserverwerking om de productiviteit te verhogen en de kosten laag te houden, kan een sleutelrol spelen bij het mogelijk maken van deze reactie van de lucht- en ruimtevaartindustrie. Laserbewerking - bewerkingen in de vorm van snijden, lassen, penen en boren - is een integraal onderdeel geworden van de lucht- en ruimtevaartproductie.
Lasers worden bijvoorbeeld gebruikt voor het maken van flappen voor vliegtuigvleugels, vleugelbevestigingen, straalmotoronderdelen en stoelonderdelen, maar ook voor het repareren van turbines, het reinigen of verwijderen van verf van onderdelen en het voorbereiden van onderdelen voor verdere verwerking. deel oppervlak. De laatste jaren is laser additive manufacturing (AM) ook in de ruimtevaart steeds populairder geworden. Daarnaast hoopt de markt de traceerbaarheid van ruimtevaartcomponenten te verbeteren en nemen ook de eisen aan lasermarkering toe.
Lasersnijden en lassen
Lasersnijden is een snel, kosteneffectief en nauwkeurig proces dat wordt gebruikt om te voldoen aan de veeleisende productie-eisen van de lucht- en ruimtevaartsector.
In vergelijking met traditionele verwerking heeft lasersnijden een hoge precisie, minder materiaalverspilling, een hoge verwerkingssnelheid, lage kosten en minder onderhoud aan apparatuur. Bovendien maximaliseert het de productiviteit omdat het alle noodzakelijke wijzigingen in de bewerking snel en eenvoudig maakt.
Lasers kunnen worden gebruikt om vleugelbevestigingsonderdelen, malonderdelen, eindeffectoronderdelen, gereedschapsonderdelen en meer te produceren. Het is even geschikt voor kleine componenten zoals geënte oliepakkingen en titanium ontluchtingskanaalverdeelstukken, maar ook voor grotere componenten zoals uitlaatkegels. Het kan een breed scala aan lucht- en ruimtevaartmaterialen bewerken, waaronder aluminium, Hastelloy (nikkel dat is gelegeerd met elementen zoals molybdeen en chroom), Inconel, Nitinol, Nitinol, roestvrij staal, tantaal en titanium.
Laserlassen wordt ook in de lucht- en ruimtevaart gebruikt als alternatief voor traditionele verbindingsmethoden zoals lijmen en mechanische bevestiging. Het gebruik van laserlassen van lichtgewicht aluminiumlegeringen en koolstofvezelversterkte polymeren (CFRP) in de vliegtuigbouw wint bijvoorbeeld aan populariteit en wordt waar mogelijk gebruikt om klinken te vervangen. Technieken zoals laserweeflassen zijn ook succesvol geweest bij het verbinden van brandstoftanks, het verbeteren van de efficiëntie en sterkte van de verbindingen, het verminderen van nabewerking en het besparen van veel geld. Andere lassuccessen in de lucht- en ruimtevaart zijn onder meer het verbinden van de gegoten kern van een turbineblad met de afdekplaat; en het creëren van een nieuw type lichtgewicht vleugelklep die de laminaire stromingscontrole verhoogt, de luchtweerstand minimaliseert en het brandstofverbruik optimaliseert.
Laserlassen heeft het potentieel om kosten te besparen, het gewicht van componenten te verminderen en de laskwaliteit te verbeteren in vergelijking met traditionele methoden, en verschillende fabrikanten overwegen momenteel laserlassen voor de productie van vliegtuigonderdelen.
Laser schoonmaken
Fabrikanten in de lucht- en ruimtevaartsector gebruiken laserreiniging om lagen metaal en composietoppervlakken te verwijderen ter voorbereiding op machinale bewerking, om coatings of corrosie te verwijderen en om verf van grote componenten of hele vliegtuigen te verwijderen voordat ze opnieuw worden geverfd.
Tijdens het reinigingsproces wordt de laser geabsorbeerd en verdampt door het metalen oppervlak, waardoor de ablatie van het oppervlaktemateriaal wordt bereikt, terwijl het weinig effect heeft op het materiaal van de binnenlaag en geen incidentele thermische schade aan de componenten veroorzaakt. Gepulste fiberlasers in de kilowattklasse zijn bijzonder geschikt voor snelle laserreiniging - ze maken een efficiënte, zeer nauwkeurige reiniging mogelijk van een grote verscheidenheid aan materialen, waaronder keramiek, composieten, metalen en kunststoffen.
De afgelopen jaren is het gebruik van composietmaterialen in vliegtuigen toegenomen, en daarmee ook de behoefte om metalen tot composietmaterialen te verbinden. In de ruimtevaartindustrie kunnen lijmen worden gebruikt om deze twee ongelijksoortige materialen met elkaar te verbinden. Om een sterke hechting te creëren, moeten de twee oppervlakken zorgvuldig worden voorbereid voordat de lijm wordt aangebracht.
