Under de senaste åren har flygsektorn – inklusive kommersiella och militära flygplan, satelliter, rymdfarkoster, drönare och obemannade flygfarkoster (UAV) – genomgått några genomgripande förändringar. Ett växande antal företag har anslutit sig till rymdkapplöpningen, varav många kräver innovativ tillverkningsteknik.
Däremot har effekterna av pandemi-orsakade reserestriktioner på kommersiellt flyg lett till en tredjedel nedgång i tillverkningen av civila flygplan.
Under 2019 var Europa en av de globala ledarna inom civil flygplans- och helikopterproduktion (inklusive olika komponenter och flygplansmotorer), vilket gav cirka 400,000 jobb och genererade 130 miljarder euro i intäkter. Medan rymdutforskning och försvar i stort sett är opåverkade av New Crown-pandemin, är produktion och tillverkning av civila flygplan fortfarande i återhämtningsfasen.
I sin publikation från februari 2023, Uncertainty in Commercial Aerospace, rapporterar det ledande konsult- och forskningsföretaget McKinsey att världen måste absorbera en orderstock för att bygga 9 400 passagerarflygplan (främst smalkroppsflygplan) i slutet av 2027. Men det råder osäkerhet. om flygpassagerartransporternas framtida tillväxt, leveranskedjan och arbetskraftens sundhet. Som ett resultat måste tillverkare förbättra produktiviteten och flexibiliteten för att hantera eftersläpningen och svara på framtida förändringar i efterfrågan.
Laserbearbetningens förmåga att öka produktiviteten och hålla kostnaderna låga kan spela en nyckelroll för att möjliggöra detta svar inom flygindustrin. Laserbearbetning - i form av skärning, svetsning, kulblästring och borrning - har blivit en integrerad del av flygtillverkning.
Till exempel används lasrar för att tillverka flygplansvingklaffar, vingfästen, jetmotorkomponenter och sätesdelar, samt för att reparera turbiner, rengöra eller ta bort färg från delar och förbereda komponentytor för vidare bearbetning. Under de senaste åren har lasertillsatstillverkning (AM) också blivit allt mer populär inom flygsektorn. Dessutom vill marknaden förbättra spårbarheten av flygkomponenter och i och med det ökar efterfrågan på lasermärkning.
Laserskärning och svetsning
Laserskärning är en snabb, kostnadseffektiv och exakt process som kan användas för att möta de krävande tillverkningskraven inom flygsektorn.
Jämfört med traditionell bearbetning erbjuder laserskärning hög noggrannhet, mindre materialspill, snabbare bearbetningshastigheter, lägre kostnader och mindre utrustningsunderhåll. Dessutom kan produktiviteten maximeras eftersom det gör att alla nödvändiga ändringar av processen kan göras snabbt och enkelt.
Lasern kan användas för att tillverka vingfästdelar, fixturdelar, sluteffektordelar, verktygsdelar etc. Den lämpar sig lika bra för små delar, som transplantatoljepackningar och titanpilotrörsgrenrör, samt större delar, t.ex. som avgaskoner. Den kan bearbeta en mängd olika flyg- och rymdmaterial, inklusive aluminium, Hastelloy (nickel som har legerats med element som molybden och krom), Inconel, Nitinol, Nitinol, rostfritt stål, tantal och titan.
Lasersvetsning används även inom flyg- och rymdindustrin som ett alternativ till traditionella sammanfogningsmetoder, såsom limning och mekanisk fästning. Till exempel värderas användningen av lasersvetsning av lätta aluminiumlegeringar och kolfiberförstärkta polymerer (CFRP) i flygplanstillverkning alltmer och används när det är möjligt för att ersätta nitade fogar. Teknologier som lasersvingsvetsning har också varit framgångsrika vid anslutningar av bränsletankar, vilket har förbättrat effektiviteten och styrkan i anslutningen, minskat efterarbete och gett betydande kostnadsbesparingar. Andra svetsframgångar inom flygindustrin inkluderar att fästa gjutna kärnor av turbinblad på kåpor; och skapa nya typer av lätta vingklaffar som ökar laminärt flödeskontroll, minimerar motståndet och optimerar bränsleeffektiviteten.
Med potential för kostnadsbesparingar, komponentviktsreduktion och förbättrad svetskvalitet jämfört med traditionella metoder, överväger flera tillverkare på marknaden redan nu lasersvetsning för delar av flygkroppen.
Laser rengöring
Tillverkare inom flygsektorn använder laserrengöring för att ta bort skikt från metall- och kompositytor som förberedelse för bearbetning, för att ta bort beläggningar eller korrosion och för att ta bort färg från stora delar eller hela flygplan före ommålning.
