I de seneste år har rumfartssektoren - herunder kommercielle og militære fly, satellitter, rumfartøjer, droner og ubemandede luftfartøjer (UAV'er) - gennemgået nogle gennemgribende ændringer. Et stigende antal virksomheder har tilsluttet sig rumkapløbet, hvoraf mange kræver innovative produktionsteknologier.
I modsætning hertil har virkningen af pandemi-forårsagede rejserestriktioner på kommerciel luftfart ført til et fald på en tredjedel i produktionen af civile fly.
I 2019 var Europa en af de globale førende inden for produktion af civile fly og helikoptere (herunder forskellige komponenter og flymotorer), hvilket gav omkring 400,000 jobs og genererede 130 mia. EUR i omsætning. Mens rumforskning og -forsvar stort set er upåvirket af New Crown-pandemien, er produktion og fremstilling af civile fly stadig i genopretningsfasen.
I sin publikation fra februar 2023, Uncertainty in Commercial Aerospace, rapporterer det førende konsulent- og forskningsfirma McKinsey, at verden er nødt til at absorbere en ordrereserve for at bygge 9.400 passagerfly (hovedsageligt smalkropsjetfly) inden udgangen af 2027. Men der er usikkerhed. om den fremtidige vækst i flypassagertransport, forsyningskæden og arbejdsstyrkens soliditet. Som følge heraf skal producenterne forbedre produktiviteten og fleksibiliteten for at håndtere efterslæbet og reagere på fremtidige ændringer i efterspørgslen.
Laserbehandlings evne til at øge produktiviteten og holde omkostningerne lave kan spille en nøglerolle i at muliggøre denne reaktion i rumfartsindustrien. Laserbearbejdning - i form af skæring, svejsning, slibning og boreoperationer - er blevet en integreret del af rumfartsproduktion.
For eksempel bruges lasere til at fremstille flyvingeklapper, vingebefæstelser, jetmotorkomponenter og sædedele, samt til at reparere turbiner, rense eller fjerne maling fra dele og forberede komponentoverflader til videre bearbejdning. I de senere år er laser additiv fremstilling (AM) også blevet mere og mere populært i luftfartssektoren. Derudover ønsker markedet at forbedre sporbarheden af flykomponenter, og dermed er efterspørgslen efter lasermærkning stigende.
Laserskæring og svejsning
Laserskæring er en hurtig, omkostningseffektiv og præcis proces, der kan bruges til at opfylde de krævende produktionskrav i luftfartssektoren.
Sammenlignet med traditionel behandling giver laserskæring høj nøjagtighed, mindre materialespild, hurtigere behandlingshastigheder, lavere omkostninger og mindre vedligeholdelse af udstyr. Derudover kan produktiviteten maksimeres, fordi det gør det muligt at foretage alle nødvendige ændringer i processen hurtigt og nemt.
Laseren kan bruges til at fremstille vingefastgørelsesdele, fiksturdele, endeeffektordele, værktøjsdele osv. Den er lige så velegnet til små dele, såsom graft-oliepakninger og titaniumpilotrør-manifolder, samt større dele, som f.eks. som udstødningskegler. Det kan behandle en række forskellige rumfartsmaterialer, herunder aluminium, Hastelloy (nikkel, der er blevet legeret med elementer som molybdæn og krom), Inconel, Nitinol, Nitinol, rustfrit stål, tantal og titanium.
Lasersvejsning bruges også i rumfart som et alternativ til traditionelle sammenføjningsmetoder, såsom klæbemiddel og mekanisk fastgørelse. For eksempel er brugen af lasersvejsning af letvægtsaluminiumslegeringer og kulfiberforstærkede polymerer (CFRP) i flyproduktionen i stigende grad værdsat og bliver brugt, hvor det er muligt, til at erstatte nitte samlinger. Teknologier såsom lasersvingsvejsning har også haft succes med brændstoftankforbindelser, hvilket forbedrer effektiviteten og styrken af forbindelsen, reducerer efterbearbejdning og giver betydelige omkostningsbesparelser. Andre svejsesucceser i luft- og rumfart omfatter fastgørelse af støbte kerner af turbineblade til dæksler; og skabe nye typer lette vingeklapper, der øger laminar flowkontrol, minimerer modstand og optimerer brændstofeffektiviteten.
Med potentiale for omkostningsbesparelser, reduktion af komponentvægt og forbedret svejsekvalitet sammenlignet med traditionelle metoder, overvejer flere producenter på markedet allerede nu lasersvejsning til flyskrogdele.
Laser rengøring
Producenter i rumfartssektoren bruger laserrensning til at fjerne lag fra metal- og kompositoverflader som forberedelse til bearbejdning, til at fjerne belægninger eller korrosion og til at fjerne maling fra store dele eller hele fly før ommaling.
