En els darrers anys, el món aeroespacial, incloent avions comercials i militars, satèl·lits, naus espacials, drons i vehicles aeris no tripulats (UAV) ha experimentat alguns canvis dramàtics. Cada cop més empreses s'uneixen a la carrera espacial, moltes de les quals requereixen tecnologies de fabricació innovadores.
En canvi, l'impacte de les restriccions de viatge a l'aviació comercial causades per la nova epidèmia de la corona ha fet que la taxa de producció d'avions civils caigui en un terç.
El 2019, Europa va ser un dels líders mundials en la producció d'avions civils i helicòpters, inclosos diversos components i motors d'avions, donant suport a uns 400 llocs de treball000 i generant ingressos de 130.000 milions d'euros. Tot i que l'exploració i la defensa espacials no s'han vist afectades per la pandèmia, la producció d'avions civils encara s'està recuperant.
A "Uncertainty in Commercial Aerospace" (Uncertainty in Commercial Aerospace), publicat el febrer de 2023, McKinsey, una coneguda empresa de consultoria i investigació, va informar que el món necessita digerir la construcció de 9.400 avions de passatgers (principalment avions de cos estret). ) a finals de 2027. aeronaus) endarreriment. Però hi ha incertesa sobre el creixement futur del trànsit aeri de passatgers, la salut de les cadenes de subministrament i la força de treball. Com a resultat, els fabricants han d'augmentar l'eficiència i la flexibilitat de la producció per gestionar els retards i respondre als canvis futurs de la demanda.
La capacitat del processament làser per augmentar la productivitat i mantenir els costos baixos pot tenir un paper clau per permetre aquesta resposta de la indústria aeroespacial. El processament làser, operacions en forma de tall, soldadura, granallat i perforació, s'ha convertit en una part integral de la fabricació aeroespacial.
Per exemple, els làsers s'utilitzen per fer flaps per a ales d'avions, elements de subjecció d'ales, peces de motor a reacció i peces de seient, i també s'utilitzen per reparar turbines, netejar o eliminar la pintura de les peces i preparar peces per a un posterior processament. superfície de la part. En els últims anys, la fabricació additiva làser (AM) també ha crescut en popularitat en els vols espacials. A més, el mercat espera millorar la traçabilitat dels components aeroespacials i també augmenten els requisits per al marcatge làser.
Soldadura i tall per làser
El tall per làser és un procés ràpid, rendible i precís que s'utilitza per satisfer els exigents requisits de fabricació del sector aeroespacial.
En comparació amb el processament tradicional, el tall per làser té una alta precisió, menys residus de material, velocitat de processament ràpida, baix cost i menys manteniment d'equips. A més, maximitza la productivitat ja que fa els canvis necessaris al mecanitzat de manera ràpida i senzilla.
Els làsers es poden utilitzar per produir peces de fixació d'ala, peces de plantilla, peces d'efectors finals, peces d'eines i molt més. És igualment adequat per a components petits, com ara juntes d'oli empeltats i col·lectors de conductes de purga de titani, així com per a components més grans com els cons d'escapament. Pot mecanitzar una gran varietat de materials aeroespacials, com ara alumini, Hastelloy (níquel que s'ha aliat amb elements com el molibdè i el crom), Inconel, Nitinol, Nitinol, acer inoxidable, tàntal i titani.
La soldadura per làser també s'utilitza en l'aeronàutica com una alternativa als mètodes tradicionals d'unió, com ara l'enllaç adhesiu i la fixació mecànica. Per exemple, l'ús de la soldadura làser d'aliatges d'alumini lleugers i polímers reforçats amb fibra de carboni (CFRP) en la construcció d'aeronaus està guanyant força i s'està utilitzant per substituir el reblat sempre que sigui possible. Tècniques com la soldadura per teixit làser també han tingut èxit per unir dipòsits de combustible, millorar l'eficiència i la resistència de les unions, reduir el retreball i estalviar molts diners. Altres èxits de soldadura en aeroespacial inclouen unir el nucli fos d'una pala de turbina a la placa de coberta; i la creació d'un nou tipus de solapa d'ala lleugera que augmenta el control del flux laminar, minimitza l'arrossegament i optimitza l'eficiència del combustible.
La soldadura per làser té el potencial d'estalviar costos, reduir el pes dels components i millorar la qualitat de la soldadura en comparació amb els mètodes tradicionals, i actualment diversos fabricants estan considerant la soldadura per làser per a la producció de peces de fusteria.
Lneteja aser
Els fabricants del sector aeroespacial utilitzen la neteja làser per eliminar capes de metall i superfícies compostes en preparació per al mecanitzat, per eliminar recobriments o corrosió i per eliminar la pintura de components grans o d'avions sencers abans de repintar.