Under rengöringsprocessen absorberas och förångas laserljuset av ytskiktet av metall, vilket resulterar i ablation av ytmaterialet med liten eller ingen effekt på det inre skiktet och ingen sekundär termisk skada på komponenten. Pulsfiberlasrar i kilowattklassen är särskilt väl lämpade för snabb laserrengöring – de kan rengöra en lång rad material, inklusive keramik, kompositer, metaller och plaster, med hög effektivitet och precision.
Användningen av kompositer i flygplan har ökat de senaste åren, och det har också behovet av att foga samman metaller till kompositer. Inom flygtillverkning kan lim användas för att sammanfoga dessa två olika material, och för att skapa en stark bindning måste de två ytorna noggrant förberedas för bearbetning innan limmet appliceras.
Laserrengöring är det idealiska alternativet eftersom det skapar en mycket hårt kontrollerad, reproducerbar yteffekt som är kapabel att uppnå en konsekvent, förutsägbar bindning. Traditionellt skulle detta åstadkommas genom destruktiva sprängtekniker eller applicering av flera kemikalier. Men laserrengöring erbjuder nu ett tillvägagångssätt i ett steg som inte bara är mer kostnadseffektivt och produktivt, utan också har en mycket lägre miljöpåverkan eftersom inga giftiga kemikalier eller blästringsmaterial krävs. Laserrengöring är också mycket skonsammare mot delar än traditionella metoder.
Laserrengöring av metall- och kompositflygplanskomponenter är också mer fördelaktigt än kemisk strippning eller blästringstekniker när det kommer till färgborttagning. Under dess livstid kan ett flygplan målas om 4-5 gånger, och det kan ta en vecka eller mer att ta bort färg från ett helt flygplan med traditionella tekniker. Däremot kan laserrengöring minska denna tid till 3-4 dagar, beroende på flygplanets storlek, och det ger också arbetare enklare tillgång till delarna. Dessutom kan laserrengöring, när den används för borttagning av färg snarare än för kemisk strippning eller blästring, resultera i betydande kostnadsbesparingar – tusentals pund per flygplan – eftersom farligt avfall minskar med cirka 90 procent eller mer och kraven på materialhantering minskar.
Laserblästring/laserslagsblästring
Spänningar i metallkomponenter kan leda till metallutmattningsfel i flygplanskomponenter som fläktblad i jetmotorer, vilket potentiellt kan orsaka skada eller personskada. Detta kan mildras med en teknik som kallas laserblästring.
I denna process riktas laserpulser till ett område med hög spänningskoncentration, och varje puls antänder en liten plasmablåsning mellan komponentytan och ett vattenlager som sprutas ovanpå. Vattenskiktet begränsar sprängningen, vilket gör att stötvågen penetrerar komponenten och genererar kvarvarande tryckspänningar när dess utbredningsområde expanderar. Dessa spänningar motverkar sprickbildning och andra former av metallutmattning. Laserpenning kan förlänga livslängden för metalldelar med 10-15 gånger jämfört med konventionella processer.
Laserpeening används alltmer inom flygindustrin. Till exempel har LSP Technologies och Airbus tillsammans utvecklat ett bärbart laserblästringssystem som nyligen testades och utvärderades vid Airbus underhålls- och reparationsanläggning i Toulouse, Frankrike.
Leopard-laserblästringssystemet förlänger utmattningslivslängden genom att förhindra uppkomsten och expansionen av sprickor orsakade av cykliska vibrationspåkänningar. Flexibiliteten i leverans av fiberoptiska strålar och anpassade verktyg gör att systemet kan lasera svåråtkomliga områden av flygplanet. Enligt partnerna är systemet ett genombrott inom laserblästringstekniken och kommer att främja användningen, bland annat förlänga livslängden på jetmotorblad.
US Navy Fleet Readiness Center East (FRCE) slutförde också nyligen valideringen av en laserslagförstärkningsprocess som framgångsrikt har använts på F-35B Lightning II-flygplanet. FRCE använde processen för att stärka F-35B Lightning II:s ram utan att lägga till något extra material eller vikt som annars skulle begränsa dess bränsle- eller vapenbärande förmåga. Detta bidrar till att förlänga den förväntade livslängden för femte generationens jaktplan, den korta start- och landningsversionen som används av US Marine Corps.
Laserborrning
Moderna flygmotorer har cirka 500,000 hål, cirka 100 gånger antalet motorer som byggdes på 1980-talet. Samtidigt tillverkar flygplanstillverkarna allt fler andra komponenter som har ett stort antal borrade hål för nitade och skruvade anslutningar. Laserborrning har därför en enorm marknadspotential inom flygsektorn eftersom den erbjuder en exakt, repeterbar, snabb och kostnadseffektiv process.