Under rensningsprocessen absorberes og fordampes laserlyset af overfladelaget af metal, hvilket resulterer i ablation af overfladematerialet med ringe eller ingen effekt på det indre lag og ingen sideværts termisk skade på komponenten. Pulserende fiberlasere i kilowattklassen er særligt velegnede til hurtig laserrensning – de kan rense en lang række materialer, herunder keramik, kompositter, metaller og plastik, med høj effektivitet og præcision.
Brugen af kompositter i fly er steget i de senere år, og det samme er behovet for at sammenføje metaller med kompositter. I rumfartsfremstilling kan klæbemidler bruges til at forbinde disse to forskellige materialer, og for at skabe en stærk binding skal de to overflader omhyggeligt klargøres til forarbejdning, før klæbemidlet påføres.
Laserrensning er den ideelle mulighed, fordi den skaber en meget stramt kontrolleret, reproducerbar overfladeeffekt, der er i stand til at opnå en konsistent, forudsigelig binding. Traditionelt ville dette blive opnået gennem destruktive sprængningsteknikker eller anvendelse af flere kemikalier. Men laserrensning tilbyder nu en et-trins tilgang, der ikke kun er mere omkostningseffektiv og produktiv, men også har en meget lavere miljøpåvirkning, da der ikke kræves giftige kemikalier eller sprængningsmaterialer. Laserrensning er også meget skånsommere for dele end traditionelle metoder.
Laserrensning af metal- og kompositflykomponenter er også mere fordelagtigt end kemisk stripning eller sprængningsteknikker, når det kommer til malingfjerning. I løbet af dets levetid kan et fly blive malet om 4-5 gange, og det kan tage en uge eller mere at fjerne maling fra et helt fly ved hjælp af traditionelle teknikker. I modsætning hertil kan laserrensning reducere denne tid til 3-4 dage, afhængigt af flyets størrelse, og det giver også arbejdere lettere adgang til delene. Derudover kan laserrensning, når den bruges til fjernelse af maling frem for kemisk stripning eller blæsning, resultere i betydelige omkostningsbesparelser - tusindvis af pund pr. fly - fordi farligt affald reduceres med omkring 90 procent eller mere, og krav til materialehåndtering reduceres.
Laserblæsning/laserstødblæsning
Spændinger i metalkomponenter kan føre til metaltræthedsfejl i flykomponenter, såsom blæserblade i jetmotorer, hvilket potentielt kan forårsage skade eller personskade. Dette kan afbødes med en teknik kendt som laserpeening.
I denne proces ledes laserimpulser til et område med høj stresskoncentration, og hver impuls antænder en lille plasmablæsning mellem komponentoverfladen og et lag vand sprøjtet ovenpå. Vandlaget begrænser eksplosionen, hvilket får stødbølgen til at trænge ind i komponenten og generere kompressionsrestspændinger, når dens udbredelsesområde udvides. Disse spændinger modvirker revner og andre former for metaltræthed. Laserpeening kan forlænge levetiden for metaldele med 10-15 gange sammenlignet med konventionelle processer.
Laserpeening bliver i stigende grad brugt i rumfartsindustrien. For eksempel har LSP Technologies og Airbus i fællesskab udviklet et bærbart laser-peening-system, der for nylig blev testet og evalueret på Airbus' vedligeholdelses- og reparationsanlæg i Toulouse, Frankrig.
Leopard-laser-peening-systemet forlænger træthedslevetiden ved at hæmme fremkomsten og udvidelsen af revner forårsaget af cykliske vibrationsbelastninger. Fleksibiliteten ved levering af fiberoptiske stråler og tilpasset værktøj gør det muligt for systemet at lasere svært tilgængelige områder af flyet. Ifølge partnerne er systemet et gennembrud inden for laser-peening-teknologi og vil fremme anvendelsen, herunder forlænge levetiden af jetmotorblade, blandt andet.
US Navy Fleet Readiness Center East (FRCE) afsluttede også for nylig valideringen af en laserstødforstærkende proces, der er blevet brugt med succes på F-35B Lightning II-flyene. FRCE brugte processen til at styrke F-35B Lightning II's ramme uden at tilføje yderligere materiale eller vægt, som ellers ville begrænse dens brændstof- eller våbenbærende evne. Dette hjælper med at forlænge den forventede levetid for femte generations jagerfly, den korte start- og landingsversion, der bruges af US Marine Corps.