Durant el procés de neteja, el làser és absorbit i evaporat per la superfície metàl·lica, aconseguint així l'ablació del material superficial, tot i que té poc efecte sobre el material de la capa interna i no causarà danys tèrmics incidentals als components. Els làsers de fibra polsada de la classe de quilowatts són especialment adequats per a una neteja làser ràpida: permeten una neteja eficient i d'alta precisió d'una gran varietat de materials, com ara ceràmica, compostos, metalls i plàstics.
En els darrers anys, l'ús de materials compostos a les aeronaus ha augmentat, i també ha augmentat la necessitat d'unir metalls amb materials compostos. En la fabricació aeroespacial, es poden utilitzar adhesius per unir aquests dos materials diferents. Per crear una unió forta, les dues superfícies s'han de preparar amb cura abans d'aplicar l'adhesiu.
La neteja amb làser és ideal perquè crea un acabat superficial molt controlat i reproducible que permet una unió consistent i previsible. Tradicionalment, això es faria mitjançant tècniques de voladura destructiva o l'aplicació de diversos productes químics. Tanmateix, la neteja per làser ofereix ara un mètode d'un sol pas que no només és més rendible i productiu, sinó que també té un menor impacte ambiental, ja que no es requereixen productes químics tòxics ni materials de granalla. La neteja amb làser també és molt més suau amb les peces que els mètodes tradicionals.
Neteja làser de peces metàl·liques i compostes d'avionstambé és més beneficiosa que les tècniques de decapat o granallat químics quan es tracta de decapament de pintura. Durant la seva vida útil, una aeronau es pot tornar a pintar 4-5 vegades i pot trigar una setmana o més a treure la pintura de l'aeronau sencera utilitzant tècniques tradicionals. En canvi, la neteja amb làser pot reduir aquest temps a 3-4 dies, depenent de la mida de l'avió, i també fa que les peces siguin més accessibles per als treballadors. A més, quan s'utilitza per a l'eliminació de pintura en comptes de la decapada química o la granalla, la neteja làser ofereix un estalvi de costos important: milers de lliures per avió, ja que els residus perillosos es redueixen al voltant d'un 90 per cent o més i es redueixen els requisits de manipulació de materials.
Granallat amb làser/granallat per xoc làser
Les tensions dins dels components metàl·lics poden provocar una fallada per fatiga metàl·lica en els components de l'aeronau, com ara les pales dels ventiladors dels motors a reacció, que pot causar danys o lesions. Això es pot mitigar amb una tècnica coneguda com a làser peening.
En aquest procés, els polsos de llum làser es dirigeixen a una àrea d'alta concentració d'estrès i cada pols encén una petita explosió de plasma entre la superfície del component i una capa d'aigua ruixada a la part superior. La capa d'aigua limita l'explosió, la qual cosa fa que l'ona de xoc penetri en el component i generi tensions residuals de compressió a mesura que s'expandeix la seva àrea de propagació. Aquestes tensions contraresten les esquerdes i altres formes de fatiga metàl·lica. En comparació amb els processos tradicionals, l'enfortiment làser pot allargar la vida útil de les peces metàl·liques 10-15 vegades.
El peenatge làser s'utilitza cada cop més a la indústria aeroespacial. Per exemple, LSP Technologies i Airbus han desenvolupat conjuntament un sistema de granallat làser portàtil que s'ha provat i avaluat recentment a les instal·lacions de manteniment i reparació d'Airbus a Tolosa, França.
El sistema de granallat làser Leopard allargarà la vida a la fatiga inhibint l'inici i la propagació de les esquerdes causades per l'estrès de vibració cíclica. La flexibilitat del lliurament del feix de fibra òptica i les eines personalitzades permeten que el sistema il·lumini amb làser zones que són difícils d'arribar als avions. Segons els socis, el sistema és un avenç en la tecnologia d'enfortiment làser que farà avançar el seu ús, inclosa l'allargament de la vida útil de les pales dels motors a reacció i molt més.
El Fleet Readiness Center East (FRCE) de la Marina dels Estats Units també ha completat recentment la validació d'un procés de marcatge per xoc làser que s'ha utilitzat amb èxit a l'avió F-35B Lightning II. FRCE va utilitzar el procés per reforçar el marc del F-35B Lightning II sense afegir cap material o pes addicional que, d'altra manera, limitaria les seves capacitats de transport d'armes o de combustible. Això ajuda a allargar l'esperança de vida dels avions de combat de cinquena generació, les variants d'enlairament i aterratge curts utilitzades pel Cos de Marines dels EUA.
Lperforació aser
Els motors aerodinàmics moderns tenen uns 500000 forats, unes 100 vegades més que els motors construïts a la dècada de 1980. Al mateix temps, els fabricants d'avions estan produint un nombre creixent d'altres components que presenten un gran nombre de forats perforats per reblar i cargolar. Per tant, en l'àmbit aeroespacial, la perforació làser té un gran potencial de mercat, ja que proporciona un procés precís, repetible, ràpid i rendible.