Laserreiniging is ideaal omdat het een zeer strak gecontroleerde, reproduceerbare oppervlakteafwerking creëert die een consistente, voorspelbare hechting mogelijk maakt. Traditioneel zou dit worden gedaan door middel van destructieve straaltechnieken of de toepassing van verschillende chemicaliën. Laserreiniging biedt nu echter een eenstapsmethode die niet alleen kosteneffectiever en productiever is, maar ook een lagere impact op het milieu heeft omdat er geen giftige chemicaliën of straalmiddelen nodig zijn. Laserreiniging is ook veel zachter voor onderdelen dan traditionele methodes.
Laserreiniging van metalen en composiet vliegtuigonderdelenis ook voordeliger dan chemische strip- of straaltechnieken als het gaat om het verwijderen van verf. Tijdens zijn levensduur kan een vliegtuig 4-5 keer opnieuw worden geverfd en het kan een week of langer duren om de verf van het hele vliegtuig te verwijderen met traditionele technieken. Laserreiniging daarentegen kan deze tijd verkorten tot 3-4 dagen, afhankelijk van de grootte van het vliegtuig, en het maakt onderdelen ook toegankelijker voor werknemers. Bovendien biedt laserreiniging, wanneer gebruikt voor het verwijderen van verf in plaats van chemisch strippen of stralen, aanzienlijke kostenbesparingen - duizenden euro's per vliegtuig, aangezien gevaarlijk afval met ongeveer 90 procent of meer wordt verminderd en de vereisten voor materiaalbehandeling worden verminderd.
Laserpeening/lasershockpeening
Spanningen in metalen onderdelen kunnen leiden tot metaalmoeheidsstoringen in vliegtuigonderdelen, zoals ventilatorbladen in straalmotoren, wat schade of letsel kan veroorzaken. Dit kan worden verholpen met een techniek die bekend staat als laserpeening.
In dit proces worden pulsen van laserlicht gericht in een gebied met een hoge spanningsconcentratie, en elke puls ontsteekt een kleine explosie van plasma tussen het oppervlak van het onderdeel en een laag water die erop wordt gesproeid. De waterlaag beperkt de explosie, waardoor de schokgolf het onderdeel binnendringt en drukresiduspanningen genereert naarmate het voortplantingsgebied groter wordt. Deze spanningen gaan scheurvorming en andere vormen van metaalmoeheid tegen. Vergeleken met traditionele processen kan laserversterking de levensduur van metalen onderdelen met 10-15 keer verlengen.
Laserstralen wordt steeds vaker gebruikt in de lucht- en ruimtevaartindustrie. Zo hebben LSP Technologies en Airbus samen een draagbaar laserstraalsysteem ontwikkeld dat onlangs is getest en geëvalueerd in de onderhouds- en reparatiefaciliteit van Airbus in Toulouse, Frankrijk.
Het Leopard-laserpeening-systeem verlengt de levensduur van de vermoeiing door het ontstaan en de voortplanting van scheuren veroorzaakt door cyclische trillingsbelasting te remmen. Dankzij de flexibiliteit van de levering van glasvezelbundels en op maat gemaakte hulpmiddelen kan het systeem gebieden met een laser verlichten die moeilijk te bereiken zijn voor vliegtuigen. Volgens de partners is het systeem een doorbraak in laserversterkingstechnologie die het gebruik ervan zal bevorderen, onder meer door de levensduur van straalmotorbladen te verlengen.
Het Fleet Readiness Center East (FRCE) van de Amerikaanse marine heeft onlangs ook de validatie afgerond van een lasershock-peening-proces dat met succes is gebruikt op het F-35B Lightning II-vliegtuig. FRCE gebruikte het proces om het frame van de F-35B Lightning II te versterken zonder extra materiaal of gewicht toe te voegen dat anders de brandstof- of wapencapaciteiten zou beperken. Dit helpt de levensverwachting te verlengen van straaljagers van de vijfde generatie, de korte start- en landingsvarianten die door het Amerikaanse Korps Mariniers worden gebruikt.
Laser boren
Moderne vliegtuigmotoren hebben ongeveer 500,000 gaten, ongeveer 100 keer zoveel als motoren die in de jaren tachtig zijn gebouwd. Tegelijkertijd produceren vliegtuigfabrikanten steeds meer andere componenten met een groot aantal boorgaten om te klinken en te schroeven. Daarom heeft laserboren op het gebied van ruimtevaart een enorm marktpotentieel, omdat het een nauwkeurig, herhaalbaar, snel en kosteneffectief proces biedt.