Till exempel utvecklas nya högeffekts femtosekundlasersystem för effektiv och exakt mikroborrning av stora titanium HLFC (Hybrid Laminar Flow Control) paneler som kommer att monteras på ving- eller svansstabilisatorer. Dessa paneler drar luft genom små hål, vilket minskar friktionsmotståndet och sänker bränsleförbrukningen.
Bildlasrar används alltmer för att borra CFRP-flygplanskomponenter
(Bildkredit: Laser Center Hannover)
Eftersom laserborrning är beröringsfri behöver materialet som bearbetas inte hållas på samma sätt som om det bearbetades med konventionella verktyg. En annan fördel med kontaktlösheten är att inget verktygsslitage uppstår, vilket är en speciell fördel vid borrning av CFRP-komponenter. På grund av sin hårdhet kan CFRP-komponenter orsaka mycket högt slitage på konventionella verktyg. Laserborrning kan också utföras med mycket höga hastigheter, så att alltför stora skador från värme inte skadar materialet som bearbetas.
Additiv tillverkning
Laser additiv tillverkning (AM) tar också fart inom flygindustrin. I denna teknik smälter en laser kontinuerliga lager av pulver för att bygga former. Ett raketföretag baserat i Kalifornien beställde till och med nyligen två 12-laserstråle-3D-skrivare för att göra sina rymduppdrag mer ekonomiska och effektiva genom att skapa lättare, snabbare och starkare rymdkomponenter.
Medan många projekt fortfarande är i testfasen, har lasertillverkning använts framgångsrikt på två uppdrag till Mars. NASA:s Curiosity-rover, som landade i augusti 2012, var det första uppdraget att frakta 3D-utskrivna delar till Mars. Detta är en keramisk komponent inuti instrumentet Sample Analysis on Mars (SAM), en del av ett pågående testprogram för att undersöka tillförlitligheten hos additiv tillverkningsteknik.
Samtidigt innehåller NASA:s Trailblazer-rover, som landar på Mars i februari 2021, 11 metalldelar tillverkade av lasertillsats. Fem av delarna finns i Trail's Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL), som letar efter tecken på mikrobiellt fossilt liv på Mars. Dessa delar måste vara så lätta att de inte kan tillverkas med traditionell smide, gjutning och skärteknik.
NASA har också experimenterat med lasertillverkning av raketkomponenter. I en studie gjordes förbränningskammaren i en raketmotor av en kopparlegering. Denna fortsatta utveckling av lasertillverkning har resulterat i en komponent som kan tillverkas till ungefär halva kostnaden och en sjättedel av den tid som krävs för traditionell bearbetning, sammanfogning och montering. Eftersom de kopparlegeringar som används är mycket reflekterande av infraröda lasrar, undersöker NASA nu hur gröna eller blå lasrar kan förbättra effektiviteten och produktiviteten.
Även om användningen av additiv tillverkning inom flyg- och rymdindustrin fortfarande är i ett tidigt skede, förväntas den växa under de kommande 20 åren.
Lasergrossning
Lasergrossing är också en mycket ny applikation inom flygindustrin. I denna process används ultrasnabba lasrar för att skapa mikronanostrukturer på flygplansytor genom en teknik som kallas direkt laserinterferometrisk mönstring (DLIP), som används för att skapa en naturlig "lotuseffekt", vilket skapar nanostrukturer som hjälper till att förhindra ytkontamination och is ansamling på flygplanet.
Den innovativa optiken delar upp en kraftfull ultrasnabb laserpuls i flera delstrålar, som sedan kombineras på ytan som bearbetas. När den ses under ett mikroskop liknar den resulterande mikrostrukturen en mikroskopisk "hall" av "pelare" eller krusningar. Avståndet mellan "pelarna" är mellan cirka 150nm och 30µm - en struktur som gör att vattendroppar inte längre väter ytan och fastnar på den eftersom de inte har tillräckligt med grepp på ytan.
Fördelarna med detta material för flygplanet inkluderar ökad avstötning av vatten, is och insekter. Dessa kan fastna på flygplanets yta och öka flygplanets motstånd mot vind och därmed öka bränsleförbrukningen. Appliceringen av denna lasertextur kommer att minska behovet av giftiga kemiska behandlingar som för närvarande tillämpas på flygplansytor för att undvika isbildning. Det är känt att det försämras med tiden och är benäget att skadas. Dessutom kan laserstrukturer framställda med DLIP-metoden hålla i flera år och orsakar inga miljöproblem.