Laser boring
Moderne flymotorer har omkring 500,000 huller, omkring 100 gange antallet af motorer bygget i 1980'erne. Samtidig producerer flyproducenterne flere og flere andre komponenter, der har et stort antal borede huller til nitte- og skrueforbindelser. Laserboring har derfor et enormt markedspotentiale i rumfartssektoren, fordi det tilbyder en præcis, gentagelig, hurtig og omkostningseffektiv proces.
For eksempel udvikles nye højeffekt femtosekund lasersystemer til effektiv og præcis mikroboring af store titanium HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) paneler, der vil blive monteret på vinge- eller halestabilisatorer. Disse paneler trækker luft gennem små huller og reducerer derved friktionsmodstanden og sænker brændstofforbruget.
Billedlasere bruges i stigende grad til boring af CFRP-flykomponenter
(Billedkredit: Laser Center Hannover)
Da laserboring er berøringsfri, behøver materialet, der behandles, ikke holdes på samme måde, som hvis det blev behandlet med konventionelle værktøjer. En anden fordel ved kontaktløsheden er, at der ikke opstår værktøjsslid, hvilket repræsenterer en særlig fordel ved boring af CFRP-komponenter. På grund af deres hårdhed kan CFRP-komponenter forårsage meget højt slid på konventionelle værktøjer. Laserboring kan også udføres ved meget høje hastigheder, således at overdreven varmeskader ikke skader det materiale, der behandles.
Additiv fremstilling
Laser additive manufacturing (AM) vinder også hastigt frem i luft- og rumfartsindustrien. I denne teknik smelter en laser kontinuerlige lag af pulver for at bygge former. Et raketfirma med base i Californien har endda for nylig bestilt to 12-laserstråle-3D-printere for at gøre sine rummissioner mere økonomiske og effektive ved at skabe lettere, hurtigere og stærkere rumkomponenter.
Mens mange projekter stadig er i testfasen, er laseradditivfremstilling blevet brugt med succes på to missioner til Mars. NASAs Curiosity-rover, som landede i august 2012, var den første mission, der transporterede 3D-printede dele til Mars. Dette er en keramisk komponent i Sample Analysis on Mars (SAM) instrumentet, en del af et igangværende testprogram for at undersøge pålideligheden af additiv fremstillingsteknologi.
I mellemtiden indeholder NASAs Trailblazer-rover, som lander på Mars i februar 2021, 11 metaldele fremstillet af laseradditiver. Fem af delene er i Trail's Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL), som leder efter tegn på mikrobielt fossilt liv på Mars. Disse dele skal være så lette, at de ikke kan fremstilles ved traditionelle smede-, støbe- og skæreteknikker.
NASA har også eksperimenteret med laseradditiv fremstilling af raketkomponenter. I en undersøgelse blev forbrændingskammeret i en raketmotor lavet af en kobberlegering. Denne fortsatte udvikling af lasertilsætningsfremstilling har resulteret i en komponent, der kan fremstilles til omkring halvdelen af prisen og en sjettedel af den tid, der kræves til traditionel bearbejdning, sammenføjning og montering. Fordi de anvendte kobberlegeringer i høj grad reflekterer infrarøde lasere, undersøger NASA nu, hvordan grønne eller blå lasere kan forbedre effektiviteten og produktiviteten.
Mens brugen af additiv fremstilling i rumfart stadig er i sin tidlige fase, forventes den at vokse i løbet af de næste 20 år.
Lasergrossing
Lasergrossing er også en meget ny anvendelse i flyindustrien. I denne proces bruges ultrahurtige lasere til at skabe mikro-nanostrukturer på flyoverflader gennem en teknik kendt som direkte laser interferometrisk mønster (DLIP), som bruges til at skabe en naturlig "lotus-effekt", der skaber nanostrukturer, der hjælper med at forhindre overfladeforurening og is opbygning på flyet.
Den innovative optik opdeler en kraftig ultrahurtig laserimpuls i flere delstråler, som derefter kombineres på overfladen, der behandles. Når den ses under et mikroskop, ligner den resulterende mikrostruktur en mikroskopisk "hal" af "søjler" eller krusninger. Afstanden mellem "pillerne" er mellem omkring 150nm og 30µm - en struktur, der betyder, at vanddråber ikke længere væder overfladen og klæber til den, fordi de ikke har nok greb om overfladen.
Fordelene ved dette materiale til flyet omfatter øget afvisning af vand, is og insekter. Disse kan klæbe til flyets overflade og øge flyets modstand mod vind og dermed øge brændstofforbruget. Anvendelsen af denne lasertekstur vil reducere behovet for giftige kemiske behandlinger, der i øjeblikket anvendes på flyoverflader for at undgå isdannelse. Det er kendt for at forværres over tid og er tilbøjeligt til at beskadige. Desuden kan laserstrukturer fremstillet ved DLIP-metoden holde i flere år og giver ikke miljøproblemer.