Er worden bijvoorbeeld nieuwe krachtige femtoseconde lasersystemen ontwikkeld voor het efficiënt en nauwkeurig microboren van grote titanium HLFC-panelen (Hybrid Laminar Flow Control) die op vleugel- of staartstabilisatoren moeten worden gemonteerd. Deze panelen zuigen lucht aan door kleine gaatjes, wat de wrijvingsweerstand vermindert en het brandstofverbruik verlaagt.
Omdat laserboren contactloos is, hoeft het te bewerken materiaal niet op dezelfde manier te worden gefixeerd als bij conventioneel gereedschap. Een ander voordeel van contactloos werken is de afwezigheid van gereedschapsslijtage, wat met name een voordeel is bij boorwerkzaamheden voor CFRP-componenten. Vanwege de hardheid kunnen CFRP-componenten zeer schurend zijn voor conventioneel gereedschap. Laserboren kan ook met zeer hoge snelheden worden uitgevoerd, zodat overmatige schade door hitte het te bewerken materiaal niet beschadigt.
Additieve fabricage
Laser additive manufacturing (AM) is ook snel ontwikkeld in de lucht- en ruimtevaartindustrie. Bij deze techniek smelten lasers opeenvolgende lagen poeder om vormen te bouwen. Een in Californië gevestigd raketbedrijf heeft onlangs zelfs twee 12-laserstraal 3D-printers besteld om zijn ruimtemissies zuiniger en efficiënter te maken door lichtere, snellere en sterkere ruimtecomponenten te maken.
Hoewel veel projecten zich nog in de testfase bevinden, is laser additive manufacturing al met succes toegepast op twee missies naar Mars. NASA's Curiosity rover, die in augustus 2012 landde, was de eerste missie om 3D-geprinte onderdelen naar Mars te brengen. Dit is een keramisch onderdeel in het instrument Sample Analysis at Mars (SAM), onderdeel van een doorlopend testprogramma om de betrouwbaarheid van additive manufacturing-technieken te onderzoeken.
Ondertussen bevat NASA's Perseverance-rover, die in februari 2021 op Mars landde, 11 metalen onderdelen die additief met lasers zijn vervaardigd. Vijf van deze componenten bevinden zich in Perseverance's Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL), dat op zoek is naar tekenen van fossiel microbieel leven op Mars. Deze onderdelen moeten zo licht zijn dat traditionele technieken zoals smeden, gieten en snijden ze niet kunnen produceren.
NASA heeft ook geëxperimenteerd met laser additive manufacturing van raketcomponenten. In één onderzoek was de verbrandingskamer van een raketmotor gemaakt van een koperlegering. De voortdurende ontwikkeling van deze additieve laserproductie heeft ertoe geleid dat het onderdeel wordt vervaardigd tegen ongeveer de helft van de kosten en in een zesde van de tijd die nodig is voor traditionele bewerking, verbinding en assemblage. Omdat de gebruikte koperlegering sterk reflecteert op infraroodlasers, onderzoekt NASA nu hoe groene of blauwe lasers de efficiëntie en productiviteit kunnen verbeteren.
Hoewel het gebruik van additive manufacturing in de lucht- en ruimtevaart nog in de kinderschoenen staat, wordt verwacht dat het de komende 20 jaar zal groeien.
Lasertextuur
Lasertexturisering is ook een heel nieuwe toepassing in de lucht- en ruimtevaartindustrie. In dit proces worden ultrasnelle lasers gebruikt om micro-nanostructuren op het oppervlak van het vliegtuig te creëren door middel van een techniek die Direct Laser Interferentie Patronen (DLIP) wordt genoemd. vervuiling en ijsvorming op vliegtuigen voorkomen.
Innovatieve optica splitsen een krachtige ultrasnelle laserpuls in meerdere deelstralen, die vervolgens op het te bewerken oppervlak worden gecombineerd. Wanneer bekeken onder een microscoop, lijkt de resulterende microstructuur op microscopische "hallen" gemaakt van "pilaren" of golvingen. De afstand tussen de "pilaren" is ongeveer 150 nm tot 30 μm - deze structuur zorgt ervoor dat de waterdruppels het oppervlak niet meer kunnen bevochtigen en eraan blijven kleven omdat ze onvoldoende grip op het oppervlak hebben.
Voordelen van het materiaal voor vliegtuigen zijn onder meer een verhoogde water-, ijs- en insectenwerendheid. Deze kunnen aan het oppervlak van het vliegtuig blijven plakken en de luchtweerstand van het vliegtuig vergroten, waardoor het brandstofverbruik toeneemt. Het toepassen van deze lasertextuur zou de behoefte aan toxische chemische behandelingen die momenteel worden toegepast op vliegtuigoppervlakken verminderen om ijsvorming te voorkomen. Het is bekend dat het na verloop van tijd veroudert en vatbaar wordt voor beschadiging. Bovendien kunnen laserstructuren die met de DLIP-methode zijn geproduceerd, jarenlang meegaan zonder zorgen voor het milieu.