Per exemple, s'estan desenvolupant nous sistemes làser femtosegons d'alta potència per a la micro perforació eficient i precisa de grans panells de titani HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) per muntar-los en estabilitzadors d'ala o empenatge. Aquests panells atreuen l'aire a través de petits forats, la qual cosa redueix l'arrossegament de fricció i redueix el consum de combustible.
Atès que la perforació làser és sense contacte, el material que s'està mecanitzant no necessita ser fixat de la mateixa manera que amb les eines convencionals. Un altre avantatge de ser sense contacte és l'absència de desgast de l'eina, que representa un avantatge particular en les operacions de perforació de components CFRP. A causa de la seva duresa, els components de CFRP poden ser molt abrasius per a les eines convencionals. La perforació làser també es pot dur a terme a velocitats molt altes, de manera que un dany excessiu per la calor no perjudiqui el material que s'està processant.
Afabricació ditiva
La fabricació additiva làser (AM) també s'ha desenvolupat ràpidament a la indústria aeroespacial. En aquesta tècnica, els làsers fonen successives capes de pols per crear formes. Una empresa de coets amb seu a Califòrnia fins i tot va demanar recentment dues 12-impressores 3D de raig làser per fer les seves missions espacials més econòmiques i eficients mitjançant la creació de components espacials més lleugers, ràpids i forts.
Tot i que molts projectes encara es troben en fase de prova, la fabricació additiva làser ja s'ha utilitzat amb èxit en dues missions a Mart. El rover Curiosity de la NASA, que va aterrar l'agost de 2012, va ser la primera missió que va portar peces impreses en 3D a Mart. Es tracta d'un component ceràmic dins de l'instrument Sample Analysis at Mars (SAM), part d'un programa de proves en curs per investigar la fiabilitat de les tècniques de fabricació additiva.
Mentrestant, el rover Perseverance de la NASA, que va aterrar a Mart el febrer de 2021, conté 11 peces metàl·liques que es van fabricar additivament amb làsers. Cinc d'aquests components es troben a l'instrument planetari per a la litoquímica de raigs X (PIXL) de Perseverance, que busca signes de vida microbiana fòssil a Mart. Aquestes peces han de ser tan lleugeres que les tècniques tradicionals com la forja, l'emmotllament i el tall no les puguin produir.
La NASA també ha estat experimentant amb la fabricació additiva làser de components de coets. En un estudi, la cambra de combustió d'un motor de coet es va fabricar amb un aliatge de coure. El desenvolupament continuat d'aquesta fabricació additiva làser ha donat com a resultat que la peça es fabriqui a aproximadament la meitat del cost i en una sisena part del temps necessari per al mecanitzat, unió i muntatge tradicionals. Atès que l'aliatge de coure utilitzat és molt reflectant als làsers infrarojos, la NASA està investigant com els làsers verds o blaus poden millorar l'eficiència i la productivitat.
Tot i que l'ús de la fabricació additiva a l'aeroespacial encara es troba en les seves primeres etapes, s'espera que creixi durant els propers 20 anys.
Texturització làser
La texturació làser també és una aplicació molt nova a la indústria aeroespacial. En aquest procés, els làsers ultra ràpids s'utilitzen per crear micro-nanoestructures a la superfície de l'avió mitjançant una tècnica anomenada patronatge d'interferència làser directe (DLIP), que s'utilitza per crear un "efecte lotus" natural que crea nanoestructures que ajuden a prevenir la superfície. contaminació i evitar l'acumulació de gel a les aeronaus.
Una òptica innovadora divideix un potent pols làser ultraràpid en diversos feixos parcials, que després es combinen a la superfície per processar. Quan es veu al microscopi, la microestructura resultant s'assembla a "sales" microscòpiques fetes de "pilars" o ondulacions. La distància entre els "pilars" és d'uns 150 nm a 30 μm; aquesta estructura significa que les gotes d'aigua ja no poden mullar la superfície i enganxar-s'hi perquè no tenen prou adherència a la superfície.
Els avantatges del material per a avions inclouen una major repel·lència d'aigua, gel i insectes. Aquests poden enganxar-se a la superfície de l'avió i augmentar la resistència del vent de l'avió, augmentant així el consum de combustible. L'aplicació d'aquesta texturació làser reduiria la necessitat de tractaments químics tòxics aplicats actualment a les superfícies de les aeronaus per evitar la formació de gel. Se sap que envelleix i es torna propens a danys amb el pas del temps. A més, les estructures làser produïdes amb el mètode DLIP poden durar anys sense causar problemes ambientals.
